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第2周_星期二_第2大节

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第 2 周 星期二 第 2 大节

  • 视频：screen_操作系统与分布式计算_第2周_星期二_第2大节.mp4
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时间轴

  • [00:34] 课堂开始，回顾上节课内容（操作系统学什么、定位、发展历程、AI 与 OS 关系）
  • [04:31] 中断（外中断）vs 异常（内中断）概念回顾
  • [04:57] 中断/异常激发内核运行
  • [05:49] 中断/异常定义：CPU 暂停当前程序转去处理异步/同步事件
  • [06:21] 引入中断目的：CPU 与 IO 并行处理
  • [07:09] 通道设备 IO 完成时通知 CPU
  • [07:40] 异常定义：CPU 执行指令过程中发生不正常操作（除零、越界等）
  • [08:27] trap 指令（陷入指令）实现系统调用
  • [08:52] 指针越界异常例子
  • [09:37] 早期中断/异常不区分 → 后分为广义中断 → 外中断 (狭义中断) 和内中断 (异常)
  • [10:11] 外中断：由硬件逻辑产生（IO 完成、时钟中断）
  • [10:52] 内中断（异常/例外）：系统调用、缺页异常、debug 断点、非法指令
  • [13:06] 狭义中断 vs 异常：中断来源于外设（与当前指令无关，可屏蔽）；异常来源于当前程序（与当前指令有关，不可屏蔽）
  • [14:08] 中断/异常处理流程：保存现场→分析原因→处理子程序→恢复现场
  • [14:57] OS 核心功能模块：系统初始化、进程管理、存储管理、文件管理、外设管理
  • [15:51] 系统初始化——准备上层应用的运行环境
  • [16:20] 进程管理（CPU 管理）：创建进程、切换、保护/恢复现场、同步与通信
  • [17:10] 存储管理：从外存加载到内存、分配空间、避免内存串扰
  • [17:43] 文件管理：文件组织、命名、快速检索
  • [19:08] 外设管理：键盘、显示器、网络设备、多媒体设备、存储设备
  • [19:54] 内核（kernel）概念：保持核心功能的可信软件部分
  • [20:47] 单内核（monolithic kernel）vs 微内核（micro kernel）分类
  • [21:13] 内核定义：支持进程并发执行的基本功能模块组，驻留内存、运行在核心态、访问硬件和所有存储空间
  • [22:30] 内核驻留内存空间，扩展功能需要时才加载
  • [22:53] 内核是可信软件，唯一能执行特权指令的程序
  • [23:45] 内核三大任务：抽象、分配、共享
  • [24:55] 内核基本属性：中断驱动、不可抢占、部分程序在屏蔽中断状态下执行、可使用特权指令
  • [25:29] 内核不可抢占：内核执行时其他应用必须等待
  • [26:27] OS 设计规范：高效率、高可靠性、可维护性/可用性、可移植性、可伸缩性（可扩展性）、兼容性、安全性
  • [29:38] OS 结构演进：简单结构→分层结构→微内核→模块结构
  • [29:54] 简单结构：整体由若干函数（模块）相互调用，代表 DOS、UNIX
  • [30:28] 简单结构优点：可理解性好、开发简单；缺点：结构不清晰、可靠性低、资源管理能力差
  • [33:35] 分层结构：单向调用不能跨层，类似网络七层协议；约束明确、问题定位方便，但效率受影响
  • [35:00] 每种结构有优有劣，在利弊间做平衡（balance）
  • [36:28] 虚拟机概念：分时操作系统 + 多道程序设计思想，物理资源划分为若干逻辑资源
  • [38:56] 单内核系统：模块间通过函数接口直接调用；优点：运行效率高；缺点：功能庞大、移植复杂
  • [40:37] 微内核：操作系统瘦身，只保留基本功能（中断处理、系统调用总控、进程调度），其他剥离为外部服务
  • [41:13] 微内核优点：易扩充、模块隔离、移植性好；缺点：执行效率低（client-server 通信）
  • [43:00] OpenHarmony 架构：内核层（驱动软件等）→ 系统服务层（任务调度、负载均衡）→ 外部服务子系统
  • [44:08] Linux 融合单内核和微内核思想：核心模块放在内核，扩展服务动态加载
  • [45:37] 模块化结构：核心部件启动时加载，其他服务作为动态链接加载
  • [51:08] Solaris 是典型模块化结构，Mac OS 基于 BSD 发展
  • [52:04] OS 运行模型：用户程序通过 API 进入内核执行
  • [52:55] 三种运行模式：非进程内核模型、功能在用户进程内执行模型、微内核独立进程模型
  • [53:46] 非进程内核模型：内核作为独立执行体，用户通过中断/陷入启动内核
  • [54:41] 内核功能在用户进程内执行模型：操作系统代码嵌入用户进程中执行（本课程采用）
  • [55:54] 微内核运行模式：只包含中断处理、系统调用总控、进程调度
  • [56:42] 用户接口：操作接口（CLI/GUI）vs 编程接口（系统调用 API）
  • [57:22] 操作接口面向普通用户，CLI（命令行）或 GUI（图形界面）
  • [58:29] 编程接口（系统调用 API）面向编程用户，获得 OS 服务的调用集合
  • [59:28] 系统调用原理：用户程序（用户态）vs 系统程序（核心态）
  • [01:00:09] 特权指令：与硬件打交道（访问内存、外设、硬盘），只能在核心态执行
  • [01:01:03] 硬件访问权限控制在 OS 内核手中，上层应用通过 API 访问
  • [01:01:46] C 语言文件操作底层调用 OS 系统调用（封装在库函数中）
  • [01:02:47] 用户不关心文件写到硬盘哪个扇区，OS 内核处理
  • [01:03:49] 两个问题：用户态→核心态转变时机；核心态→用户态返回
  • [01:04:54] trap 指令（陷入指令/访管指令）：实现用户态→核心态切换
  • [01:05:37] trap 指令由编译器在编译系统调用时自动编译进去
  • [01:06:28] 执行流程：trap→CPU 态制位（用户态→核心态）→执行系统调用→返回用户态
  • [01:07:38] 系统调用 vs 普通函数调用：运行状态不同、调用方法不同、返回机制不同
  • [01:08:52] 不同 OS 安装包不通用原因：系统调用接口不同（函数名、参数类型、个数、顺序）
  • [01:14:23] UNIX 系统调用的实现：trap 指令 + 系统调用号区分不同调用
  • [01:16:55] 系统调用参数传递：通过特定寄存器传递参数
  • [01:17:53] 系统调用程序一般格式：参数填入寄存器→trap 指令→执行→结果写回寄存器
  • [01:19:21] write 系统调用完整路径：用户程序→write→核心态→磁盘驱动程序→IO→CPU 让出→盘中断→恢复现场
  • [01:22:19] API→系统调用→系统核心处理模块的关系
  • [01:22:52] printf 对应底层系统调用 write
  • [01:24:16] 操作接口：CLI（shell 解释器）/ GUI（explorer.exe 进程翻译用户操作）
  • [01:26:13] 操作系统概述三大子模块总结
  • [01:27:29] 进入进程管理模块（CPU 调度）
  • [01:29:37] 进程（process）是后续所有内容的基础
  • [01:31:04] 程序顺序执行：在任何时刻只执行一个操作，前一个完成才执行下一个
  • [01:33:51] 程序执行示例：输入→计算→输出循环
  • [01:34:36] 顺序执行特征：顺序性、封闭性、资源独占性（独占 CPU）、结果可再现性
  • [01:35:57] 顺序执行优点：封闭性和可再现性方便调试；缺点：资源独占性不符合 OS 并发共享需求
  • [01:41:50] OS 两大基本特征：并发性（同一时间段多个任务并发）和共享性（不同任务共享资源）
  • [01:42:33] 多道程序设计思想：内存存放多个作业，处理器交替执行，宏观并行、微观串行
  • [01:43:20] 并发执行新问题：共享（失去封闭性）、制约性（CPU 被占用需等待）、间断性（穿插执行）、结果不可再现性
  • [01:46:01] 两个程序共享变量 N 导致结果不可再现——推进速度不同造成输出不同
  • [01:52:04] 引入进程概念：反映程序执行的动态特征、独立性、并发性
  • [01:52:51] 进程概念最早在 MIT 的 MULTICS 中提出，Linux 中称为 task
  • [01:53:27] 进程定义：程序的一次完整执行过程（动态概念）；程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的一系列活动；系统进行软硬件资源分配的基本单位
  • [01:55:37] 进程特性：动态性（有生命周期）、独立性、并发性、结构性（有数据结构描述）
  • [01:57:26] 程序 vs 进程：程序是静态概念（磁盘上的代码），进程是动态概念（运行过程）；程序长期存在，进程有生命周期；资源分配给进程；一个程序对应多个进程（如多个浏览器窗口），一个进程也可对应多个程序
  • [02:01:18] 进程组成要素：PCB（进程控制块，唯一标识）+ 程序代码 + 数据 + 工作区（stack，函数调用参数传递 + 系统调用核心工作区）
  • [02:05:27] 进程映像 = 程序代码 + 数据 + 工作站（占用户空间）；PCB 占系统空间
  • [02:08:41] PCB 内容三大类：标识信息（进程 ID、用户 ID、父进程 ID）、现场信息（寄存器内容、堆栈指针）、控制信息（状态、调度信息、队列、资源占用）
  • [02:11:56] 不同 OS 的进程数据结构：UNIX（proc 结构体）、Linux（task_struct）、Windows（EPROCESS）
  • [02:14:20] PCB 组织方式：线性表、链表、树状结构等
  • [02:16:03] 进程状态：就绪态（已获得除 CPU 外所有资源）→ 运行态（占用 CPU）→ 阻塞态（等待 IO/事件）
  • [02:19:11] 分时系统中时间片用完：运行态→就绪态
  • [02:20:30] 进程创建：创建 PCB→分配资源→初始化 PCB→放入就绪队列
  • [02:19:25] 进程结束：改为结束态→回收资源（关闭文件、释放内存）→回收 PCB→触发 CPU 调度
  • [02:20:56] Linux 进程相关系统调用：wait pid（阻塞进程）、wait（等待其他任务）、fork（创建子进程）、exit（结束进程）
  • [02:22:55] 进程状态转换核心：就绪↔运行（CPU 调度/时间片用完）、运行→阻塞（等待 IO/事件）、阻塞→就绪（IO/事件完成）

关键点

考勤/签到/小测

  • 点名互动：” 董世凯 "" 赵海宁 ” 等，部分未到场
  • 留学生 Qingyu Bai（青语白子）互动

作业

  • 无

考试/复习重点

  • 中断 vs 异常区分（外中断/内中断）
  • 单内核 vs 微内核的 trade-off
  • 系统调用原理、trap 指令
  • 程序顺序执行四个特征
  • 并发执行四个新问题
  • 进程概念、进程状态转换

其他需要回看的片段

  • [01:46:01] 两个程序共享变量 N 导致结果不可再现——并发问题本质
  • [02:08:41] PCB 包含的三大类信息（标识、现场、控制）

知识点详解

一、中断与异常

定义：CPU 暂停当前正在执行的程序，转去处理异步/同步事件。

引入中断目的：实现 CPU 与 IO 并行处理——CPU 从繁杂的 IO 事务中解脱，当其他设备需要 CPU 参与时通过中断主动报告。

广义中断分类：

  • 外中断（狭义中断）：由硬件逻辑产生，与当前执行指令无关，可屏蔽。如 IO 完成中断、时钟中断。
  • 内中断（异常/例外）：来源于当前正在运行的程序，与当前指令有关，不可屏蔽。包括系统调用（trap 指令）、缺页异常、debug 断点、非法指令（如除零、越界访问）。

中断/异常处理流程：保存当前程序现场 → 分析中断/异常原因 → 进入对应处理子程序 → 恢复现场 → 继续执行。

二、OS 核心功能模块

  1. 系统初始化：准备上层应用的运行环境
  2. 进程管理（CPU 管理）：创建进程、进程切换、保护/恢复现场、进程间同步与通信
  3. 存储管理：从外存加载到内存、分配空间、避免内存串扰
  4. 文件管理：文件组织、命名、快速检索（资源管理器）
  5. 外设管理：键盘、显示器、网络设备、多媒体设备、存储设备

三、内核（Kernel）

定义：操作系统的核心可信软件，支持进程并发执行的基本功能模块组。驻留内存（核心态），可访问硬件和所有存储空间，是唯一能执行特权指令的程序。

基本属性：中断驱动（需中断激发内核执行）、不可抢占（内核执行时其他应用等待）、部分程序在屏蔽中断状态下执行、可使用特权指令。

三大任务：资源抽象（软硬件资源抽象为实体）、资源分配、资源共享。

四、OS 设计规范

高效率、高可靠性（可信软件，假定不犯错）、可维护性/可用性（故障恢复能力）、可移植性（不同硬件平台适配）、可伸缩性/可扩展性（添加硬件/应用）、兼容性、安全性。

五、OS 结构演进

结构特点优点缺点代表
简单结构整体结构，函数间相互调用可理解性好，开发简单结构不清晰，可靠性低，资源管理差DOS, UNIX
分层结构单向调用，不能跨层约束明确，问题定位方便效率受影响—
单内核模块通过函数接口直接调用运行效率高功能庞大，移植复杂Linux（部分）
微内核只保留核心功能（中断处理/系统调用总控/进程调度），其他剥离为外部服务易扩充，模块隔离，移植性好执行效率低（client-server 通信）—
模块化核心部件启动时加载，其他动态链接灵活—Solaris, Mac OS

关键 trade-off：单内核效率高但大而重，微内核灵活小巧但效率低。现代 OS（如 Linux）融合两者思想——核心模块放内核，扩展服务动态加载。

OpenHarmony 架构：内核层（驱动软件等）→ 系统服务层（任务调度、负载均衡）→ 外部服务子系统。

六、虚拟机

基于分时操作系统和多道程序设计思想，将物理资源划分为若干逻辑资源，模拟出多个虚拟操作系统。

七、OS 运行模式

  1. 非进程内核模型：内核作为独立执行体，用户程序通过中断/陷入启动内核
  2. 功能在用户进程内执行模型：OS 代码嵌入用户进程中执行（本课程采用）
  3. 微内核模式：内核只包含中断处理、系统调用总控、进程调度，其他在用户态执行

八、用户接口

接口类型面向用户实现方式
操作接口普通用户CLI（命令行/shell 解释器）、GUI（图形界面/explorer.exe）
编程接口编程用户系统调用 API（函数调用集合）

CLI：通过 shell 解释器实现命令交互（Linux/UNIX 专业人士常用）。 GUI：通过 explorer.exe 等进程将用户操作翻译为指令传递给 OS（Windows 普通用户）。

九、系统调用与 trap 指令

用户程序 vs 系统程序：用户程序运行在用户态（非特权），系统程序运行在核心态（可执行特权指令）。

特权指令：与硬件打交道（访问内存、外设、硬盘），必须由核心态执行，控制在 OS 内核手中。

trap 指令（陷入指令/访管指令）：实现用户态→核心态切换的特殊指令，由编译器在编译系统调用时自动插入。

系统调用执行流程：

  1. 用户程序执行到系统调用
  2. trap 指令：CPU 态制位（用户态→核心态）
  3. 保护现场，保存寄存器状态
  4. 根据系统调用号进入对应处理入口
  5. 系统调用执行：参数通过寄存器传递，结果写回寄存器
  6. 恢复现场，返回用户态继续执行

系统调用 vs 普通函数调用：运行状态不同（核心态 vs 用户态）、调用方法不同（trap 指令 vs 普通调用）、返回机制不同（涉及现场恢复和重新调度）。

write 系统调用完整路径： 用户程序 → write 系统调用 → trap 指令进入核心态 → 内核总控判断系统调用号 → 磁盘驱动程序 → IO 操作（CPU 让出给其他程序）→ 盘中断处理程序（IO 完成）→ 恢复现场 → 返回用户程序

不同 OS 安装包不通用原因：系统调用接口不同——函数名称、参数类型、参数个数、参数顺序均可能不同。

printf 示例：printf（C 标准库函数）→ write（系统调用）→ 输出到界面。

十、程序顺序执行 vs 并发执行

顺序执行特征：

  • 顺序性：任何时刻只执行一个操作，前一个完成才执行下一个
  • 封闭性：当前资源状态只能由当前运行程序决定和改变
  • 资源独占性：独占 CPU 资源，其他程序不能进入
  • 结果可再现性：初始条件和输入相同，结果一定相同

顺序执行优点：方便调试（封闭性、可再现性）。 顺序执行缺点：资源独占性，不符合 OS 并发共享的需求。

多道程序设计思想：内存存放多个作业，处理器交替执行，宏观并行、微观串行。

并发执行新问题：

  • 共享性：失去封闭性，多个程序共享内存、CPU、外设
  • 制约性：因共享资源带来的间接制约（CPU 被占用需等待）
  • 间断性：不再从头到尾连续执行，CPU 在多任务间穿插调度
  • 结果不可再现性：推进速度不同导致输出结果不同（如两个程序共享变量 N，以不同顺序执行输出不同）

十一、进程概念

引入原因：多道程序设计思想下，原有程序（静态概念）不能满足并发、动态、独立的需求，需要新概念描述程序的动态执行过程。

进程定义：

  1. 程序的一次完整执行过程（动态概念）
  2. 程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的一系列活动
  3. 系统进行软硬件资源分配的基本单位

进程特性：动态性（有生命周期，从创建到消亡）、独立性、并发性、结构性（有数据结构描述）。

程序 vs 进程：程序是静态概念（磁盘上的代码集合），进程是动态概念（运行过程）。程序长期存在（磁盘不消失），进程有生命周期。资源分配给进程而非程序。一个程序可对应多个进程（如打开多个浏览器窗口），一个进程也可对应多个程序。

进程组成：PCB（进程控制块，唯一标识）+ 进程映像（程序代码 + 数据 + 工作区（stack））

  • PCB：存储在系统空间，供 OS 管理进程用
  • 进程映像：存储在用户空间

PCB 内容三大类：

  • 标识信息：进程 ID（唯一）、用户 ID、父进程 ID
  • 现场信息：寄存器内容、堆栈指针（用于切换时保存/恢复）
  • 控制信息：进程状态、调度信息、所在队列、资源占用情况

不同 OS 的进程数据结构：UNIX（proc 结构体）、Linux（task_struct）、Windows（EPROCESS）。

PCB 组织方式：线性表、链表、树状结构等。

十二、进程状态与转换

三大核心状态：

  • 就绪态（Ready）：已获得除 CPU 外所有资源，具备被调度的条件
  • 运行态（Running）：占用 CPU，正在执行
  • 阻塞态（Blocked）：等待 IO 或事件发生

状态转换：

  • 就绪 → 运行：CPU 调度
  • 运行 → 就绪：时间片用完（分时系统）
  • 运行 → 阻塞：等待 IO/事件
  • 阻塞 → 就绪：IO/事件完成

进程创建：创建 PCB → 分配资源（内存等）→ 初始化 PCB（填写 ID、父进程 ID 等信息）→ 放入就绪队列。

进程结束：改为结束态 → 回收资源（关闭文件、释放内存）→ 回收 PCB → 触发 CPU 调度加载新进程。

Linux 进程相关系统调用：fork（创建子进程）、exit（结束进程）、wait（等待其他任务）、wait pid（阻塞进程等待 IO 完成）。

省流

  • 中断 vs 异常：外中断（硬件/可屏蔽）与内中断即异常（软件/不可屏蔽），均激发内核执行
  • OS 核心功能：系统初始化、进程管理、存储管理、文件管理、外设管理
  • 内核三大任务：抽象、分配、共享，是驻留内存的可信软件，唯一能执行特权指令
  • OS 架构演进：简单结构 → 分层结构 → 微内核 → 模块化。单内核（高效率大而重）vs 微内核（灵活可靠低效率）
  • 系统调用机制：用户态程序通过 trap 指令切换到核心态执行特权指令，参数通过寄存器传递，编译器自动插入 trap 指令
  • 用户接口：操作接口（CLI/GUI）面向普通用户，编程接口（系统调用 API）面向编程用户
  • 程序顺序执行：顺序性、封闭性、资源独占性、结果可再现性
  • 并发执行新问题：共享、制约性、间断性、结果不可再现性
  • 引入进程概念：描述程序动态执行过程，PCB 为唯一标识，三大状态（就绪/运行/阻塞）动态转换

关系图谱