文章目錄
2. 操作系統原理介紹
這篇文章主要想從基礎介紹一下操作系統是如何運行的，主要專注於操作系統是如何對應用程序進行調度的。需要有前一篇文章作爲基礎
2.1 操作系統的目標和功能
2.1.1 作爲用戶/計算機接口的操作系統
一個應用程序可以使用一種語言開發，如果沒有操作系統的話，每一個開發者都需要十分了解計算機的硬件指令纔行，這是不可想象的。操作系統做了一層抽象，就像開發應用程序的時候會寫的各種工具類一樣，操作系統對這些部分的操作提供了封裝的模塊，應用程序只需要調用就好了。
同時還有一些通用的工作，比如創建程序，管理文件，控制io設備等,操作系統對這些操作都做了封裝來簡化編程。
下面是操作系統面向開發者或者用戶的一些功能
- 程序開發：指一些輔助的應用程序開發工具
- 程序運行：運行一個程序需要很多不住，必須吧程序加載到內存當中，初始化io設備和文件，準備一些其他資源，操作系統爲用戶處理這些調度問題
- io設備訪問：每個io設備都有自身的指令集或者控制信號，操作系統屏蔽了這些差異，程序員可以使用簡單的讀寫操作來對這些設備進行訪問
- 文件訪問控制：對文件的訪問不僅需要了解對應的磁盤存儲設備的特性，還要了解文件的數據結構，同時有時候還要進行訪問權限的控制，這些都由操作系統來完成
- 系統訪問：操作系統控制對整個系統的訪問（內存，io等）
- 錯誤檢測和響應：存儲錯誤，算術溢出等故障都是由可能出現的，操作系統需要對這些錯誤能夠響應這些異常並記錄或者報告
- 記賬：記錄各個資源的使用率數據
2.1.2 作爲資源管理器的操作系統
一臺計算機就是一組資源，這些資源用於移動，存儲和處理數據，並對這些功能進行控制，操作系統負責管理這些資源。
2.2 操作系統發展簡史
計算機的發展經歷了無操作系統（串行處理），簡單批處理系統，多道批處理系統，分時系統通過對這些原理的學習，更加明白了計算機是如何運行的。解開了進程，線程等等後面的迷霧。
可以參考這裏 進一步瞭解
2.2.1 串行處理
這個時候是沒有操作系統，程序員需要直接與計算機硬件打交道。這些機器在一個控制檯上運行，包括 顯示器，指示燈，觸發器，某種輸入設備和打印機。
用機器代碼編寫的程序通過某種輸入設備（如卡片閱讀機）載入計算機。一個錯誤使得程序停止的時候，某個指示燈亮。如果程序正常完成，輸出結果將出現再打印機中。
這種系統的劣勢不言而喻，在程序運行前的準備工作量非常大。如果用戶申請了 1 個小時，但他的任務只用 35 分鐘就運行完了，那多出來的 25 分鐘就這麼被浪費掉了。
2.2.2 簡單批處理系統
爲了提高利用率，人們有了開發批處理系統的想法。批處理系統的中心思想就是用一個稱爲監控程序（monitor）的軟件。剛剛提到了，串行處理需要用戶自己去訪問機器，時間段是固定的，但現在他們只需要把作業提交給計算機操作員，操作員會把這些作業按順序組織成一批，然後把整個批作業放在輸入設備上，供監控程序使用。
監控程序已經有點操作系統的意思了，它的的工作過程可以從下面兩個角度理解：
2.2.2.1 從監控程序的角度來看
一開始，監控程序掌握了計算機的控制權,爲了做到這一點，大部分監控程序總是常駐內存，這部分稱爲常駐監控程序（resident monitor）。
其他的部分，包括一些實用程序和公共函數，他們作爲用戶程序的子程序，在需要他們的作業開始的時候纔會被載入。
監控程序會從輸入設備中讀取一個作業，經過讀入以後，作業就被放置在了用戶程序區域，並且把控制權交給這個作業。當作業完成後，他將控制權再次返回給監控程序。監控程序立即讀取下一個作業。每個作業的結果被髮送到輸出設備，交付給用戶。
2.2.2.2 從處理器的角度來看
一開始，處理器處理從內存中拿到的監控程序的指令，並執行，這些指令讀入下一個作業的並存儲到內存中的其他部分，讀入作業後，處理器會遇到監控程序的一個分支指令，也就是跳轉指令，分支指令指導處理器在用戶程序的開始處繼續執行。於是處理器就開始執行用戶程序的指令了。直到遇到結束指令或者錯誤條件，這回導致處理器從監控程序所在位置取出指令執行。因此控制權交給作業，僅僅意味着處理器執行的指令都是從用戶程序中的指令，而控制權返回給監控程序，意味着處理器執行的是監控程序的指令。對於處理器來說，這沒有什麼分別。
有了監控程序後，計算機的利用率提升了:一道作業完成後立馬就會開始下一道作業，沒有任何空閒時間，也很少出現作業沒完成就被終止的情況（基本上解決了串行處理的問題）。
2.2.2.3 硬件層面需要進行的支持
從上面可以看出來，監控程序就是一段普通的程序，完成固定的功能而已。
同時，爲了使這個系統工作的更加可靠，對計算機的硬件也提出了一些要求，硬件要提供一下相關的功能：
- 內存保護：這一點很好理解，監控程序的內存空間不能被用戶程序隨意更改——不管是有意還是無意。一旦硬件檢測到有用戶程序試圖使壞，就會將控制權直接轉移給監控程序，監控程序會取消這個作業。
- 定時器：這項功能是爲了防止一個作業獨佔系統，作業接管控制權後定時器自動打開。如果定時器時間到了而作業未運行完，就會停止用戶程序，將控制權返回給監控程序。
- 特權指令：有的機器指令會被設置成特權指令（比如 I/O 指令），只能由監控程序執行。用戶程序是不能直接使用這些指令的。當然用戶程序可以請求監控程序爲自己執行這個操作。特權指令就是爲了限制用戶程序的「權力」而設置的，畢竟老闆和員工不可能有一樣的話語權。
- 中斷：早期的計算機模型中並沒有中斷的能力，添加這個能力使得操作系統從用戶程序或者控制權的時候更加靈活
2.2.2.4 運行模式的概念
內存保護和特權指令引申出了程序的運行模式的概念。
用戶程序以用戶模式執行，此時有些內存區域是受保護的，特權指令也是無法執行的。
監控程序以內核模式執行，此時不僅可以執行特權指令，而且可以訪問受保護的內存區域。
2.2.3 多道批處理系統
cpu利用率低的主要原因就是 CPU 需要等待 I/O 操作，那我們讓 CPU 忙起來不就可以了。多道批處理系統就是讓 CPU 忙起來的祕訣。方法聽起來很簡單——在內存裏多放幾道用戶程序，一旦有一個作業需要等待 I/O ，就立刻切換另一個可能不需要等待 I/O 的作業。這種處理，稱爲多道程序設計（multiprogramming）或多任務處理（multitasking）。
2.2.3.1 多道批處理系統的硬件支持
像簡單批處理系統一樣，多道程序批處理系統必須依賴於某些計算機硬件功能。
其中最顯著的功能就是支持 I/O 中斷（Interrupt）和直接存儲器訪問（Direct Memory Access，DMA）。（DMA 也需要中斷的支持）
通過中斷驅動的I/O或者DMA，處理器可以爲一個作業發出I/O命令，設備控制器執行IO操作的時候，cpu執行另一個作業；IO操作完成後，處理器被中斷，控制權傳遞給操作系統的中斷處理程序，然後操作系統再把控制權個林各一個作業（不一定是原來io請求的那個作業，這個看具體的調度方案了）
2.2.3.2 多道批處理系統需要注意的新問題
- 作業調度：內存的空間是有限的，意味着一次性載入到內存的程序數量也是有限的，那麼怎樣從備選作業裏選擇合適的作業加載進內存就是一個問題，這就是就是作業管理。
- 內存管理：選擇了作業，就需要爲作業分配空間，那從空閒區的哪一部分爲作業劃空間就是內存管理需要解決的事情。
2.2.4 分時系統
多道批處理系統可以說是現代操作系統的雛形了，它處理批作業時對處理器的利用率也比較令人滿意，但面對多個交互作業，多道批處理系統就顯得力不從心了。
交互作業的出現很好理解，畢竟我們現在幾乎所有應用程序都是交互式的，你滑動屏幕，這篇文章就會上下滑動，點一個分享，就會出現各種選項，等等等等。
在交互作業中，難免需要等待用戶做出操作，但又不可能讓處理器停下來等你一個人，畢竟很多人都在用同一臺計算機，因此分時系統應運而生。
顧名思義，分時系統就是 n 個用戶作業，操作系統控制每個用戶程序以很短的時間爲單位交替執行。因爲人的反應相對機器要慢很多，所以如果控制得當，你會感覺自己是獨佔了這一臺計算機一樣。
第一個分時操作系統是由麻省理工學院（MIT）開發的兼容分時系統CTSS，該系統運行在一臺內存爲32000個36位字的機器上，常駐程序佔用了5000字，當控制權分配給一個交互用戶的時候，該用戶的程序和數據被載入到內容剩餘的27000個字的空間中。程序通常在第5000個字的位置開始載入，這簡化了監控程序和內存管理。系統時鐘以0.2s一個的速度產生中斷，在每個時鐘中斷出，操作系統恢復控制權，被將處理器分配給另一個用戶。在固定的時間間隔內，當前用戶被搶在，兩一個用戶被載入，這項技術稱爲時間片技術，爲了便於以後恢復，他會保留老用戶的程序狀態，在新的程序載入前，老的用戶程序會被寫入到磁盤當中。當他再次被執行的時候會先從磁盤恢復這些數據和程序。
看到這裏，算是真正明白了操作系統的奧義，原來進程線程都算是概念的抽象罷了。實際上都是依賴中斷來產生的，監控程序再修改PC，啊，感覺真是爽。
之前理解的操作系統就是一個單獨運行的應用程序，他管理這計算機資源的方方面面，cpu調度，進程管理，內存分配等等。
看到這裏才明白，操作系統實際上就是一組普通的程序和其他程序一樣，只是實現的功能不同而已。之前總是被進程等等概念所迷惑，這次看了這本書以後才真正解惑了。不妨從cpu的角度去理解程序運行。對於cpu來說，是無差別的，我只是根據PC（程序計數器）中的地址去取指令，然後執行，並沒有什麼進程，線程等東西。
所謂進程，線程的切換，實際上就是cpu的PC中的值被替換到內存中不同的應用程序指令存放的地址而已。對於cpu來說，只有一個線程，就是不斷的取指令然後執行。
那麼這個時候關鍵就是如何實現在不同的時候將PC中的值替換爲不同應用程序所在的地址。一種常用的手段是使用使用定時器中斷，因爲中斷一旦發生，cpu響應中斷的時候就會執行中斷的入口程序，實際上就是操作系統程序（也稱爲內核程序），這個時候內核就可以修改PC中的值，也就完成了應用程序的切換，實際上也就完成了所謂線程進程的切換。還有就是系統調用，比如阻塞式I/O請求，程序也會轉到監控程序進行執行，這樣的話監控程序就有機會將時間片分給別的程序了。
I/O調用的過程
對應上面的1.9,我覺得可以這樣去描述I/O的過程，當一個線程a發起了IO調用，應爲IO屬於特權指令，所以需要進行系統調用，這個時候程序進入了內核態，cpu的使用權交給了監控程序（操作系統），操作系統會發起一個IO指令，然後修改當前線程的一些狀態，記錄他在進行io等待，之後就將cpu使用權過度到其他線程了。在該線程的IO操作完成時，會有一箇中斷產生，cpu處理這個中斷，然後把該進程的狀態置爲可調度狀態。後面就可以進行cpu的統調度了。該線程就有機會獲得cpu執行的時間片了。這樣的調度方式，對應於當前的編程模式就是阻塞式IO，在IO響應之前，該線程對應的程序將不會獲得調度。
後來支持的nio應該就是非阻塞式的了，在發生IO調用的時候，會檢查是否爲阻塞式調用，如果是非阻塞式調用，則內核不會將進程的上下文切換，當前進程在調用完成後接着運行。同時註冊一個回調函數，在中斷回調的時候執行回調函數即可。