2、操作系统之软件基础

一、硬件支持系统 ，系统管理硬件

• 操作系统核心功能可以分为：
  • 守护者：对硬件和软件资源的管理
  • 协调者：通过机制，将各种各样的硬件资源适配给软件使用。
• 所以为了更好的管理硬件，操作系统引进了软件。其中3大核心部分是：
  • 文件【我们需要知道怎么用文件来访问磁盘和I/O设备】
  • 虚拟内存【虚拟内存是虚拟的，为应用程序提供远大于物理内存限制的虚拟地址空间。】
  • 进程【真正用来访问资源的部分】
    

二、进程（process）

1、理解

进程就是一个正在执行的程序实例。

进程的结构

• 每个进程里都有一个独立的地址空间。
  • 这个空间一开始是0 ，不断的运行，就成了连续的存储空间。在这个空间，不仅程序能运行起来，还能调用各种数据，等等。
• 每个进程都有相关的资源
  • 这些资源有PS ， PC寄存器等等。

简而言之：进程就是一个被封装的容器，它有运行资源的一切信息。

• 如果 我开了QQ，又开了微信。那我的进程就有2个，它要如何合理地获得CPU资源？

  • 操作系统通过时间片轮转等调度策略，周期性地挂起一个进程并启动另一个，确保所有进程都能公平地获得CPU资源。
  • 当进程被暂时挂起，就必须保存状态了。以便未来某个时候可以继续使用。状态下的信息【比如寄存器，地址空间，上下文等等】都会被存储在进程表中。
    • 进程表用于跟踪系统中所有进程的状态信息。

• shell和进程

  • 用户可以使用shell来控制进程。让一个进程产生更多进程（这些由进程产生的进程就是子进程）【可能有些抽象，可以这样理解，如下：】。
    • 
    • 我在shell使用ls 命令，这个命令展现了当前路径有的文件件。我本来是在运行shell的linux环境虚拟机【当前一个主进程】，我想看文件夹，我为了看文件夹，使用了ls命令，在执行这个ls命令的过程就是子进程。
  • 所以进程就有树的样子了-----进程树。
  • 

• 进程该如何通信？

  • 当进程间协同工作完后，使用机制来交换信息，也就是进程间通信（IPC） 机制。
  • 除了进程间通信（IPC）外，操作系统还使用一系列的系统调用来管理进程资源。

• 进程接收信息，如果信息经常不能准时到达？

  • 为了确保可靠传输，进程会采用定时器。【这种行为也就是异步】
    • 比如：进程在外部信息发送出去的第4秒还没有接收到。就发一个通知提醒，就可能重新发送了。

异步行为【分为软件异步、硬件异步】：
异步行为是指任务可以并发执行，不需要等待前一个任务完成。异步操作不会阻塞当前线程，任务完成后通过回调、Promise 或事件通知。

• 那么事件1发生什么事情？
  • 事件1作用：保护现场。
  • 保护的内容有
    • PC值----由CPU保护
    • PSW寄存器—操作系统软件保护
    • 基础寄存器—操作系统软件保护
    • 不过在现代有可以都用CPU保护的了。CortexM芯片等等。
• 事件2发生什么事情？
  • 事件2作用：确定中断入口在哪里
  • 硬件CPU来准备—操作系统OS和CPU都能来提供中断向量表【中断处理函数的数组空间】。
• 事件3发生什么事情？
  • 事件3作用：中断处理函数
  • 操作系统来准备。
• 事件4发生什么事情？
  • 事件4作用：中断返回【普通函数返回】
  • 软件实现，编译器来实现。
  • 特定的汇编写，不能c语言。
    • 普通函数
      • PC值—>硬件保护
      • PSW寄存器—>不需要保护。
      • 基础寄存器—>编译器保护

同步行为
同步行为是指任务按顺序执行，前一个任务完成后，才能开始下一个任务。同步操作会阻塞当前线程，直到任务完成。

三、虚拟内存

从下往上看，分为进程代码和数据区、堆数据区、共享库区、堆栈区、内核内存区。

这部分的基础先了解这个图片就行了。

常驻内存是指一直都在，不能删掉。

四、并发和并行

• 并发是指多个任务在同一时间段内交替执行，但在任意时刻可能只有一个任务在运行。并发通过任务切换（上下文切换）实现，给人一种多个任务同时运行的错觉。
• 如图：同一时间段内

时间轴： |----任务A----|----任务B----|----任务A----|----任务B----|

• 并行是指多个任务在同一时刻同时执行。并行需要多核 CPU 或多个处理器，每个任务运行在不同的核心上。
• 如图：同一时刻内

时间轴： |----任务A----|
          |----任务B----|
          	 |----任务C----|

五、系统调用【超重点】

通过上图能明白，硬件不能直接让用户使用它。
所以提出了系统调用 。

• 系统调用

  • 定义：系统调用是操作系统内核（Kernel）为应用程序提供的一组接口，允许用户程序（运行在用户态）请求内核（运行在内核态）代为执行特权操作（如文件读写、进程创建等）。
  • 系统调用依赖硬件和OS（操作系统）。

• 系统调用的工作原理

• (1) 调用流程

  • 用户程序触发调用
    • 通过特定函数（如C标准库中的 printf() → 底层调用 write()）或直接代码触发。
  • 用户态 → 内核态切换
    • 通过软中断（如 int 0x80）或专用指令（如 syscall）进入内核态。
  • 执行内核服务
    • 内核根据系统调用号（如 Linux 的 read 对应 0 号）调用对应的内核函数。
  • 返回结果
    • 内核将结果传递给用户程序，回到用户态继续执行。

• (2) 系统调用号（syscall number）

  • 每个系统调用对应唯一编号，通过寄存器传递（如 x86-64 Linux 中，rax 存放系统调用号）。
  • 示例：Linux 的 sys_write 在 x86-64 中的调用号是 1，可通过命令 grep __NR_write /usr/include/asm/unistd_64.h 查看。

• (3) 参数传递

  • 寄存器传递参数：参数按顺序放入 rdi, rsi, rdx, r10, r8, r9（x86-64 架构）。