Introduction

Interface Between Users and Hardware#

操作系统（Operating System，OS） 是管理计算机硬件、为应用程序提供运行环境，并在用户与硬件之间起中介作用的系统软件。

三个目标：执行用户程序、使计算机便于使用、有效利用硬件资源。

应用提出任务，操作系统提供机制并协调资源，硬件完成实际计算与数据传输。

Four Components of a Computer System#

1
用户：人、其他机器或其他计算机
2
              ↓
3
系统程序与应用程序：编译器、编辑器、浏览器、数据库等
4
              ↓
5
操作系统：控制、协调硬件资源的使用
6
              ↓
7
硬件：CPU、内存、I/O 设备

数据库会自行管理一部分内存和存储。

Resource Allocator and Control Program#

从系统角度，操作系统有两个互补的角色。

例如，多个程序同时要求 CPU，就需要调度；一个程序陷入死循环，系统需要有办法重新取得控制；一个程序试图修改其他程序的数据，系统需要检查并限制访问。

Kernel, System Programs, and Applications#

操作系统的边界没有一个适用于所有产品的统一定义。

内核（Kernel） 是操作系统的核心部分。“计算机运行期间始终存在的那个程序”。

核心职责 ：管理进程、内存和设备，以及提供受保护的服务入口。

内核一直存在，不表示 CPU 每一刻都在执行内核指令。 CPU 执行应用代码时，内核仍保留在系统中；出现中断、异常或服务请求时，控制可以转入内核。

Firmware and Operating Systems#

固件（Firmware） 是与设备或平台紧密结合的底层软件。

嵌入式设备可以运行操作系统，也可以由专用控制代码直接完成任务

Boot Process#

引导程序（Bootstrap Program） 负责让计算机从刚上电的状态进入能够运行操作系统的状态。

1
上电或重启
2
    ↓
3
执行初始引导代码
4
    ↓
5
初始化 CPU 寄存器、设备控制器、内存等
6
    ↓
7
找到并装入操作系统内核
8
    ↓
9
开始执行内核，建立系统服务
10
    ↓
11
启动用户环境与应用程序

内核运行之前，需要已有代码把它装入并开始执行。 最初的引导代码不能依赖尚未启动的操作系统服务。

上述流程是本章的概念模型。

CPU, Memory, Devices, and Controllers#

一个基本组织模型：一个或多个 CPU、多个设备控制器，通过公共总线连接，共享对主存的访问。

设备控制器（Device Controller） 是管理某类设备的硬件部分；设备驱动程序（Device Driver） 是操作系统中与相应控制器交互的软件。

CPU 与 I/O 设备可以并发工作。例如，磁盘传送数据时，CPU 可以执行其他计算；但它们也可能竞争总线或内存访问机会。

数据先在设备与控制器的局部缓冲区之间传输，再由 CPU 在局部缓冲区与主存之间搬移。后面的 DMA 改进了这一步的数据搬移方式。

Purpose of Interrupts#

中断（Interrupt） 使硬件能够通知 CPU：出现了需要处理的事件，例如 I/O 已经完成。

一个典型过程是：驱动程序启动设备操作后，CPU 继续执行其他工作；设备完成操作，控制器发出中断；CPU 转去执行处理程序，处理完成后恢复相应执行。

中断 让 CPU 不必在整个设备操作期间一直等待同一个完成状态。

陷阱（Trap） 是软件引起的中断，可能来自错误，也可能来自用户服务请求。

系统调用（System Call） 强调“程序向操作系统请求服务”。它与设备发出的完成中断具有不同的来源和目的。

Interrupt Handling#

中断服务程序（Interrupt Service Routine，ISR） 是负责处理相应中断的代码。中断向量（Interrupt Vector） 用来定位相应处理入口，保存处理程序地址的表。

1
CPU 正在执行程序
2
       ↓ 发生中断
3
保存恢复执行所需的状态
4
       ↓
5
确定中断来源，找到处理入口
6
       ↓
7
执行相应中断服务程序
8
       ↓
9
恢复状态，继续相应执行

保存状态的重点是程序计数器（Program Counter，PC）与寄存器等执行现场。

硬件与操作系统分工完成这一过程。硬件提供中断检测和控制转移等机制；操作系统设置处理入口、保存和恢复必要状态，并执行具体处理逻辑。

Example#

输出 Hello World 的执行路径

输出语句用如何使用操作系统服务。

1
用户程序调用 printf()
2
          ↓
3
标准 C 库处理相应调用
4
          ↓ 需要输出服务时
5
通过系统调用接口请求内核执行 write()
6
          ↓
7
内核完成相应服务，并返回结果
8
          ↓
9
库函数和用户程序继续执行

Interrupt Timeline#

图中上方是 CPU，下方是 I/O 设备，时间从左向右。

发出请求之后，设备从空闲进入传输状态；CPU 仍可执行程序。传输完成之后，设备发出中断，CPU 短暂转入中断处理。处理结束，CPU 返回原来的执行路径。

图中最重要的是两段时间的区别：设备传输时间可以与 CPU 计算重叠，中断处理本身仍占用 CPU 时间。 图上的短暂下凹表示 CPU 处理完成事件，不能把整个 I/O 传输都算成 CPU 在处理中断。

Synchronous and Asynchronous I/O#

两种简单等待方式：等待指令使 CPU 空闲直到出现中断；等待循环持续检查状态，会消耗 CPU 时间，并可能增加内存访问竞争。

1
同步：提交读取 ── 等待完成 ── 处理结果 ── 继续处理界面
2

3
异步：提交读取 ── 继续处理界面 ──────────────┐
4
                设备在后台完成数据传输 ── 完成通知 ── 处理结果

Device-Status Tables and Request Queues#

异步执行后，系统需要记住哪些设备正在工作、有哪些请求还没有结束。

设备状态表（Device-Status Table） 为设备保存类型、地址、状态等信息，并关联相应请求。忙碌设备的后续请求可以先进入队列，设备完成后再安排下一项。

系统记录的既有设备状态，也有待完成操作的内容。如图中磁盘设备 3 处于忙碌状态，其请求链包含对文件 xxx 的读请求和对文件 yyy 的写请求。

1
新 I/O 请求
2
    ↓
3
查看相应设备状态
4
    ├─ 可开始执行：配置设备并启动操作
5
    └─ 需要等待：登记请求，加入待处理队列
6

7
设备完成并产生中断
8
    ↓
9
记录完成状态，通知相应等待者
10
    ↓
11
按调度策略选择后续请求，更新设备状态

Direct Memory Access#

如果大量数据的搬移都需要 CPU 逐次参与，CPU 会花很多时间在搬数据及处理相关事件上。高速设备传送大块数据时，这种开销尤其明显。

直接内存访问（Direct Memory Access，DMA） 允许设备控制器在设备与主存之间直接传送一块数据，传送过程不需要 CPU 逐字节搬移。

DMA 能够同时减少 CPU 搬运数据的工作和频繁处理完成事件的开销。

同步／异步、中断、DMA 分别回答三个问题：调用者何时继续、CPU 怎样得知事件、数据由谁搬移。 它们可以组合使用。

Main Memory, Secondary Storage, and Disks#

主存（Main Memory） 保存 CPU 当前需要使用的指令与数据，是 CPU 可以直接寻址访问的大容量存储。主存通常使用 DRAM，断电后内容不能保留。

辅助存储（Secondary Storage） 提供更大的非易失性存储空间，用于保存程序和长期需要的数据。CPU 要处理磁盘中的数据，通常需要先通过 I/O 把它们送入主存。

磁道（Track） 与 扇区（Sector） 属于磁盘组织；不能直接把机械磁盘的结构套到所有存储介质上。

Storage Hierarchy#

理想存储希望同时满足：速度快、容量大、价格低、断电不丢失。实际设计需要在这些目标之间取舍，因此使用多层存储共同工作。

从上到下可以概括为：

1
寄存器
2
  ↓
3
高速缓存
4
  ↓
5
主存
6
  ↓
7
非易失性电子存储
8
  ↓
9
磁盘
10
  ↓
11
光盘、磁带等归档存储

这是理解层次的总体取舍，不能代替具体设备参数比较。易失性（Volatility） 只描述断电后能否保留数据，也不能由它单独判断访问速度。

Caching Basics#

缓存（Caching） 把暂时需要的信息从较慢的存储复制到较快的存储，以缓解不同层之间的速度差距。

1
需要某项数据
2
    ↓
3
先查缓存
4
    ├─ 命中：直接使用缓存中的数据
5
    └─ 未命中：访问较慢层，取得数据，并按策略放入缓存

缓存命中（Cache Hit） 表示请求的信息已经在缓存中；缓存未命中（Cache Miss） 表示还需要到较慢的层次取得信息。

缓存通常比被缓存的数据集合小，所以系统必须决定保留哪些数据，以及空间不足时替换哪些数据。缓存容量与替换策略是重要设计问题。

缓存并不限于某一个硬件部件：处理器有硬件缓存，操作系统和应用也可以维护缓存。从磁盘的角度看，保存部分磁盘数据的主存也起到了更快一层缓存的作用。

Example#

少量热点数据为什么值得放进缓存

经常使用的数据可以放在较快的层，长期不活跃的数据放在成本较低的层，需要时再调入。这里保留的是冷热分层的设计思路；

Storage Performance and Management#

缓存不仅涉及“数据放在哪里”，还涉及各层有多快、由谁管理，以及数据怎样在层次之间移动。

访问时间关注完成一次访问要等多久；带宽关注单位时间内能传送多少数据。二者不能只看数字大小直接比较。

Multiple Data Copies#

层次结构提高了速度，但也使同一份数据可能同时出现在磁盘、主存、缓存和寄存器中。一处修改后，其他副本不一定已经同步更新。

Example#

整数 A 从磁盘到寄存器

设整数 $A$ 保存在磁盘文件 $B$ 中，现在需要执行 $A\leftarrow A+1$。

1
磁盘中包含 A 的数据块
2
        ↓ I/O：读入主存
3
主存中的 A
4
        ↓
5
缓存中的 A
6
        ↓
7
寄存器中的 A → 执行加一

分析：寄存器已经加一，磁盘里的值也改变了吗？

不一定。 首先把包含 $A$ 的磁盘块读入主存，再将 $A$ 复制到缓存和寄存器。执行加一时，先改变的是寄存器中的副本。

若用 $A=5$ 具体化这一过程：

阶段	磁盘副本	主存副本	缓存副本	寄存器副本
各层复制完成、尚未加一	5	5	5	5
寄存器刚完成加一、尚未向下写回	5	5	5	6
新值已传播并写回磁盘	6	6	6	6

所以，计算结果已在寄存器中生效，与磁盘上的数据已更新，是不同阶段。

Cache Coherency#

多个执行者共享数据时，需要保证它们使用正确的新值。

缓存一致性（Cache Coherency） 处理多个缓存中同一数据副本的协调问题。本章指出，多处理器的缓存一致性通常由硬件机制处理；分布式副本更新则还需要相应系统机制。

Multiprogramming#

多道程序设计（Multiprogramming） 将多个作业组织起来，使一个作业等待 I/O 等事件时，CPU 可以执行另一个已经准备好的作业。主要目标是提高 CPU 利用率。

作业包含代码和数据。系统通常只将全部作业中的一部分保存在内存中，选择其中的作业执行；当前作业需要等待时，再切换到其他作业。

1
作业 A 使用 CPU
2
      ↓ A 等待 I/O
3
CPU 执行已准备好的作业 B；设备处理 A 的 I/O
4
      ↓ A 的 I/O 完成
5
A 可以重新参与调度，等待下一次执行机会

A 在等待，不意味着 CPU 也必须等待。 不过，只有仍有可运行的作业，系统才能继续利用 CPU；所有作业都在等待时，CPU 仍可能空闲。

Time Sharing#

分时（Time Sharing）／多任务（Multitasking） 是多道程序的延伸：CPU 频繁地在任务之间切换，使用户能够在任务运行期间与它交互。

当多个任务都已准备好时，需要 CPU 调度（CPU Scheduling） 决定下一个运行谁。多个任务同时驻留又要求内存管理，并且需要限制任务之间的不当干扰。

Concurrency and Parallelism#

并发（Concurrency）：在同一段时间内推进多个任务，例如多个进程在一个 CPU 核心上交替运行。

并行（Parallelism）：多个任务在多个 CPU 核心上同时执行。

因此，多个程序同时驻留内存，并不等于它们的指令正在同一时刻执行。 多道程序不要求一定有多个 CPU 核心。

Hardware Protection#

共享机器时，系统必须应对程序陷入无限循环、执行非法操作、修改其他程序或操作系统数据等问题。仅依靠用户程序自觉遵守规则不够，需要硬件提供受保护的执行机制。

双模式运行（Dual-Mode Operation） 区分用户态（User Mode）与内核态（Kernel Mode）。硬件中的模式位标记当前执行权限。

特权指令（Privileged Instruction） 是只允许在相应特权模式下执行的指令，例如对 I/O、定时器和中断的某些控制操作。用户态直接执行这些指令时，硬件会将违规操作交给系统处理。

User-to-Kernel Mode Transition#

1
用户程序执行
2
      ↓ 发起系统调用
3
进入指定的内核服务，切换为内核态
4
      ↓
5
检查请求类型、参数与合法性，执行服务
6
      ↓
7
恢复用户态，返回用户程序

中断或异常也可以使正在执行用户代码的 CPU 转入内核处理。进入内核的路径受系统控制，用户程序不能借一次调用任意执行所有特权操作。

前文已经区分：执行模式切换关注权限与代码路径，进程切换关注执行对象。 进入内核不必然意味着运行了另一个进程。

Timer and CPU Control#

若程序一直循环而不发起系统调用，操作系统仍须有办法收回 CPU。定时器（Timer） 可在指定时间后产生中断，使控制权自动返回系统。

1
操作系统设置定时器
2
      ↓
3
让用户程序运行
4
      ↓ 规定时间到达
5
产生定时器中断
6
      ↓
7
操作系统重新取得控制权
8
      ↓
9
决定继续给予执行时间，或处理超时、安排其他任务

修改定时器的操作必须受特权保护，否则用户程序可以不断修改它，使系统失去收回控制权的保证。

Programs and Processes#

进程（Process） 是执行中的程序，是系统中的一个工作单位。程序是被动的代码与数据描述，进程是带有执行状态的活动实体。[^os1-process]

进程还可能接收初始化数据。教材以浏览器为例：网址作为输入，进程通过指令和系统调用获取、显示网页。进程结束时，操作系统回收可复用的资源。

Single and Multiple Threads#

单线程进程只有一条执行流，用一个程序计数器记录下一条指令；多线程进程则每个线程都有自己的程序计数器。

线程（Thread） 为 CPU 利用的基本单位，包含线程标识、程序计数器、寄存器集合和栈；同一进程内的线程共享代码、数据和打开的文件等资源。

进程描述一次执行及其资源环境，线程描述其中的一条执行流。 有多个线程，不要求为每个线程各建立一套完全独立的代码和数据。

Process Management Activities#

From Processes to Agent Tasks#

进程关注“程序正在执行”，智能体任务关注“正在完成什么目标”。

智能体还可能产生子任务或其他智能体。由此会遇到调度、检查点与恢复、隔离、资源计量等系统问题。

一个智能体任务的执行可以跨越多个进程和服务。

Memory Residency#

CPU 使用的指令与数据需要进入可访问的内存体系。系统中有多个进程时，**内存管理（Memory Management）**决定哪些内容在何时驻留，以提高 CPU 利用率并改善响应。

前面的多道程序要求多个进程共存于内存；内存管理则负责为这种共存提供空间与状态管理。

Swapping and Virtual Memory#

当进程不能都容纳在内存中时，引入两种相关机制。

交换（Swapping）：将进程移入、移出内存，使有限的内存能被不同进程使用。

虚拟内存（Virtual Memory）：允许一个进程在没有全部装入物理内存时执行。

Memory and Context Management#

共同问题是：快速、直接可用的空间有限，哪些内容应该留在其中？

File Systems#

不同介质的容量、访问速度、传输率、顺序／随机访问方式不同。操作系统通过**文件（File）**这一逻辑存储单位隐藏这些物理差异，再把文件映射到实际存储介质。

文件保存相关的信息，既可以是程序，也可以是数据；文件通常组织在目录中，访问控制决定谁可以读取、写入或执行相应操作。

应用使用的是文件这一抽象，系统还要落实它在介质上的存储和访问。

Mass Storage#

主存放不下的数据，以及需要长期保存的数据，需要辅助存储。存储子系统及其管理算法可能成为整机性能的重要限制。

三项职责：

第三级存储（Tertiary Storage） 包括光盘、磁带等，适合备份、较少使用的数据和长期归档。并非所有存储都必须很快，但仍需管理介质、使用权和数据迁移。

其中，WORM 表示一次写入、多次读取；RW 表示可读写。它们描述允许的操作方式，与存储层次的速度高低不同。

I/O Subsystem#

I/O 子系统为系统提供通用的设备驱动接口，再由针对具体硬件的驱动处理设备差异，使应用和系统其他部分不必逐项了解每种设备的细节。其职责还包括用于 I/O 的缓冲、缓存和假脱机。

缓冲区可能保存某数据的唯一副本，缓存则保存位于其他位置的数据的快速副本。两者功能不同，但同一块内存可以兼作缓冲与缓存。

1
应用 A → 假脱机文件 A ─┐
2
应用 B → 假脱机文件 B ─┼→ 输出队列 → 打印机依次处理
3
应用 C → 假脱机文件 C ─┘

Coordinating Storage Management#

一次文件读写中的职责区分为：

1
文件系统管理：要操作哪个文件，允许什么操作，文件映射到哪里？
2
      ↓
3
大容量存储管理：使用哪些存储空间，请求按什么次序服务？
4
      ↓
5
I/O 子系统与驱动：怎样通过具体控制器完成传输与状态处理？

每个系统不是都必须采用同样的模块调用顺序。中断、DMA 和设备队列，属于实现这类工作的重要机制。

Access Control and Threat Defense#

保护（Protection） 控制进程和用户对系统资源的访问；安全（Security） 防御来自系统内部和外部的攻击。两者相关，但关注点不同。

地址空间保护、定时器和设备控制寄存器的访问限制都是保护机制的例子。它们分别限制程序能访问哪里、能否一直占有 CPU，以及能否直接控制设备。

Users, Groups, and Effective Identity#

系统通常先确定用户身份，再根据身份判断允许的操作。

文件所有者可以拥有完整操作权限，而某一组用户只拥有读取权限。

权限提升不等于用户自行改变 CPU 模式位。 这里讨论的是访问资源时采用什么身份和权限；前面的用户态／内核态讨论的是硬件执行模式。

Distributed Systems#

分布式系统（Distributed System） 由物理上分离、可能异构的计算机通过网络连接，向用户提供对共享资源的访问。

下文的客户端—服务器与 P2P，是组织分布式服务的两种模型。

Client–Server Computing#

客户端—服务器（Client–Server，C/S） 模型中，服务器响应客户端发出的请求。

1
客户端 ── 请求 ──→ 服务器
2
客户端 ←─ 结果 ─── 服务器

Peer-to-Peer Computing#

对等计算（Peer-to-Peer，P2P） 不固定区分客户端和服务器。节点作为对等参与者，既可以请求服务，也可以提供服务。

节点加入网络后，还需要知道“谁能提供所需服务”。

存在中央查找服务，不代表服务内容必须由中央服务器提供。 查找“谁有文件”和实际“把文件传给对方”，可以由不同节点完成。

Web-Based Computing#

越来越多的设备通过网络访问 Web 服务，办公软件也可以通过 Web 提供，例如 Google Docs。

负载均衡器（Load Balancer） 在提供相似服务的多台服务器之间分配请求，管理到达服务器的 Web 流量。

1
客户端请求 → 负载均衡器 → 多台提供相似服务的服务器

客户端、服务器描述服务关系中的角色，不是简单依靠操作系统名称区分。

From User Intent to Action#

1
用户目标
2
   ↓
3
智能体：理解目标 → 规划 → 调用工具 → 观察结果 → 必要时重新规划
4
   ↓
5
应用与工具
6
   ↓
7
操作系统：执行与资源管理、权限检查、隔离
8
   ↓
9
硬件

智能体隐藏完成目标所需的软件操作细节；操作系统提供完成软件操作所需的资源管理与受保护机制。 两层都涉及调度、状态和资源管理，但管理对象与权限层次不同。