Operating System

操作系统概述

背景回顾：大家已经有多年的操作系统使用经验，也知道 “操作系统” 是一门很重要的课程，但却无法回答 “操作系统到底是什么”、“为什么重要” 这样的问题。我们将在一学期的时间里回答这些问题，并建立操作系统相关的基本概念、思想方法和编程技巧。

本讲内容：个人/课程简介、操作系统的发展历史，回答三个问题：

(Why): 为什么要学操作系统？
(What): 到底什么是操作系统？
(How): 怎么学操作系统？

Take-away Messages
操作系统没有传说中那么复杂 (程序视角：对象 + API，硬件视角：一个 C 程序)

为什么要学操作系统：解锁 “实现一切” 的系统编程能力
什么是操作系统：应用视角 (一组对象 + API)、机器视角 (一个程序)
怎么学操作系统：答案就在代码中

应用视角的操作系统

本讲内容：指令序列和高级语言的状态机模型；回答以下问题：

什么是软件 (程序)？
解决问题

如何在操作系统上构造最小/一般/图形界面应用程序？
不写终止状态的main函数（一个死循环程序减小背后的链接）
操作系统是一个状态机可以通过syscall接管程序，从而改变程序的状态，包括“关闭”

什么是编译器？编译器把一段程序翻译成什么样的指令序列才算 “正确”？
Everything (高级语言代码、机器代码) 都是状态机；而编译器实现了两种状态机之间的翻译。无论何种状态机，在没有操作系统时，它们只能做纯粹的计算，甚至都不能把结果传递到程序之外——而程序与操作系统沟通的唯一桥梁是系统调用 (例如 x86-64 的 syscall 指令)。如此重要的桥梁，操作系统中自然也有工具：strace 可以查看程序运行过程中的系统调用序列。

编译优化？
三板斧：
函数内联：将函数调用替换为函数本身的内容
常量传播：在编译时计算常量表达式的值并替换
死代码消除：删除永远都不会执行到的代码

应用视角（自顶向下）
操作系统 = 对象 + API
应用通过syscall访问操作系统

M1: 打印进程树 (pstree)

硬件视角的操作系统

背景回顾：操作系统有三条主线：“软件 (应用)”、“硬件 (计算机)”、“操作系统 (软件直接访问硬件带来麻烦太多而引入的中间件)”。我们已经理解了操作系统上的应用程序的本质 (状态机)。而程序最终是运行在计算机硬件上的；因此有必要理解什么是计算机硬件，以及如何为计算机硬件编程。

Everything is statemachine

计算机系统的状态机模型：
状态：
内存、寄存器的数值
初始状态：
由系统设计者规定（CPU Reset）
状态迁移：
从PC取指令执行

计算机系统中的固件：Firmware
运行程序前的计算机系统配置
CPU电压、内存时序、接口开关
不严格的说，可以加载操作系统
Fireware：就是一段代码
一个小“操作系统”
Leagacy BIOS (兼容机) -> UEFI(提供更丰富的支持，例如设备驱动)

机器视角（自底向上）
操作系统 = C程序
运行在计算机硬件上的一个普通程序

数学视角的操作系统

数学视角的程序
程序正确性证明的两种方法
1.暴力枚举，写一个driver code运行所有可能的函数调用序列，如果机器和driver都没用bug，程序就是对的
2.写出数学证明

我们的操作系统和程序都可以看成数学对象：
操作系统 = 状态机的管理者
它也是自己的状态机，有自己的状态
于是，我们可以自己定义状态机，自己模拟状态机的运行，做一个“玩具操作系统”

30行模拟操作系统原理
进程
系统调用
上下文切换
调度

操作系统中的对象
状态机
Python代码
初始时，，只有一个状态机main
允许执行计算或read,write,spawn系统调用
一个进程间共享的buffer(设备)
系统调用
read():返回随机的 0 或 1
write(s): 向buffer输出字符串s
spawn(f): 创建一个可运行的状态机f

L0: 为计算机硬件编程

多处理器编程：从入门到放弃

入门：线程模型和线程库

线程模型
C语言状态机
共享所有全局变量
独立的栈帧列表
汇编语言状态机
共享一个地址空间
独立的寄存器
状态迁移：选择任意一个线程执行一步