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操作系统实战

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备注

对于一个庞大的系统，最大的误区是陷入细节而不知全貌。

HelloWorld 编译流程

手动控制以上这个编译流程，从而留下中间文件方便研究:

$ gcc HelloWorld.c -E -o  HelloWorld.i
  预处理：加入头文件，替换宏。
$ gcc HelloWorld.c -S -c -o HelloWorld.s
  编译：包含预处理，将 C 程序转换成汇编程序。
$ gcc HelloWorld.c -c -o HelloWorld.o
  汇编：包含预处理和编译，将汇编程序转换成可链接的二进制程序。
$ gcc HelloWorld.c -o HelloWorld
  链接：包含以上所有操作，将可链接的二进制程序和其它别的库链接在一起，形成可执行的程序文件

1. 源文件生成预处理文件： gcc -E HelloWorld.c -o HelloWorld.i
2. 预处理文件生成编译文件： gcc -S HelloWorld.i -o HelloWorld.s
3. 编译文件生成汇编文件： gcc -c HelloWorld.s -o HelloWorld.o
4. 汇编文件生成可执行文件：gcc HelloWorld.o -o HelloWorld

整体设计

内核结构&设计

硬件资源有:

1. 总线，负责连接各种其它设备，是其它设备工作的基础。
2. CPU，即中央处理器，负责执行程序和处理数据运算。
3. 内存，负责储存运行时的代码和数据。
4. 硬盘，负责长久储存用户文件数据。
5. 网卡，负责计算机与计算机之间的通信。
6. 显卡，负责显示工作。
7. 各种 I/O 设备，如显示器，打印机，键盘，鼠标等。

软件资源有:

计算机中的各种形式的数据。如各种文件、软件程序等

经典计算机结构图

内核作为硬件资源和软件资源的管理者，其内部组成在逻辑上大致如下:

1. 管理 CPU，由于 CPU 是执行程序的，而内核把运行时的程序抽象成进程，所以又称为进程管理。
2. 管理内存，由于程序和数据都要占用内存，内存是非常宝贵的资源，所以内核要非常小心地分配、释放内存
3. 管理硬盘，而硬盘主要存放用户数据，而内核把用户数据抽象成文件，即管理文件，文件需要合理地组织，方便用户查找和读写，所以形成了文件系统。
4. 管理显卡，负责显示信息，而现在操作系统都是支持 GUI（图形用户接口）的，管理显卡自然而然地就成了内核中的图形系统。
5. 管理网卡，网卡主要完成网络通信，网络通信需要各种通信协议，最后在内核中就形成了网络协议栈，又称网络组件。
6. 管理各种 I/O 设备，我们经常把键盘、鼠标、打印机、显示器等统称为 I/O（输入输出）设备，在内核中抽象成 I/O 管理器。

除了这些必要组件之外，根据功能不同还有:
  a. 安全组件
  b. 驱动程序
      管理和控制各种硬件而编写的对应的代码

内核架构:

1. 宏内核架构
2. 微内核架构

宏内核有极致的性能，微内核有极致的可移植性、可扩展性。

操作系统内核分为三个大层，分别是:

1. 内核接口层
    定义了一系列接口，主要有两点内容，如下：
      这套接口的代码，就是检查其参数是否合法，如果参数有问题就返回相关的错误，
      接着调用下层完成功能的核心代码。
2. 内核功能层
    内核功能层的模块如下:
      a. 进程管理
      b. 内存管理
      c. 中断管理
      d. 设备管理
3. 内核硬件层
    主要包括一个具体硬件平台相关的代码，如下:
      a. 初始化，初始化代码是内核被加载到内存中最先需要运行的代码
          例如初始化少量的设备、CPU、内存、中断的控制、内核用于管理的数据结构等
      b. CPU 控制，提供 CPU 模式设定、开、关中断、读写 CPU 特定寄存器等功能的代码
      c. 中断处理，保存中断时机器的上下文，调用中断回调函数，操作中断控制器等
      d. 物理内存管理，提供分配、释放大块内存，内存空间映射，操作 MMU、Cache 等
      e. 平台其它相关的功能，有些硬件平台上有些特殊的功能，需要额外处理一下

内核结构

Linux 内部的全景图: https://makelinux.github.io/kernel/map/

Linux 五大重要组件

程序的基石：硬件

CPU 的工作模式有:

1. 实模式
    实模式又称实地址模式，实，即真实，这个真实分为两个方面，
    一个方面是运行真实的指令，对指令的动作不作区分，直接执行指令的真实功能，
    另一方面是发往内存的地址是真实的，对任何地址不加限制地发往内存。
2. 保护模式
3. 长模式

实模式下的寄存器

保护模式下的寄存器

长模式下的寄存器

现代内存管理模式——分页模型:

把虚拟地址空间和物理地址空间都分成同等大小的块，也称为页，按照虚拟页和物理页进行转换。
根据软件配置不同，这个页的大小可以设置为 4KB、2MB、4MB、1GB

分页模型框架图：MMU工作原理图。一个虚拟页可以对应到一个物理页，由于页大小一经配置就是固定的，所以在地址关系转换表中，只要存放虚拟页地址对应的物理页地址就行了。

MMU页表原理图

对于每个进程而言，它会误认为(被操作系统欺骗)自己独有所有地址空间，因此它访问地址是不会考虑任何问题的，可是这个地址是虚拟地址，待被MMU翻译后会得到对应的页表，而这个页表由操作系统管理，不同的进程拥有不同的页表，也因此产生了进程地址空间隔离，但是多个进程也是可以共享某个页表，这也是进程通信(IPC)的根本手段。

备注

CPU 大多数时间在执行相同的指令或者与此相邻的指令。这就是大名鼎鼎的程序 局部性原理

如何写出让 CPU 跑得更快的代码:

1、遵从80-20法则，程序80%的时间在运行20%或更少的代码，针对热代码进行优化，才容易产出效果；
2、遵从数据访问的局部性法则，按数据存放顺序访问内存效率远高于乱序访问内存效率，也就是尽量帮助CPU做好数据Cache的预测工作。同样根据Cache大小，做好数据结构的优化工作，进行数据压缩或数据填充，也是提升Cache效率的好方式；
3、遵从指令访问的局部性法则，减少跳转指令，同样是尽量帮助CPU做好数据Cache的预测工作；现代CPU都有一些预测功能【如分支预测】，利用好CPU的这些功能，也会提升Cache命中率；
4、避免计算线程在多个核心之间漂移，避免缓存重复加载，可以绑定核心【物理核即可，不用到逻辑核】，提高效率；
5、去除伪共享缓存：在多核环境下，减少多个核心对同一区域内存的读写并发操作，减少内存失效的情况的发生；
===开始跑题===
6、合理提高进程优先级，减少进程间切换，可以变相提供Cache提速的效果
7、关闭Swap，可以变相提供内存提速、Cache提速的效果；
8、使用Intel自家的编译器，开启性能优化，很多时候可以提速运算效率；
9、使用C语言，而不是更高级的语言，很多时候可以提速运算效率；
10、直接使用昂贵的寄存器作为变量，可以变相提供加速效果；

同步原语

使用信号量的步骤:

第一步，获取信号量。
第二步，代码执行流开始执行相关操作，例如读取键盘缓冲区。
第三步，释放信号量。

锁是解决并发同步问题的关键，锁有两个核心点:

一个是原子操作
    通过原子操作来实现临界区标志位的改变，
一个则是中断
    关闭中断来避免 CPU 中途离开导致数据同步失败问题

参考

1. 王爽老师的《汇编语言》: https://book.douban.com/subject/25726019/

2. 李忠老师的《X86 汇编语言：从实模式到保护模式》

3. 《计算机组成与设计：软硬件接口》

4. 《UNIX 传奇：历史与回忆》（兴趣拓展向）

5. 李忠老師的《穿越計算機的迷霧》，學習一點硬件原理

• 王爽汇编的笔记 快速入门: https://blog.csdn.net/u013570834/article/details/108753839

• 视频: https://www.bilibili.com/video/BV1d4411v7u7

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