操作系统导论（1）

CPU虚拟化

• 什么是虚拟化？

物理概念上不存在，但逻辑概念上是存在的。
比如：宾馆的房间，当你使用的时候，别人是无法使用的，在这段时间内，它是独属于你，同理，在其它用户使用期间，它是独属于其它用户的。换句话说，宾馆在物理意义上只有一间，在每个用户使用期间，它都是独属于每个用户，就好像每个人都拥有一间房间一样，即：逻辑上存在很多间房间

• 为什么需要虚拟化？

计算机的各种资源有限，但是实际情况下，用户往往希望计算机能“同时”运行多个程序。

• 如何实现虚拟化？

1. 时分复用——分时复用

为每个程序建立至少一个进程，让所有进程进行并发执行。
即：操作系统把CPU时间划分为多个均等的时间片。例如：每5ms一个时间片，在每个时间片内运行一个进程。当进程的时间片用完被切换后，过一段时间会重新接着运行。

1. 空分复用

由于计算机的内存资源有限，操作系统会惰性执行进程，即：仅在程序执行期间需要加载的代码或数据片段才会被加载，运行完毕后，操作系统会将该部分换出，再重新加载另外一部分。

进程

• 什么是进程？

1. 进程是程序的一次执行
2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
3. 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

• 进程的组成

1. 进程控制块（Process Control Block，PCB)：存储进程的调度信息、控制信息、处理机状态等，位于操作系统内核（kernel）中，受到保护，无法查看。
2. 程序段
3. 相关的数据段

• 程序如何转化为进程

1. 将代码和静态数据加载（load）到内存
2. 为程序的运行时栈（run-time stack）分配一些内存用于存放局部变量、函数参数和返回地址
3. 可能会为程序的堆分配一些内存。在C程序中，堆用于显示请求的动态分配数据。如：通过malloc()或者realloc()请求空间，并通过free()释放空间
4. 执行一些其他初始化任务，特别是和输入/输出相关的任务

• 进程的状态

运行（running）：进程获得CPU，程序正在执行的状态
就绪（ready）：进程已处于准备号运行的状态，即：进程已分配到除CPU以外的所有必要资源后，只需要再获得CPU，便可立即执行
阻塞（blocked）：正在执行的进程由于发生某事件（如I/O请求，申请缓冲器失败等）暂时无法继续执行的状态，即：进程的执行收到阻塞
创建状态：系统没有足够的内存让内存装入其中，进程的创建工作没有完成，进程无法被调度执行
终止状态：系统可以处于已退出但尚未清理（将PCB清0，并将PCB空间返还系统）的状态

• 进程是受限直接执行的

1. 什么是受限直接执行？

   “直接执行”：只需要在CPU上运行

   “受限”：进程的操作收到操作系统的限制，比如：向磁盘发出I/O请求或者获得更多的系统资源（比如：CPU或者内存）

2. 受限直接执行的原因？

   “直接执行”：为了让程序尽可能快的执行

   “受限”：避免进程执行一些危险的操作

3. 如何实现受限直接执行

   • 实现“受限”
     （1）用户模式（user mode）：用户模式下，运行的代码会受到限制。比如：在用户模式下运行，进程不能发出I/O请求。
     （2）内核模式（kernel mode）：和用户模式相对，操作系统（或内核）都是在这种模式下运行
     （3）系统调用：用户希望执行某种特权操作（比如：从硬盘读取数据），硬件为用户程序提供了执行系统调用的能力，允许内核小心地向用户程序暴露某些关键功能，例如：访问文件系统，创建和销毁进程、和其它进程通信，以及分配更多的内存）
     （4）陷阱（trap）指令：要执行系统调用就必须执行陷阱指令，该指令在被操作系统加载到内核的同时将用户模式提升为内核模式。完成后，操作系统会调用一个从陷阱返回指令（return-from-trap），回到用户模式
     （5）陷阱表（trap table）：计算机启动时，操作系统就会初始化陷阱表，并且CPU会记住它的位置。当执行陷阱指令时，CPU就会根据陷阱表找到需要运行的指令。

• 实现直接执行——实现进程的切换
  （1）操作系统获取CPU的控制权
  ​ a. 协作方式（等待系统调用）：操作系统等待进程进行系统调用或者某种非法操作发生时，从而获得CPU控制权
  ​ b. 非协作方式（操作系统进行控制）：通过时钟中断（timer interrupt），时钟设备可以每隔几秒钟产生一次中断，产生中断时，正在运行的程序停止，操作系统中预先配置的中断处理程序（iterrput handler)会运行，此时操作系统会重新获得CPU控制权
  （２）保存和恢复上下文
  ​ a. 调度程序（scheduler）：决定继续运行当前正在运行的程序还是切换到另一个进程
  ​ b. 上下文切换：为当前正在运行的进程保存一些信息，并为即将执行的进程恢复一些信息（借助PCB实现）
  ​ c. 进行上下文切换时，操作系统会执行一些底层汇编代码，来保存通用寄存器（GR）、程序计数器（PC），以及当前正在运行进程的内核栈指针，然后恢复寄存器、程序计数器，并切换内核栈，供即将运行的进程使用。

• 系统调用期间发生时钟中断怎么办？
• 处理一个中断时发生另外一个中断怎么办？