作業系統的奧祕

記得小時候常常念過的一首詩是這樣的:

從小時候就開始數了。

數到懂事、數到成熟，

還沒有數清。

天上的星星為什麼數不清呢?

像記憶和幻想，

永遠揹負著固執的謎....

對於許多大學計算機及相關專業的同學來說，作業系統就像天上的星星，隱藏著一個固執的謎，永遠學不清楚。不過，作業系統真的學不清楚嗎?

不是的。學不清楚是因為沒有看到其背後的奧祕。這個奧祕不是所有的人都知道的。即使是研究作業系統的人也不一定意識到它，更別提計算機初學者了。

那麼這個奧祕是什麼呢?

天上的星星數不清是因為我們試圖做的事情是數星星。如果我們換個角度，不去數星星，而是尋找星星的設計師，讓他告訴我們星星的數量，不就清楚了嗎?

這也正是學習作業系統的奧祕。要理解作業系統，就要找到作業系統的設計師，讓他們告訴我們作業系統所蘊涵的所有祕密。當然，這裡的尋找設計師並不是真的找來他們，因為找到所有的設計師是不可能的。這裡的設計師指的是一種抽象，一種所有設計師所共有的人生哲學，因為設計師在設計作業系統時會不自覺地將自己的思維或人生追求構造在作業系統裡，從而賦予作業系統以心智，而作業系統也就在這種心智的指揮下執行著。

作業系統筆記大綱簡介

內容太多，省略部分Σ( ° △ °|||)︴

筆記分為8篇，分別是基礎原理篇、程序原理篇、執行緒原理篇、記憶體原理篇、檔案原理篇、I/O原理篇、多核原理篇和作業系統設計篇

現在就讓我們一起來揭示祕密，數清作業系統裡的星星吧。

第一篇、基礎原理篇

大偽似真，大道無形

本篇最為重要的核心思想是作業系統在計算機執行過程中扮演的角色:魔術師和管理者。魔術師將醜陋變得美好，將沒有變為有，將少變為多;而管理者則對所有計算機資源進行管理以達到公平和效率的「雙料"境界。對作業系統這兩個角色的理解將非常有助於對程序、執行緒、虛擬記憶體、檔案系統和輸入輸出系統的掌握。

第1章作業系統導論
第2章作業系統歷史
第3章作業系統基本概念

程式是如何執行的

管理者角色

面試題

什麼是作業系統?請用一句話描述你對作業系統的理解。
你對作業系統和使用者程式之間的關係有何看法?闡述你的想法。
簡要列出作業系統覆蓋的範疇及每個範疇的核心內容。
作業系統要對不同的部件進行管理，請論述這些管理之間的異同點。
裝置管理要達到的目的是什麼?
有人說裝置管理軟體(裝置驅動程式)因為經常由第三方提供，因此不應該作為作業系統的一部分。你對此有何看法?你認為應該如何判斷-一個軟體是否屬於作業系統?
請列出程式執行過程中作業系統的介入情況。
說作業系統是人造學科，根據是什麼?
人造學科的特點是什麼?它對我們學習作業系統有何幫助?
OS需要編譯器來編譯，而編譯器的執行需要OS來支援，那到底是誰先出現誰後出現呢?

作業系統的演變過程

作業系統的未來發展趨勢

計算機硬體基本知識

作業系統結構

第二篇、程序原理篇

恍兮惚兮，其中有像;惚兮恍兮，其中有物

本篇包括第4~6章的內容。第4章闡述的內容包括程序出現的邏輯必然性、多道程式設計的效率、程序的建立和消亡、程序的狀態及其轉換、程序與地址空間、程序管理和程序模型的缺陷。第5章講解的內容包括排程的目標、先來先服務、時間片輪轉、短任務優先、優先順序排程、混合排程、實時排程等演演算法，並對優先順序倒掛和執行緒的不確定性進行討論。第6章包括為什麼要通訊、管道、記名管道、通訊端、訊號、號誌、共用記憶體、訊息佇列等。

第4章程序
第5章程序排程
第6章程序通訊

程序概論

多道程式設計的好處

程序管理

程序擁抱:共用記憶體

第三篇、執行緒原理篇

本篇即對程序級的並行機制——程序模型進行討論。本篇包括第7~10章的內容。第7章的內容包括程序分身術程序、程序管理、程序的使用者態、核心態和混合態實現、現代作業系統的程序實現模型、多程序之間的關係、程序模型主要考慮的問題。第8章的內容包括為什麼同步、同步的目的、鎖原語的進化、睡覺與叫醒原語、號誌、管程、訊息傳遞和柵欄。第9章對死鎖的產生、發展、防止與避免進行講解，並討論死鎖、活鎖和飢餓的關係。第10章講述如何使用中斷啟用和禁止、測試與設定來實現鎖原語。

第7章執行緒
第8章執行緒同步
第9章死鎖應對之哲學原理
第10章鎖的實現

程序的分身術——執行緒

核心態執行緒實現

使用者態執行緒實現

從使用者態進入核心態

無發制人:死煩的動態避免

第四篇、記憶體原理篇

本篇包括第11~14章的內容。

第11章講述記憶體管理的環境、虛擬記憶體、作業系統在記憶體中的位置、程式在記憶體裡的位置(固定載入地址、固定分割區、可變分割區)、基本記憶體管理機制(地址翻譯、基址極限、交換)、閒置空間管理等內容。

第12章講解的內容包括基址極限的問題、分頁管理、頁表、頁面翻譯過程、分頁管理系統的優缺點、多級頁表、地址翻譯速度、鎖住頁面、記憶體抖動和頁面尺寸設計。

第13章對頁面更換演演算法的來龍去脈、欲達到的目的、各種具體的頁面更換演演算法進行細緻講解。

第14章的內容包括頁式管理系統的侷限、分段管理系統、分段的優缺點、段號與定址位數，並對否定之否定在記憶體管理模式發展過程中的作用進行討論。

虛擬記憶體的概念

先進先出演演算法

使用矩陣實現LRU演演算法

分段管理系統

第五篇、檔案原理篇

大成若缺，其用不敝;大盈若衝，其用不窮

本篇內容包括第15~ 18章的內容。

第15章講述的內容包括磁碟結構、磁碟存取速度、磁碟的作業系統介面、磁碟存取過程和磁碟排程。

第16章講述為什麼需要檔案系統、什麼是檔案系統、檔案系統的目的、檔案的基本知識、檔案的儲存結構、檔案型別、檔案存取、檔案屬性、檔案操作、資料夾、相對與絕對路徑、共用與連結、記憶體對映的檔案等內容。

第17章的內容包括檔案系統分佈、檔案的實現、資料夾的實現、共用檔案的實現、磁碟空間的管理等。

第18章的內容包括檔案安全效能(檔案存取控制、存取控制列表、能力表)、檔案可靠效能(永續性、一致性、紀錄檔、交易、隨影、一致性檢查)和檔案系統的效率效能( 提前讀取、減少磁臂移動距離、紀錄檔結構的檔案系統LFS)。

第15章碰盤操作
第16章檔案系統.
第17章檔案系統實現
第18章檔案系統效能

盤面的結構

檔案系統

檔案內容組織

檔案的實現

存取控制的實施

檔案系統永續性

第六篇、I/O原理篇

善者，不善人之師;不善者，善人之資

因此，要想計算機真的有用，就得有輸入和輸出。作業系統既然是計算機的掌控者，當然也需要對輸入和輸出進行控制。本篇即對計算機與外界進行溝通的輸入與輸出機制進行講解。本篇僅有一章(第19章)，討論的內容包括輸入輸出的重要性和目的、輸入輸出硬體、物理I/O模式(專有通道I/O、記憶體對映的IO、複合I/O、DMA)、輸入輸出軟體、軟體I/O模式(可程式化I/O、中斷驅動的I/O、DMA)、I/O軟體分層、裝置驅動程式等。

裝置控制器

物理I/O模式

邏輯I/O模式

第七篇、多核原理篇

美言不信，信言不美

本篇對新出現的多核技術進行講解。重點討論多核環境給作業系統帶來的影響。全篇包括第20章和第21章兩章。第20章的內容包括多核處理器結構(超執行緒結構、多核結構、多核超執行緒結構)、多核記憶體結構(UMA、NUMA、COMA、NORMA)、對稱多核處理器計算機的啟動過程、多處理器之間的通訊、SMP快取一致性等。第21章的內容包括多核程序同步、多核環境下的軟體同步原語、旋鎖及其實現、佇列旋鎖、多核環境下的程序排程、多核環境下的能耗管理和多核系統效能。

第20章多核結構與記憶體
第21章多核環境下的程序同步與排程

多處理器結構

多核結構

SMP快取一致性

第八篇、作業系統設計篇

多聞數窮，不若守中

本篇從高屋建瓴的角度對作業系統設計的十條哲學原理進行闡述。顯然，作業系統的設計原理有很多，本篇選取的只是諸多原理裡面非常重要的十條。第22章將從作業系統和人類社會兩個層面對這十條原理進行論述與比較，以使讀者更加清楚地明白作業系統就是人類社會在計算機裡面的反映，明白了人類社會的運轉就明白了作業系統的運轉。讀完本篇後，讀者可自行發現挖掘作業系統的其他設計原則和原理。

作業系統設計的第1條哲學原理:層次架構