01-操作系统概述

以下是学习中山大学苏玉鑫老师的课程，以下是课程链接：

https://space.bilibili.com/392294218/favlist?fid=4945279&ftype=collect&ctype=21

为什么要学习操作系统

答案：右边快

答案：按照数据结构的学习，可能会认为是链表查找插入快，但是常规下却是顺序表快，在内存状态下，链表的分布可能会影响它的速度。

可以成为一名更高效的程序员

更快找到并消灭bug的能力
理解并调试、提升程序性能的能力

提高程序性能的方法

选择高效的编程语言：程序设计
设计精巧的数据结构与算法：数据结构与算法
利用操作系统的特性：操作系统
懂得借助编译器优化：编译原理

拥有理解复杂系统设计与实现的能力

拥有构建一个操作系统的能力

操作系统是系统领域的基石

系统领域有大量的公司

学好操作系统，for fun and profi

操作系统是一个成熟的领域

"新的"操作系统不断出现

操作系统为什么难学？

什么是操作系统

操作系统是在硬件和应用之间的软件层。

应用 -------- 操作系统 -------- 硬件

操作系统和应用的关系：

应用功能越来越多

操作系统沉淀越来越多功能、内涵与外延不断扩大

操作系统和硬件的关系

意识 VS 身体

计算机百科全书的解释

操作系统的管理硬件资源、控制程序运行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件。

对下管理硬件，对上构筑应用生态

cs 复制代码

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("hello world!");
    return 0;
}

bash 复制代码

gcc hello.c -o hello

./hello

./hello & ./hello

操作系统指挥显卡完成显示的过程，点阵

➢ hello 这个可执行文件存储在什么位置？是如何存储的？

➢ hello 这个可执行文件是如何加载到 CPU 中运行？

➢ hello 这个可执行文件是如何将"Hello World!"这行字输出到屏幕？

➢ 两个hello 程序同时运行的过程中如何在一个 CPU 中运行？

➢ 为应用提供计算资源的抽象

• CPU：进程/线程，数量不受物理CPU的限制

• 内存：虚拟内存，大小不受物理内存的限制

• I/O设备：将各种设备统一抽象为文件，提供统一接口

➢ 为应用提供线程间的同步

• 应用可以实现自己的同步原语（如spinlock）

• 操作系统提供了更高效的同步原语（与线程切换配合, 如pthread_mutex）

➢ 为应用提供进程间的通信

• 应用可以利用网络进行进程间通信（如loopback设备）

• 操作系统提供了更高效的本地通信机制（具有更丰富的语义，如pipe）

• 例：Shell Pipe

操作系统对应用的管理

➢ 生命周期的管理

• 应用的加载、迁移、销毁等操作

➢ 计算资源的分配

• CPU：线程的调度机制

• 内存：物理内存的分配

• I/O设备：设备的复用与分配

➢ 安全与隔离

• 应用程序内部：访问控制机制

• 应用程序之间：隔离机制，包括错误隔离和性能隔离

操作系统 = 管理 + 服务

➢ 管理和服务的目标有可能存在冲突

• 服务的目标：单个应用的运行效率最大化

• 管理的目标：系统的资源整体利用率最大化

• 例：单纯强调公平性的调度策略往往资源利用率低

• 如细粒度的round-robin导致大量的上下文切换

操作系统的定义

➢ 操作系统的核心功能：

• 将有限的、离散的资源，高效地抽象为无限的、连续的资源

➢ 从软件角度的定义：

• 硬件资源虚拟化+管理功能可编程

➢ 从结构角度的定义：

• 操作系统内核+系统框架

应用与操作系统的交互：系统调用

➢ 什么是系统调用？

• 应用调用操作系统的机制，实现应用不能实现的功能

➢ 例如：printf() -> write()->sys_write()• write(1, "Hello World!\n", 13)

➢ 使应用调用操作系统的功能就像普通函数调用一样

操作系统的功能：管理

➢ 避免一个流氓应用独占所有资源

➢ 方法-1：每10ms发生一个时钟中断（时间片）• 调度器决定下一个要运行的任务

➢ 方法-2：可通过信号等打断当前任务执行• 如：kill -9 1951

cpp 复制代码

int main() {
    while (1);
}

操作系统的功能：管理

➢ 如何卡死一个OS?

• 例：可以fork出无数的进程

cpp 复制代码

int main() {
    while (1) {
        fork();
    }
}

当应用程序执行到fork的时候，会复制一个新的进程，继续执行，然后执行到fork的时候，又会复制一个新的进程....

如何解决这个问题？

• 资源配额：cgroup/Linux

• 虚拟化：虚拟机

• 万能方法：重启机器• 制度约束：AppStore的程序预审准入机制

操作系统的历史

自行了解

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