1.1 从Hello World说起

介绍书本的目标读者

1.2 万变不离其宗

讨论范围：兼容x86的32位CPU的PC

介绍硬件方面的内容，略

1.3 站得高，望得远

层次鸟瞰

应用软件->运行库->操作系统->硬件

接口鸟瞰（对应）

• 应用程序编程接口（API）
• 系统调用接口（System call Interface）
• 硬件接口（硬件规格，Hardware Specification）

1.4 操作系统做什么

• 提供抽象接口
• 管理硬件资源

1.4.1 不要让CPU打盹

• 多道程序（Multiprogramming）
• 分时系统（Time-sharing System）
• 多任务系统（Multi-tasking）
  • 抢占式（Preemptive）

1.4.2 设备驱动

关系

• 运行库和应用程序
  • 请求统一接口
• 操作系统
  • 提供统一接口（硬件驱动模块负责）
  • 要求硬件符合接口和框架
• 硬件
  • 根据被要求的接口和框架开发驱动

实例

• 以读取文件为例
• （应用程序）使用read系统调用
• （操作系统）文件系统判断位置，向硬盘驱动请求部分逻辑扇区的信息
• （硬件驱动）向硬盘发送命令（例如读写I/O端口寄存器）

1.5 内存不够怎么办

原始分配

• 地址空间不隔离，易改写其它程序数据，不安全
• 内存使用效率低，缺少有效内存管理，数据大量换入换出
• 运行地址不确定，分配的空间地址不确定，不便于编写程序

1.5.1 关于隔离

• 程序需要简单的执行环境，不介入复杂的存储器管理

1.5.2 分段

• 机制：把一段程序所需空间大小的虚拟空间映射到某个物理空间
  • 操作系统：设置映射函数
  • 硬件：完成地址转换
• 优点：地址隔离，物理地址透明
• 缺点：内存使用效率低

1.5.3 分页

• 机制
  • 地址空间划分为固定大小的页
    • 法一：页大小由硬件决定
    • 法二：页大小由操作系统决定，硬件支持多种大小（同一时刻，大小固定）
  • 虚拟地址划分后，得到虚拟页(VP，Virtual Page)
  • 常用数据和代码装入内存，不常用的装入磁盘
  • 物理内存中的页是物理页(PP，Physical Page)，页的所在空间决定
  • 磁盘中的页是磁盘页(DP，Disk Page)，页的所在空间决定
• 页错误
  • 过程
    • 硬件捕获
    • 操作系统接管
      • 读出DP装入内存
      • 内存页和VP建立映射
  • 效果
    • 地址隔离
    • 内存使用率提升
    • 物理地址透明
• MMU(Memory Management Unit)
  • 效果：转换地址
  • 位置：一般集成在CPU

1.6 众人拾柴火焰高

1.6.1 线程基础

• 线程
  • 亦称轻量级进程(Lightweight Process，LWP)
  • 程序执行流最小单位
• 多线程优势
  • 利用等待时间
  • 避免因计算时间长而未响应
  • 逻辑要求并发
  • 充分利用CPU
  • 数据共享高效
• 线程访问权限
  • 私有的
    • 局部变量
    • 线程局部存储(Thread Local Storage，TLS)
    • 函数传入参数
• 线程调度与优先级
  • 线程调度：在处理器上切换不同的线程的行为
  • 时间片：线程可执行的时间
• 调度算法
  • 优先级调度
  • 轮转法
  • 设置线程优先级
    • Windows：SetThreadPriority函数
    • Linux：pthread库
  • IO密集型线程
  • CPU密集型线程
  • 饿死
  • 优先级改变
    • 用户指定
    • 等待的频繁程度
    • 饿死
• 可抢占线程和不可抢占线程
  • 抢占：用尽时间片就剥夺继续执行的权力
  • Windows实现
    • 标准，有明确API
  • Linux实现
    • 贫乏，把执行实体都称为任务(Task)
    • 方法
      • fork：复制当前进程
        • 本任务返回新任务pid，新任务返回0
        • 共享一个写时复制(Copy on Write，COW)
      • exec：使用新可执行映像覆盖当前可执行映像
      • clone：创建子进程，从指定位置开始执行
    • 使用
      • 产生新任务
        • fork创建一个新任务，新任务调用exec执行新的可执行文件
      • 产生新线程
        • clone产生一个可以共享当前内存空间和文件等的任务（实际就是线程）

1.6.2 线程安全

• 原子操作
  • API支持，如Interlocked API
• 同步与锁
  • 同步：一个线程访问数据未结束，其它线程不得访问该数据
  • 锁：访问时获取锁，访问后释放锁
    • 二元信号量
      • 适合只能被唯一一个线程独占的资源
      • 别人可以代替释放
    • 多元信号量（简称信号量）
      • 允许多个线程并发访问
      • 别人可以代替释放
    • 互斥量
      • 适合只能被唯一一个线程独占的资源
      • 别人不能代替释放
    • 临界区
      • 只可被本进程使用，其他进程无法获取
      • 适合只能被唯一一个线程独占的资源
      • 别人不能代替释放
    • 读写锁
      • 专用于：读取频繁但是偶尔写入
        • 前面的方法此时效率太低，因为不允许共同读取
      • 获取方式
        • 共享
        • 独占
      • 状态
        • 自由：共享和独占都行
        • 共享：只能以共享方式获取该锁
        • 独占：不能获取该锁
    • 条件变量
      • 操作
        • 等待：线程等待这个条件变量，可能多个线程都在等待
        • 唤醒：所有等待这个条件变量的线程都被唤醒
      • 作用
        • 让许多线程一起等待某个事件的发生
• 可重入
  • 表示函数没有执行完成，又一次进入该函数执行
  • 情况
    • 多个线程同时执行
    • 函数自身（可能多层调用后）调用自身
  • 特点
    • 不使用函数外的静态或全局非const变量
    • 不返回静态或全局非const变量指针
    • 仅依赖调用方提供的参数
    • 不依赖单个资源的锁
    • 不调用不可重入的函数
• 过度优化
  • 使用volatile关键字阻止过度优化
    • 无法阻止CPU动态调度换序
  • barrier指令
    • 阻止CPU将该指令前的指令交换到barrier之后

1.6.3 多线程内部情况

• 内核提供线程支持
  • 内核线程由多处理器或调度实现并发
• 三种模型
  • 一对一模型
    • 用户线程和内核线程一一对应
    • 一般使用API或系统调用创建的均为一对一的线程
  • 多对一模型
    • 将多个用户线程映射到一个内核线程
    • 优点
      • 上下文切换快速
      • 线程数量几乎无限制
    • 缺点
      • 一个用户线程阻塞，则其它线程无法进行
  • 多对多模型
    • 多个用户线程映射到少数但不止一个内核线程上
    • 结合前两者优点

1.7 本章小结

回顾了软硬件基本结构，如CPU和外围部件的连接，SMP和多核，软硬件层次结构，如何利用CPU与设备驱动，操作系统，虚拟空间，物理空间，页映射，线程等概念