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