操作系统概念

第一章 引言

1.1 操作系统的作用

• 用户视图：操作系统的界面因设备而异，如PC、移动设备和嵌入式系统。
• 系统视图：操作系统作为资源分配器和控制程序，管理CPU、内存、I/O设备等资源。
• 定义操作系统：操作系统没有统一定义，但通常指核心内核、中间件框架及系统程序。

1.2 计算机系统组织

1.2.1 中断

• 中断机制用于处理异步事件，通过中断服务例程响应硬件请求。
• 中断优先级机制允许区分高/低优先级中断，确保紧急任务优先处理。
• 中断向量表通过唯一编号索引中断服务例程地址。

1.2.2 存储结构

• 主要存储单元包括寄存器、高速缓存、主存（RAM）、非易失性存储（NVM）和二级存储（硬盘）。
• 存储层次结构按容量与访问时间排序，速度越快的存储越接近CPU。
• 非易失性存储用于保存引导程序和静态数据。

1.2.3 I/O结构

• I/O由设备控制器和驱动程序管理，采用中断或DMA方式减少CPU开销。
• DMA允许设备直接读写内存，仅在传输完成后触发一次中断。
• 高端系统使用交换架构替代总线架构以提高并发性能。

1.3 计算机系统架构

1.3.1 单处理器系统

• 一个通用CPU加上多个专用处理器（如磁盘控制器）组成。
• 专用处理器运行有限指令集，协助主CPU完成特定任务。

1.3.2 多处理器系统

• 对称多处理（SMP）系统中每个CPU执行所有任务，共享内存。
• 多核系统将多个计算核心集成在一个芯片上，提升效率并降低功耗。
• NUMA架构为每个CPU提供本地内存，避免总线竞争瓶颈。

1.3.3 集群系统

• 由多个节点组成的松耦合系统，通过局域网或InfiniBand互联。
• 提供高可用性服务，支持故障转移与负载均衡。
• 并行集群允许多个主机访问共享存储，需特殊软件支持。

1.4 操作系统操作

1.4.1 多道程序设计与多任务处理

• 多道程序设计提高CPU利用率，通过进程切换保持CPU忙碌。
• 多任务系统频繁切换进程，提供快速用户响应。
• 虚拟内存技术使程序可大于物理内存，分离逻辑与物理地址空间。

1.4.2 双模式与多模式操作

• 用户模式与内核模式通过模式位区分，防止非法指令执行。
• 特权指令仅能在内核模式下执行，如I/O控制、定时器管理。
• 支持更多保护级别的架构（如Intel四环模型、ARM七种模式）。

1.4.3 定时器

• 定时器用于防止用户程序无限循环，强制中断返回控制权给操作系统。
• Linux中的HZ参数决定定时中断频率，jiffies记录启动以来的中断次数。#### 1.5 资源管理
• 操作系统是资源管理者，负责管理CPU、内存空间、文件存储空间和I/O设备等资源。

1.5.1 进程管理

• 程序在执行时被称为进程。
• 进程需要CPU时间、内存、文件和I/O设备等资源来完成任务。
• 单线程进程只有一个程序计数器，多线程进程有多个程序计数器。
• 进程是系统中的工作单元，分为操作系统进程（执行系统代码）和用户进程（执行用户代码）。
• 操作系统负责创建和删除进程、调度进程和线程、挂起和恢复进程、提供进程同步和通信机制。

1.5.2 内存管理

• 主存是计算机系统操作的核心，必须将程序映射到绝对地址并加载到内存中才能执行。
• 多道程序设计要求系统保持多个程序在内存中，以提高CPU利用率和响应速度。
• 操作系统负责跟踪内存使用情况、分配和释放内存空间、决定哪些进程和数据应调入或调出内存。

1.5.3 文件系统管理

• 操作系统提供统一的逻辑视图，将文件抽象为逻辑存储单元。
• 文件可以代表程序和数据，组织成目录结构便于管理。
• 操作系统负责创建和删除文件与目录、支持文件操作原语、将文件映射到物理存储介质，并进行备份。

1.5.4 存储设备管理

• 操作系统需有效管理二级存储（如硬盘）和三级存储（如磁带）。
• 管理功能包括挂载与卸载、空闲空间管理、存储分配、磁盘调度、分区和保护。
• 三级存储用于长期备份和不常用数据存储，由操作系统或应用程序管理。

1.5.5 缓存管理

• 缓存通过复制信息到更快的存储系统中提升性能。
• 寄存器、高速缓存、主存、固态硬盘和磁盘构成存储层次结构。
• 缓存大小和替换策略影响性能，操作系统控制数据在不同层级之间的移动。
• 在多任务和多处理器环境中，需确保缓存一致性。

1.5.6 I/O系统管理

• 操作系统隐藏硬件设备细节，通过I/O子系统管理缓冲、缓存、假脱机。
• 设备驱动程序负责特定硬件的操作。
• 操作系统处理中断、设备控制寄存器访问和I/O完成检测。

1.6 安全与保护

• 多用户和多进程环境下需调节对数据的访问。
• 保护机制防止未经授权的进程操作资源，如内存地址限制、定时器防止无限循环。
• 安全机制防御外部和内部攻击，如病毒、拒绝服务攻击、身份盗用。
• 用户身份识别通过用户名和用户ID实现，支持用户组权限管理。
• 特权升级机制允许临时获取更高权限，如UNIX的setuid属性。

1.7 虚拟化

• 虚拟化技术将单个计算机硬件抽象为多个执行环境。
• 支持在同一台机器上运行多个操作系统，如Windows和UNIX。
• 虚拟机管理器（VMM）负责资源管理和隔离虚拟机。
• 虚拟化广泛应用于服务器、桌面和数据中心，提高资源利用率和灵活性。

1.8 分布式系统

• 分布式系统是由网络连接的多个独立计算机组成的集合。
• 提供资源共享、提高计算速度、数据可用性和可靠性。
• 网络按协议、节点距离和传输介质分类，如局域网（LAN）、广域网（WAN）。
• 网络操作系统提供文件共享和进程通信功能；分布式操作系统提供单一系统外观。

1.9 内核数据结构

• 操作系统广泛使用链表、栈、队列、树、哈希表和位图等数据结构。

1.9.1 列表、栈和队列

• 链表支持动态插入和删除，适用于变长数据。
• 栈采用后进先出（LIFO）原则，常用于函数调用。
• 队列采用先进先出（FIFO）原则，常用于打印作业和任务调度。

1.9.2 树

• 树结构表示数据层次关系，二叉搜索树支持高效查找。
• 平衡二叉搜索树（如红黑树）用于Linux调度算法。

1.9.3 哈希函数与映射

• 哈希函数将数据映射为索引，实现快速检索。
• 哈希冲突通过链表解决，常用于密码验证等场景。

1.9.4 位图

• 位图用于高效表示大量资源状态，如磁盘块可用性。

1.10 计算环境

• 操作系统适应多种计算环境，包括传统计算、移动计算、客户端-服务器、点对点、云计算和实时嵌入式系统。

1.10.1 传统计算

• 包括PC、服务器、网络和远程访问。
• 时间分片技术允许多用户共享系统资源。

1.10.2 移动计算

• 手持设备如智能手机和平板电脑。
• 支持多媒体、GPS定位、加速度传感器等功能。
• Android和iOS为主流移动操作系统。

1.10.3 客户端-服务器计算

• 服务器满足客户端请求，分为计算服务器和文件服务器。

1.10.4 点对点计算

• 所有节点平等，可同时作为客户端和服务器。
• 优势在于去中心化，避免服务器瓶颈。

1.10.5 云计算

• 提供计算、存储和应用作为服务，基于虚拟化技术。
• 包括公有云、私有云、混合云及SaaS、PaaS、IaaS模式。

1.10.6 实时嵌入式系统

• 用于汽车引擎、医疗设备等，具有严格的时间约束。
• 实时系统需在限定时间内完成处理，否则导致失败。

1.11 自由与开源操作系统

• 开源软件提供源代码，允许自由使用、修改和分发。
• GNU/Linux、BSD UNIX、Solaris为典型开源系统。

1.11.1 历史

• 早期软件附带源代码，后逐渐转向闭源。
• Richard Stallman发起GNU项目，倡导自由软件理念。

1.11.2 自由操作系统

• 自由软件强调用户自由而非价格，保障四项基本自由。

1.11.3 GNU/Linux

• Linux内核结合GNU工具形成完整操作系统。
• 多种发行版如Red Hat、Ubuntu、Debian等。

1.11.4 BSD UNIX

• 衍生于AT&T UNIX，发展出FreeBSD、NetBSD等多个版本。
• 提供完整的源代码，支持开发者研究和定制。

1.11.5 Solaris

• Sun Microsystems开发的商业UNIX系统。
• OpenSolaris开源项目衍生出Project Illumos。

1.11.6 开源系统作为学习工具

• 开源项目促进学生理解操作系统原理，参与开发和改进。

1.12 总结

• 操作系统管理硬件资源，提供应用程序运行环境。
• 中断机制协调硬件与CPU交互，主存为直接访问唯一存储。
• 多道程序设计和多任务提升CPU利用率和响应速度。
• 用户模式与内核模式区分权限，保障系统安全。
• 进程是操作系统的基本工作单元，涉及创建、调度、同步和通信。
• 内存管理、文件系统、存储设备和缓存优化系统性能。
• 保护与安全机制防止非法访问，虚拟化技术提升资源利用率。
• 数据结构支撑操作系统功能实现，适应多样计算环境。
• 自由与开源系统推动教育与技术创新。#### 第一章练习
• 1.12 集群系统与多处理器系统的区别在于集群由多个独立节点组成，通过网络通信协作；而多处理器系统共享内存和总线。要实现高可用服务，集群需要心跳机制、故障检测、数据复制和自动故障转移。
• 1.13 数据库集群的两种管理方式包括共享磁盘（所有节点访问同一存储）和主从复制（一个节点写，其他节点读）。前者提供一致性但存在单点故障风险；后者提高可用性但可能有数据同步延迟。
• 1.14 中断用于响应外部事件（如I/O完成），由硬件触发；陷阱是软件产生的异常或系统调用。用户程序可以有意生成陷阱以请求操作系统服务（如系统调用）。
• 1.15 Linux中HZ表示每秒时钟中断次数，jiffies记录自启动以来的中断总数。通过jiffies / HZ可计算出系统运行的秒数。
• 1.16 a. CPU通过DMA控制器设置源地址、目标地址和传输长度来协调数据传输。
  
• 1.16 b. DMA完成后会触发中断通知CPU操作结束。
  
• 1.16 c. DMA允许CPU并发执行其他任务，不会直接干扰用户程序，但在内存带宽竞争激烈时可能导致性能下降。
• 1.17 没有硬件特权模式仍可通过软件仿真、解释执行或虚拟机监控器构造安全操作系统，但效率低且安全性依赖于软件实现，难以完全替代硬件支持。
• 1.18 多级缓存设计是为了平衡速度与容量：本地缓存速度快但容量小，适合私有数据；共享缓存容量大但访问延迟稍高，适合多核间共享数据。
• 1.19 存储系统按速度排序为：磁带 < 光盘 < 硬盘 < 非易失性存储 < 主存 < 缓存 < 寄存器。
• 1.20 示例：在SMP系统中，两个核心各自缓存同一内存变量，若其中一个修改了值但未同步，则另一核心看到的是旧值。
• 1.21 a. 单处理器中缓存一致性问题出现在不同指令阶段对同一数据的访问。
  
• 1.21 b. 多处理器中每个核心有自己的缓存，需通过协议（如MESI）保持一致性。
  
• 1.21 c. 分布式系统中数据分布于不同节点，需使用一致性算法（如Paxos、Raft）保证全局一致性。
• 1.22 内存保护机制包括分段与分页，结合基址与界限寄存器限制程序访问范围，利用MMU进行地址转换并检查权限，防止非法访问。
• 1.23 a. 校园学生活动中心适合LAN配置。
  
• 1.23 b. 跨校区大学系统适合WAN连接。
  
• 1.23 c. 居民小区适合LAN或WLAN配置。
• 1.24 移动设备操作系统需考虑电池寿命、屏幕尺寸、触控输入、传感器集成、应用沙箱化及频繁更新需求，相比传统PC更注重资源优化与安全性。
• 1.25 P2P系统无需中央服务器，具有更高的容错性、负载均衡能力和扩展性，适用于文件共享、流媒体、分布式计算等场景。
• 1.26 适合P2P系统的应用包括BitTorrent文件共享、Skype语音通信、IPFS分布式文件系统、区块链网络等。
• 1.27 开源操作系统的优点包括透明性（开发者喜欢）、可定制性（高级用户喜欢）、低成本（中小企业喜欢）；缺点包括技术支持不足（普通用户困扰）、碎片化（企业IT管理困难）、安全更新滞后（安全专家担忧）。

第二章 操作系统结构

2.1 操作系统服务

• 提供用户界面（GUI、触摸屏、命令行）。
• 程序执行：加载和运行程序，正常或异常终止。
• I/O操作：读写文件或设备，需通过操作系统控制。
• 文件系统管理：创建/删除/读取/写入文件，设置权限。
• 通信：共享内存或消息传递，支持进程间或跨机器通信。
• 错误检测：处理硬件、I/O设备及程序错误，并采取适当措施。
• 资源分配：为多个进程分配CPU周期、内存、外设等资源。
• 日志记录：用于计费、统计资源使用情况。
• 保护与安全：防止非法访问系统资源，要求用户身份验证。

2.2 用户与操作系统接口

• 命令解释器（Shell）：
  • 如UNIX/Linux的bash、C Shell，Windows的cmd。
  • 可通过系统程序实现命令（如rm）。
• 图形用户界面（GUI）：
  • 使用窗口、菜单、图标，如macOS的Aqua、Windows的Explorer。
  • 开源桌面环境包括KDE和GNOME。
• 触摸屏接口：
  • 适用于移动设备，如iPhone的Springboard、Android的触控交互。
• 接口选择：
  • 高级用户倾向CLI，普通用户偏好GUI。
  • CLI可通过脚本自动化重复任务。

2.3 系统调用

• 系统调用作用：
  • 提供应用程序与操作系统之间的接口。
  • 实现对文件、进程、设备、通信等的操作。
• 示例流程：
  • 如复制文件涉及open()、read()、write()、close()等系统调用。
• 应用编程接口（API）：
  • Windows API、POSIX API、Java API。
  • API函数通常封装系统调用。
• 参数传递方式：
  • 寄存器、堆栈、内存块。
• 系统调用分类：
  • 进程控制：create(), terminate(), wait(), signal()等。
  • 文件管理：open(), read(), write(), delete()等。
  • 设备管理：request(), release(), read(), write()等。
  • 信息维护：get_time(), set_time(), get_process_attributes()等。
  • 通信：send(), receive(), pipe(), socket()等。
  • 保护：chmod(), chown(), set_permissions()等。

2.4 系统服务

• 文件管理：创建、删除、复制、编辑文件。
• 状态信息：获取时间、内存、磁盘空间、用户数等。
• 文件修改：提供文本编辑器和搜索工具。
• 编程语言支持：编译器、调试器、解释器（如C/C++、Java、Python）。
• 程序加载与执行：绝对加载器、可重定位加载器、链接编辑器。
• 通信：虚拟连接、网络服务、远程登录、邮件传输。
• 后台服务（守护进程）：
  • 如网络服务、定时任务、打印服务器。
  • Linux中称为daemon，Windows中称为service。

2.5 链接器与加载器

• 编译过程：
  • 源代码 → 目标文件（relocatable） → 链接生成可执行文件。
• 链接器功能：
  • 合并目标文件与库，解决符号引用。
• 加载器功能：
  • 将可执行文件加载到内存并启动执行。
• 动态链接：
  • 允许在运行时加载库（如Windows的DLL、Linux的.so）。
• ELF格式：
  • Executable and Linkable Format，定义可执行文件结构。
  • 包含入口地址、段表、符号表等信息。

2.6 应用为何依赖操作系统

• 不同操作系统差异：
  • 系统调用接口不同。
  • 可执行文件格式不同（如Windows PE、macOS Mach-O）。
  • CPU指令集不同（如x86 vs ARM）。
• 跨平台解决方案：
  • 解释型语言（Python、Ruby）。
  • 虚拟机（如Java JVM）。
  • 标准化API（如POSIX）。
• ABI（应用二进制接口）：
  • 定义参数传递方式、栈布局、数据类型大小等底层细节。
  • 不同ABI之间不兼容，限制跨平台能力。

2.7 操作系统设计与实现

• 设计目标：
  • 用户视角：易用、快速、可靠。
  • 开发者视角：易维护、灵活、高效。
• 机制与策略分离：
  • 机制决定如何实现，策略决定做什么。
  • 微内核将策略与机制解耦，增强灵活性。
• 实现语言：
  • 多数操作系统使用C/C++，部分关键代码用汇编。
  • Android示例：内核用C+ASM，系统库用C/C++，框架用Java。
• 优势：
  • 开发效率高、易于移植、便于优化。
• 劣势：
  • 性能略低，但现代编译器和硬件优化弥补此问题。

2.8 操作系统结构

• 单体结构（Monolithic）：
  • 所有功能集中在内核，如早期UNIX。
  • 优点：性能高；缺点：难以维护。
• 分层结构（Layered）：
  • 分层模块化设计，如THE OS。
  • 优点：结构清晰；缺点：效率低。
• 微内核（Microkernel）：
  • 内核仅提供基础机制（如进程管理、通信），其他服务作为用户进程。
  • 如Minix、QNX、Mach。
  • 优点：稳定性好、扩展性强；缺点：性能开销大。
• 模块化结构（Modular）：
  • 支持动态加载内核模块（如Linux的loadable kernel modules）。
• 混合结构（Hybrid）：
  • 结合微内核与单体内核特性，如Windows NT、macOS XNU。
• Android架构：
  • 基于Linux内核，系统库用C/C++，应用框架用Java。
  • 采用Binder进行IPC通信。#### 第二章 操作系统结构（续）

2.8 操作系统结构

• 单体结构：
  • 所有功能集中在单一地址空间中，如UNIX和早期Linux。
  • 优点：性能高；缺点：难以维护和扩展。
• 分层结构：
  • 将操作系统划分为多个层次，每一层仅使用下层提供的服务。
  • 优点：便于调试与验证；缺点：性能较差，接口定义复杂。
• 微内核结构：
  • 核心功能最小化，其余服务作为用户态进程运行。
  • 优点：可移植性好、稳定性强；缺点：消息传递开销大，影响性能。
• 模块化结构：
  • 支持动态加载/卸载内核模块，如Linux的LKM。
  • 提供灵活性和良好的性能平衡。
• 混合结构：
  • 结合单体内核与模块化设计，如Windows NT、macOS XNU。
  • 平衡性能与可维护性。

2.9 构建与启动操作系统

• 操作系统生成步骤：
  • 编写或获取源代码 → 配置系统 → 编译 → 安装 → 启动。
• 系统配置方式：
  • 修改源码重新编译，或从库中链接预编译模块。
• Linux构建流程：
  • 下载源码 → 使用make menuconfig配置 → 编译内核与模块 → 安装并重启。
• 虚拟机安装选项：
  • 可使用ISO镜像快速部署，或使用预配置虚拟机镜像。

2.9.2 系统启动过程

• BIOS/UEFI引导流程：
  • 引导程序定位并加载内核 → 初始化硬件 → 挂载根文件系统。
• 多阶段引导：
  • BIOS加载MBR中的boot loader，再加载完整操作系统。
• UEFI优势：
  • 支持更大磁盘、64位系统，集成完整引导管理器。
• GRUB引导器：
  • 支持参数设置、多内核选择、内核参数修改。
• Android启动流程：
  • 使用LK引导器，initramfs作为根文件系统。
• 恢复模式支持：
  • 所有主流系统均提供恢复或单用户模式用于诊断修复。

2.10 操作系统调试

• 故障分析：
  • 内核崩溃时保存内存状态至专用区域，重启后生成core dump。
  • 用户进程失败时记录日志并生成core文件供调试。
• 性能监控工具：
  • Linux：ps、top、vmstat、iostat、netstat。
  • Windows：任务管理器。
• 追踪工具：
  • strace、gdb、perf、tcpdump。
• BCC工具集：
  • 基于eBPF实现动态内核追踪，提供Python接口。
  • 示例工具：disksnoop、opensnoop，支持实时生产环境监控。

2.11 总结

• 操作系统核心功能：
  • 提供程序执行环境，通过系统调用接口为用户提供服务。
• 系统调用分类：
  • 进程控制、文件管理、设备管理、信息维护、通信、保护。
• 应用依赖原因：
  • 可执行格式差异（PE/Mach-O/ELF）、指令集不同、系统调用不兼容。
• 操作系统结构演进：
  • 单体 → 分层 → 微内核 → 模块化 → 混合结构。
• 启动机制：
  • 引导程序负责加载内核、初始化硬件、挂载根文件系统。
• 调试与性能优化：
  • 使用计数器与追踪工具进行系统行为分析，BCC/eBPF提供高效内核级追踪能力。#### 第四章 编程项目

4.1 Linux内核模块简介

• 本项目介绍如何创建并加载内核模块到Linux内核。
• 模块可在/proc文件系统中添加条目。
• 使用虚拟机完成实验，需通过终端编译程序并管理模块。

4.2 内核模块概述

• 使用lsmod命令查看当前加载的内核模块。
• simple.c示例模块在加载和卸载时输出信息。
  • simple_init()：模块加载时调用，返回整数表示成功或失败。
  • simple_exit()：模块卸载时调用，无返回值。
• 使用printk()函数输出日志信息，可通过dmesg查看。
• 注册模块入口和出口点：
  • module_init(simple_init)
  • module_exit(simple_exit)
• 模块元信息：
  • MODULE_LICENSE("GPL")
  • MODULE_DESCRIPTION("Simple Module")
  • MODULE_AUTHOR("SGG")

4.3 加载与卸载内核模块

• 编译模块使用make命令，生成simple.ko文件。
• 加载模块使用sudo insmod simple.ko。
• 卸载模块使用sudo rmmod simple。
• 使用dmesg查看模块加载和卸载日志。
• 清空日志缓冲区使用sudo dmesg -c。

4.4 扩展功能练习

• 在模块中调用内核提供的常量和函数：
  • GOLDEN_RATIO_PRIME：定义在<linux/hash.h>。
  • gcd()函数：定义在<linux/gcd.h>，用于计算最大公约数。
• 输出HZ和jiffies变量：
  • HZ：定时器中断频率，定义在<asm/param.h>。
  • jiffies：系统启动以来的中断次数，定义在<linux/jiffies.h>。

4.5 /proc文件系统模块

• /proc文件系统是伪文件系统，用于查询内核和进程状态。
• 创建/proc/hello文件示例（hello.c）：
  • 使用proc_create()创建文件。
  • 定义读取操作函数proc_read()。
• proc_read()函数实现：
  • 将“Hello World”写入内核缓冲区。
  • 使用copy_to_user()将数据复制到用户空间。
  • 控制只输出一次，避免重复读取。

4.6 实验任务

• 设计两个内核模块：
  1. 创建/proc/jiffies文件：
     • 读取时显示当前jiffies值。
     • 模块卸载时删除该文件。
  2. 创建/proc/seconds文件：
     • 显示自模块加载以来经过的秒数。
     • 使用jiffies和HZ进行换算（秒数 = jiffies / HZ）。
     • 模块卸载时删除该文件。

第三章 进程

3.1 进程概念

3.1.1 进程

• 进程是正在执行的程序。
• 程序是被动实体，进程是主动实体。
• 内存布局包括：
  • 文本段（可执行代码）
  • 数据段（全局变量）
  • 堆段（动态分配内存）
  • 栈段（函数调用临时数据）
• 程序变为进程需加载到内存。
• 同一程序可运行多个进程实例。

3.1.2 进程状态

• 进程状态包括：
  • 新建（new）
  • 就绪（ready）
  • 运行（running）
  • 等待（waiting）
  • 终止（terminated）
• 多个进程可处于就绪或等待状态，但仅一个进程在运行。

3.1.3 进程控制块（PCB）

• 每个进程由PCB表示，包含以下信息：
  • 进程状态
  • 程序计数器
  • CPU寄存器
  • 调度信息
  • 内存管理信息
  • I/O状态信息

3.1.4 线程

• 单线程进程只能顺序执行一个任务。
• 多线程进程可并发执行多个任务。
• 支持多核并行处理，提升性能。
• PCB扩展以支持每个线程的信息。

3.2 进程调度

3.2.1 调度队列

• 就绪队列：准备运行的进程。
• 等待队列：等待事件完成的进程。
• 队列结构为链表，每个PCB含指针指向下一个PCB。

3.2.2 CPU调度

• 目标是最大化CPU利用率和实现时间分片。
• CPU调度器从就绪队列选择进程执行。
• I/O密集型与CPU密集型进程行为不同。
• 多核系统可同时运行多个进程。

3.2.3 上下文切换

• 中断导致当前进程上下文保存至PCB。
• 切换过程包括：
  • 保存旧进程上下文
  • 加载新进程上下文
• 上下文切换纯属开销，无实际工作。
• 切换速度依赖硬件支持和操作系统复杂度。

3.3 进程操作

3.3.1 进程创建

• 父进程创建子进程，形成进程树。
• 子进程获取资源：CPU时间、内存、文件、I/O设备。
• UNIX使用fork()创建子进程，随后可用exec()替换地址空间。
• Windows使用CreateProcess()创建新进程。

3.3.2 进程终止

• 进程通过exit()系统调用结束。
• 父进程可通过wait()获取子进程退出状态。
• 子进程资源被回收，若父进程未调用wait()则成为僵尸进程。
• 若父进程终止，init/systemd接管孤儿进程。

Android进程层次

• 进程按重要性排序，优先级从高到低：
  • 前台进程（用户交互）
  • 可见进程（前台引用）
  • 服务进程（后台可见）
  • 后台进程（非可见）
  • 空进程（无活动组件）
• 系统优先终止空进程，然后是后台进程等。

3.4 进程间通信（IPC）

• 独立进程不共享数据，合作进程共享数据。
• 提供IPC的原因：
  • 信息共享
  • 计算加速（多核并行）
  • 模块化设计

3.5 共享内存模型下的IPC

• 进程建立共享内存区域进行通信。
• 生产者-消费者问题示例：
  • 使用循环缓冲区（bounded buffer）
  • in和out指针管理缓冲区读写
  • 同步机制防止同时访问冲突

3.6 消息传递模型下的IPC

• 不共享地址空间，通过send()和receive()交换消息。
• 适用于分布式系统。
• 支持直接通信（命名对方）或间接通信（通过邮箱/端口）。

3.6.1 命名方式

• 直接通信：
  • send(P, message)
  • receive(Q, message)
• 间接通信：
  • send(A, message) 发送到邮箱A
  • receive(A, message) 从邮箱A接收

3.6.2 同步方式

• 阻塞发送/接收（同步）
• 非阻塞发送/接收（异步）
• 阻塞发送+阻塞接收实现同步 rendezvous

3.6.3 缓冲机制

• 零容量：发送方必须等待接收方接收。
• 有界容量：最多n条消息，满时发送方阻塞。
• 无界容量：发送方永不阻塞。#### 第三章 进程（续）

3.7 IPC系统示例

3.7.1 POSIX共享内存

• 使用内存映射文件组织共享内存。
• shm_open() 创建共享内存对象。
• ftruncate() 设置共享内存大小。
• mmap() 建立内存映射，实现共享内存访问。
• 示例程序展示生产者写入 “Hello World!”，消费者读取并输出。

3.7.2 Mach消息传递

• Mach是专为分布式系统设计的操作系统，也用于macOS和iOS。
• 任务间通信通过端口（Port）进行，支持单向、有限长度的消息队列。
• mach_msg() 是发送和接收消息的标准API。
• 支持简单消息（用户数据）和复杂消息（含内存指针或端口权限传输）。
• 利用虚拟内存技术避免消息复制，提升性能。

3.7.3 Windows

• Windows使用ALPC（高级本地过程调用）机制进行进程通信。
• 通信分为三种方式：
  • 小消息（≤256字节）直接复制到端口队列。
  • 大消息通过共享内存段（Section Object）传递。
  • 超大消息允许服务器直接读写客户端地址空间。
• ALPC由系统内部使用，应用程序通过RPC间接调用。

3.7.4 管道（Pipes）

3.7.4.1 普通管道（Ordinary Pipes）

• 单向通信：一端写入，另一端读取。
• UNIX使用pipe()创建，fd[0]为读端，fd[1]为写端。
• 通常用于父子进程间通信。
• 若需双向通信，需使用两个管道。
• Windows称其为匿名管道，使用CreatePipe()创建。

3.7.4.2 命名管道（Named Pipes）

• 支持跨无亲缘关系进程通信。
• UNIX中称为FIFO，使用mkfifo()创建。
• 可持续存在，直到被显式删除。
• Windows命名管道支持全双工通信，可跨机器使用。
• 使用CreateNamedPipe()创建，ConnectNamedPipe()连接。

3.8 客户端-服务器系统通信

3.8.1 套接字（Sockets）

• 套接字是网络通信的端点，由IP+端口号唯一标识。
• 典型服务端口：SSH(22)、FTP(21)、HTTP(80)。
• Java提供Socket类（TCP）、DatagramSocket类（UDP）及MulticastSocket类。
• 示例：日期服务器与客户端通过Socket交换当前时间。

3.8.2 远程过程调用（RPC）

• RPC抽象了函数调用机制，适用于网络环境。
• 消息包含调用函数名、参数、返回值。
• 参数编组（Marshaling）解决不同机器的数据表示差异（如大端/小端）。
• XDR（外部数据表示）定义平台无关的数据格式。
• 语义保证：“最多一次”（At Most Once）和“恰好一次”（Exactly Once）。
• 绑定方式：
  • 静态绑定：固定端口号。
  • 动态绑定：通过匹配服务（Matchmaker）获取端口号。

3.8.2.1 Android中的RPC

• Android使用Binder框架实现IPC，支持RPC。
• Service组件可通过bindService()绑定，并提供远程接口。
• AIDL（Android接口定义语言）生成Stub和服务接口。
• 客户端调用远程方法时，Binder自动处理参数编组、进程间传输及结果返回。

3.9 总结

• 进程是正在执行的程序，具有文本段、数据段、堆、栈。
• 进程状态包括就绪、运行、等待、终止。
• PCB记录进程状态、寄存器、调度信息等。
• fork() 和 CreateProcess() 分别用于UNIX和Windows创建进程。
• 共享内存（POSIX API）、消息传递（Mach、Windows）、管道（普通/命名）是常见IPC方式。
• 套接字和RPC用于客户端-服务器通信。
• Android使用Binder框架支持RPC作为IPC机制。#### 第三章 进程（续）

3.7 进程调度与上下文切换

• 上下文切换时，内核保存当前进程状态至PCB。
• 恢复下一个进程的上下文以继续执行。
• 包括程序计数器、寄存器、内存管理信息等。
• 切换速度受硬件和操作系统机制影响。

3.8 进程树与系统工具

• 使用 ps -ael 查看UNIX/Linux进程树。
• Windows可用Process Monitor查看进程父子关系。
• init/systemd负责回收孤儿进程资源。

3.9 进程创建与终止

• fork() 创建子进程，exec() 替换地址空间。
• wait() 系统调用用于父进程等待子进程结束。
• 子进程未被wait()回收将变为僵尸进程。
• 父进程结束后，init/systemd接管孤儿进程。

3.10 进程数量计算示例

• 图中程序循环4次调用fork()，共创建15个子进程（包括初始进程）。

3.11 IPC通信方式比较

• 普通管道适用于父子进程间临时通信。
• 命名管道支持无亲缘关系进程通信。
• RPC若不保证“最多一次”或“恰好一次”语义可能导致重复请求或丢失。

3.12 共享内存与消息传递

• 共享内存实现高效数据交换，但需同步机制。
• 消息传递适用于分布式系统，提供更高抽象层次。
• 同步方式：阻塞/非阻塞发送与接收。
• 缓冲机制：零容量、有界容量、无界容量。

3.13 编程问题解析

3.18 创建僵尸进程

• 子进程退出后父进程不调用wait()。
• 可通过ps -l查看Z状态确认。
• 使用kill命令终止父进程可清除僵尸进程。

3.19 测量命令执行时间

• 使用共享内存或管道在父子进程间传输开始时间。
• gettimeofday()获取微秒级时间戳。
• 父进程等待子进程结束并计算时间差。

3.20 PID管理器

• 定义PID范围为300~5000。
• 使用位图表示PID使用状态。
• 实现allocate_map(), allocate_pid(), release_pid()接口。

3.21 Collatz猜想多进程实现

• 子进程生成序列并输出。
• 父进程调用wait()等待子进程完成。
• 需验证输入是否为正整数。

3.22 使用共享内存优化Collatz程序

• 父进程创建共享内存区域。
• 子进程写入序列数据。
• 父进程读取并输出，使用wait()同步。

3.23~3.25 网络服务实现

• 修改日期服务器为“每日一句”服务器，监听端口6017。
• 实现Haiku诗歌服务器，监听端口5575。
• 编写回声服务器，使用InputStream处理二进制数据。

3.26~3.27 管道通信编程

• 设计双管道实现字符串大小写反转通信。
• filecopy.c使用管道复制文件内容。
• 父进程写入管道，子进程读取并写入目标文件。#### 编程项目
• 项目目标：设计一个C程序作为shell接口，支持命令执行、输入输出重定向、管道通信。

项目1：UNIX Shell

• 功能要求：
  • 接收用户命令并创建子进程执行。
  • 支持后台运行（使用&符号）。
  • 支持命令历史（!!执行上一条命令）。
  • 支持输入输出重定向（< 和 >）。
  • 支持管道通信（|）。
• 使用系统调用：
  • fork()：创建子进程。
  • execvp()：执行命令。
  • wait()：等待子进程结束。
  • dup2()：重定向标准输入输出。
  • pipe()：建立进程间管道。
• 程序结构：
  • main()函数循环读取命令、解析参数、执行命令。
  • 支持命令参数数组解析（args）。
  • 支持错误处理（如无历史命令时输入!!）。

项目2：Linux内核模块显示任务信息

• 功能：
  • 通过写入/proc/pid获取进程信息。
  • 读取/proc/pid显示命令名、PID、状态。
• 关键函数：
  • proc_write()：接收用户写入的PID。
  • pid_task()：通过PID获取task_struct。
  • copy_from_user(), kstrtol()：用户空间数据处理。
• 内存管理：
  • kmalloc() / kfree()：分配和释放内核内存。
  • 注意防止内存泄漏。

项目3：Linux内核模块列出所有任务

部分一：线性遍历任务

• 使用宏for_each_process()遍历所有任务。
• 输出每个任务的命令名、状态、PID。
• 模块加载时输出到内核日志（dmesg查看）。
• 与ps -el命令对比验证。

部分二：深度优先遍历任务树

• 使用init_task作为根节点。
• 使用children和sibling字段遍历进程树。
• 使用list_for_each()宏遍历子进程链表。
• 输出任务信息并与ps -eLf对比验证。

项目4：内核数据结构

部分一：链表操作

• 定义结构体struct color，包含红、蓝、绿三色值。
• 使用Linux内核链表结构struct list_head。
• 实现链表操作：
  • LIST_HEAD()：定义链表头。
  • INIT_LIST_HEAD()：初始化节点。
  • list_add_tail()：尾部插入节点。
  • list_for_each_entry()：遍历链表。
  • list_del()：删除节点。
  • list_for_each_entry_safe()：安全删除遍历。
• 模块加载时创建并输出四个颜色节点；卸载时释放内存。

部分二：模块参数传递

• 使用module_param()传递整型参数。
• 示例：insmod collatz.ko start=15。
• 默认值设置：start=25。
• 生成Collatz序列并存储在链表中。
• 加载时输出序列，卸载时清理内存。