淺談 操做系統原理

注 ：  文中講述的原理是推理和探討 ， 和現實中的實現不必定徹底相同 。

 

操做系統 ， 主要分爲 8 個部分 ：

1 引導程序

2 設備驅動

3 控制檯

4 進程調度

5 虛擬內存

6 文件系統

7 網絡通訊

8 編譯器

 

引導程序， 按照如今的 業界標準， 大概是 接通電源 -> BIOS 啓動 -> 引導程序 。 引導程序 是 磁盤開頭的 一段 字節 存儲的 代碼 。 BIOS 啓動後 就將 控制權交給這段代碼， 或者說加載這段代碼進入內存， 並執行這段代碼 。 引導程序 加載到內存裏應該也是存儲在 內存的 低位地址 附近， 好比 從 地址爲 0 ， 或者 1 的 內存單元 開始 存儲 。 不過我到如今都有一個疑問， 內存地址 可使用 「0」 這個地址嗎 ？  C / C++ / C# 好像都是用 0 來表示 空指針（null） 的 。

引導完了， 要顯示一個 界面 給 用戶看， 最基本的就是 控制檯 。 要顯示控制檯， 須要操做顯示器， 因此 這就是 須要 設備驅動 。

固然， 還須要 鍵盤 鼠標 的 輸入， 最起碼要有 鍵盤 的 輸入， 這也是 設備驅動 。

 

因此 控制檯 就是 設備驅動 加上一點小小的 控制程序 就能夠啦 。

這就是一個 簡單的 小小 操做系統 了 。

看起來跟 Dos 很像  ？

 

咱們再來看看 設備驅動 如何實現，

設備驅動 就是 給 設備發送 指令， 以及 和 設備 的 數據傳輸  。

CPU 應該有給 設備 發送指令 的 指令 。 聽說 設備 會被映射成 寄存器 ？  或者一個 內存地址  ？

CPU 和 設備 之間的 通訊 分爲 CPU 操做設備 和 設備通知 CPU 。

 

CPU 操做設備 很簡單， 就向 設備 發出指令， 該寫數據寫數據， 該讀數據讀數據 就行 。

 

設備通知 CPU 這個 有點複雜，

好比 鼠標 鍵盤 網卡 ， 這些 交互式 的設備，  以及  和外部通訊 的 設備 都會 通知 CPU 。

好比 用戶對 鼠標 移動 按鍵 等， 就會通知 CPU，  網卡 接收到 網絡 傳輸過來的數據，也會通知 CPU ，

由 CPU 對數據作出 處理（響應） 。

 

這個通知的方式 是 中斷， 即 設備 須要 通知 CPU 時， 發起一個 中斷， CPU 接收到 中斷 會轉入 中斷處理程序， 接下來就能夠對 設備 的數據進行處理 。

中斷 是 CPU 硬件實現的一個機制，  因此效率很高 。

我前段時間看過一篇文章， 說 早期 的 CPU 也是沒有 中斷 的， 那時的 操做系統 是 經過 輪詢 的 方式 來 檢查 設備 是否有數據（通知 (Announce)） ，

看到這裏， 我笑了 。

 

嚴格來說， 轉入 中斷處理程序 時要保存 當前程序 的 上下文， 因此， 中斷處理程序 是一個 進程， 或者說， 轉入 中斷處理程序 是 跨進程 的 。

而 在 執行 中斷處理程序 的 過程當中， 若是 又發生了中斷 ， 怎麼辦 ？

好像能夠 嵌套 執行 中斷， 就好像 函數嵌套 同樣， 新的 中斷 發生， 就 轉入 新中斷 的 處理程序， 處理完之後， 再回到 原來的 中斷 處理程序 繼續執行 。

還有就是忽略 中斷 中的 中斷， 這大概是 級別 比較高的 系統核心 中斷 會這麼作。

也許還能夠有 中斷 排隊 。

固然 這些 就是 操做系統 要處理 的 邏輯 。

 

進程調度，

現代操做系統 都是 多進程 多線程 的 架構 。

有的文章說 Linux 裏的 線程 是 小進程， 有的文章說 Windows 裏是以 線程 爲 調度單位 。

無論 小進程 仍是 線程， 咱們 以 線程 來看好了 。

 

咱們這樣來設計 ：

 

系統的 調度 單元 是 線程， 一個進程能夠包含多個線程， 最少會有一個線程 。

進程的 動態性 由 線程 來表現， 進程 做爲一個 靜態的 資源邊界 。

這跟 Windows 比較像吧   ？

 

由於 各個廠商 各個型號 的 設備 的 操做方式 不一樣， 因此 操做系統 定義一個規範， 能夠由 廠商 和 開發者 本身編寫 設備驅動程序， 來支持 設備 。

操做系統 只要 和 設備驅動程序 交互就行 。

而 設備驅動程序 的 規範中 一個 重要的部分 就是 上述 的 中斷原理 。

 

當 CPU 接收到 設備發出的 中斷後， 轉入 中斷處理程序， 但並不須要在 中斷處理程序 中 進行 具體的 處理邏輯， 中斷處理程序 只須要將 負責具體處理邏輯 的 驅動程序 線程 加入 就緒隊列 就能夠， 這樣 驅動程序線程 很快就能夠執行， 進行具體的處理了 。 驅動程序線程 平時 是 掛起（Suspend） 的 狀態 。

 

進程做爲一個 靜態邊界， 主要就是內存裏的 數據段 代碼段 ， 廣義的說， 還有 線程池 等等 資源 。

線程共用 的 堆 和 每一個線程各自 的 棧，  應該都是在 數據段 裏吧  ~~  ？

 

那麼 如何來 調度 進程（線程） 呢 ？

我以爲 平均主義 最簡單，

對於 就緒隊列 裏的 線程， 每一個分配 1000 納秒的 時間片， 這樣 輪流執行， 這樣， 1 秒鐘 能夠 執行 100萬 個 線程 ，  固然 每一個線程 只能 分到 1 個 時間片 。

若是是 1萬 個線程， 那麼 每一個線程 能夠分到 100 個 時間片， 累計時間是 100 微秒 = 0.1 毫秒 。

若是是 1千 個線程， 那麼 每一個線程 能夠分到 1000 個 時間片， 累計時間是 1000 微秒 = 1 毫秒 。

若是是 100 個線程， 那麼 每一個線程 能夠分到 1 萬 個 時間片，累計時間是 1萬 微秒 = 10 毫秒 。

 

固然 這是 理論上的， 並無 把 線程切換 等的 時間花費 算進去 。

 

你們會問， 對於 不怎麼運行的 線程， 平均分配 會不會 被 不怎麼運行 的 線程 佔用比較多的 時間片， 形成浪費 ？

這是由於 Windows （Linux ？） 有一個 「搶佔式多任務」 的 概念 吧， 意思就是 對於 使用時間片 越多 的 線程 就 分配 更多 的 時間片 給它 。

但我以爲這個問題不存在，

不運行的 線程 就 掛起嘛 ， 無論 是 Sleep， 仍是 掛起， Sleep 也是一種 掛起 。

掛起了 就 不佔用 時間片 了 ，因此不存在 浪費 一說 。

對於在 就緒隊列 中的 線程， 均等的給予時間片， 保證 實時響應性 。

 

有一個基本的問題是， 應用程序進程 在 運行時是 佔用了 CPU 的， 那麼， 由誰來調度進程 ？   應用程序進程 怎麼 切換到 其它進程 ？

仍是用上面說的 中斷 的 方法 。

操做系統 會 在 CPU 裏 設置一個 中斷， 咱們能夠稱之爲 「系統中斷」， 能夠設定爲每隔一個時間片（好比 1000 納秒） 發起一次 中斷， 

這是 CPU 本身發出的 中斷，

中斷後， 轉入 系統中斷處理 程序，  即 系統中斷 進程，

在 系統中斷進程 裏， 能夠進行 進程調度，  根據 調度算法，  系統中斷進程 將 CPU 交給 下一個 等待執行的 進程 。

 

在 Windows 的 任務管理器 裏， 能夠看到一個 「系統中斷」 的 進程，  也許就是咱們上面說的 系統中斷進程 吧   ~ ！

在 系統比較繁忙， 好比 開了比較多的 程序 時， 會看到 任務管理器 裏的 「系統中斷」 進程 會佔用 比較多的 CPU， 多是 忙於 虛擬內存 的 頁 載入載出，

若是是這樣的話， Windows 裏的 「系統中斷」 還包含了 虛擬內存 的 功能 。

 

接下來講說 虛擬內存，

虛擬內存 裏， 頁 的大小（Size） 是一個 關鍵 的 參數 。

頁 太大了 很差， 頁 過小了 也很差 。

我提議用 線性表 做爲頁表， 假設有 1M 個 頁表項， 每一個 頁 的大小（Size）是 1M ， 這樣 虛擬內存 空間能夠達到 1M * 1M = 1T ，

如何 ？

 

頁表項 的 內容是 1 當前頁 是在 物理內存 仍是 在 磁盤頁文件， 2 若是在 物理內存， 頁 的 物理內存地址， 若是在 磁盤頁文件， 頁 在 頁文件 裏的 地址（Position） 。

1T 的 地址空間 大概是用 40位 的 地址 能夠表示， 再加上用 一個位 表示 在 物理內存 仍是 磁盤頁文件，  頁表項 能夠用 41 位 來表示，

咱們能夠放寬一點，用 64 位（8 個字節） 來表示，

這樣， 1M 個 頁表項 就佔用 1M * 8 = 8M 的空間， 或者說， 頁表 須要佔用 8M 的空間 。

 

也就是說， 8M 的 頁表 能夠管理 1T 的 虛擬內存 空間 。

線性表 的 優勢 是 查找快 。

 

實際上 頁表項 還能夠再小一點， 由於 頁的大小 是固定的， 因此咱們能夠用 編號 來表示 頁在 物理內存 和 磁盤頁文件 中的位置 。

好比

編號 * 1M = 頁在 磁盤頁文件 中的 位置，

編號 * 1M + 起始地址 = 頁在 物理內存 中的位置，        起始地址 是 物理內存 開始用來存儲 頁 的 地址 

這樣 頁表項 只要有 21 位 就能夠了， 20 位 表示 1M 範圍內的 編號， 1 位 表示 頁 在 物理內存 仍是 磁盤頁文件 。

 

可是這樣 須要多一個計算的過程，就是 上面說的，

 

編號 * 1M = 頁在 磁盤頁文件 中的 位置，

 

編號 * 1M + 起始地址 = 頁在 物理內存 中的位置，        起始地址 是 物理內存 開始用來存儲 頁 的 地址 

 

要 多一次 計算 才能知道 頁在 磁盤頁文件 或者 頁在 物理內存 中的位置 。

 

虛擬內存地址 換算成 物理內存地址  的 算法 是， 虛擬地址 / 除以 頁的大小（Size） ，   商 =  頁的序號，  餘數 = 地址在 頁 裏的 偏移量  。

根據 頁的序號 在 頁表 中 查找 頁表項，

由於 頁表 是 線性表， 因此根據 頁的序號 在 頁表中 查找 頁表項 至關於 查找 數組 。

找到 頁表項 後， 能夠知道 頁 在 物理內存 仍是 磁盤頁文件，

若是在 物理內存， 則能夠知道 頁的 物理地址， 頁的物理地址 + 地址在 頁 裏的 偏移量 = 虛擬地址的換算結果

虛擬地址的換算結果 就是 虛擬地址 對應的 物理地址 。

 

若是 頁 在 磁盤頁文件， 則須要 將 頁 加載 到 物理內存， 再根據上述算法 將 虛擬地址 轉換成 物理地址 。

 

由於 物理內存 空間有限， 因此 將 頁 從 磁盤頁文件 載入 物理內存 的 同時， 也會將 頁 從 物理內存 移除， 載入 磁盤頁文件 。

因此 就存在一個 「命中算法」， 優先載入哪些頁， 優先載出哪些頁， 使得效率更高 。

固然 經常使用的留下， 不經常使用的載出， 這大概是大原則 。

命中算法 其實 隨便怎麼玩均可以， 不是大問題 。

 

如今的 虛擬內存 的 地址轉換 是在 CPU 的 存儲管理部件 中完成的， 也就是硬件完成的， 操做系統 只要設置好 頁表 就好 。

 

我想， 早期 的 虛擬內存 應該是由 操做系統 提供一個 地址轉換 的 原語，

編譯器 在編譯的時候， 對 每次 尋址操做 ， 都編譯成 先調用 地址轉換原語， 將 虛擬地址 轉換成 物理地址， 再 用 物理地址 執行 具體操做 。

這是 軟件方式 實現的 虛擬地址 轉換， 固然 比起 硬件實現 的 方式， 效率比較低 。

這種方式 可能主要 存在於 早期 的 實驗室 裏 。

 

文件系統 是 線性表 + 鏈表 的 經典案例 。

文件 是 連續的 順序的， 因此， 在 磁盤上，咱們也會 連續的 順序的 來 存儲文件 。

但若是 1M 的文件， 磁盤上有 500K 和 600K 這樣 2 個不連續 的 空閒空間， 那要怎麼存儲 ？

固然是把 文件 分爲 2 部分， 每部分 500K， 部分 1 存 500K 的 空閒空間， 部分 2 存 600K 的 空閒空間 。

在 部分 1 的 末尾， 會保存一個指針， 指向 部分 2 的 起始地址 。

 

以此類推， 文件 在 磁盤上的 物理拓撲 是，  一個用 鏈表 方式 鏈接起來的 多個線性表 。

 

這也是 磁盤使用 一段時間後  「磁盤碎片增多， 讀寫效率變低」   的 緣由 。

這一點在 機械硬盤 上 尤其明顯 。

 

這是 文件 的 存儲 。

 

文件系統 還包含 文件 和 目錄 表， 用於（根據名字）檢索 文件 和 目錄 。

文件目錄表 一般會在 磁盤 的 開頭 劃定一塊 固定區域 來 保存 。

文件目錄表 的 格式 和 這塊 固定區域 的 大小 決定了 文件目錄表 最多能 管理 多少個 文件 。

這也是一般咱們會看到    「xx 文件系統 最多 支持 yy 個文件 ，  zz 個 目錄」   的緣由 吧 ！

 

文件目錄表 會採用 索引 來 檢索 文件 和 目錄 。

索引 的 特色 是 檢索 的 時間花費 與 文件（目錄） 數量無關， 只與 文件（目錄） 名字長度 有關 。

 

這也是 Dos 只支持 8個英文字符 的 文件（目錄）名， 而 Windows 支持 很長的 文件（目錄）名 的 緣由吧 。

 

有關 索引， 我在 《我發起了一個 .Net 開源數據庫項目 SqlNet》  http://www.javashuo.com/article/p-gpuysmcv-q.html    一文中有論述 。

 

網絡通訊 的 基礎 是 網卡驅動， 網卡驅動 也是 設備驅動， 設備驅動 的 部分在上文 簡單的 說了 。

網卡驅動 解決了， 網絡通訊 就簡單了，

只要按照 協議 格式 分析數據， 拆包， 將數據 轉發 給應用程序 就能夠了 。

 

操做系統 應該提供至少一個 編譯器， 好比 C 語言編譯器， 這樣 開發者 能夠在 操做系統 上 編寫程序 。

有關 編譯器， 請參考我寫的另外一篇文章 《漫談編譯原理》   http://www.javashuo.com/article/p-fhvkvvhp-hk.html

 

計算機技術發展到如今， 也是 卷帙浩繁， 是個 大工程 。

不過 從 工程學 的角度來看， 也不復雜， 

咱們能夠蓋一座大樓， 就能蓋兩座大樓， 能蓋兩座大樓， 就能蓋三座大樓， 能蓋三座大樓， 就能蓋四座大樓， ……  

蓋十座大樓也是能夠的嘛 。