05. 练习题

操作系统的四个基本特征是：

1. 并发性（Concurrency）

   • 多个程序或进程在同一时间段内同时执行
   • 通过时间片轮转实现并发
   • 提高系统资源利用率

2. 共享性（Sharing）

   • 系统中的资源可以被多个并发执行的程序共同使用
   • 包括互斥共享和同时共享两种方式
   • 涉及 CPU 时间、内存空间、外设等资源

3. 虚拟性（Virtualization）

   • 通过某种技术将一个物理实体转换为多个逻辑对应物
   • 包括 CPU 虚拟化、内存虚拟化、设备虚拟化
   • 为用户提供比实际硬件更多的资源

4. 异步性（Asynchronism）

   • 程序的执行不是一气呵成的，而是走走停停
   • 以不可预知的速度向前推进
   • 需要同步机制保证正确性

关系：

• 并发性和共享性相互促进，并发执行需要资源共享
• 虚拟性为并发和共享提供了技术基础
• 异步性是并发执行的自然结果

1. 第一代：人工操作阶段（1945-1955）

   • 没有操作系统
   • 程序员直接操作机器
   • CPU 利用率极低（小于 5%）
   • 串行处理，效率极低

2. 第二代：批处理系统（1955-1965）

   • 引入监督程序（Monitor）
   • 批量处理作业
   • 提高 CPU 利用率
   • 减少人工干预

3. 第三代：分时系统（1965-1980）

   • 多用户同时使用
   • 时间片轮转
   • 交互式操作
   • 资源共享

4. 第四代：实时系统（1980-1990）

   • 实时响应
   • 确定性
   • 可靠性高
   • 专用性强

5. 第五代：网络操作系统（1990-2000）

   • 网络连接
   • 分布式处理
   • 资源共享
   • 通信协议

6. 第六代：分布式操作系统（2000-2010）

   • 多计算机协同
   • 透明性
   • 容错性
   • 可扩展性

7. 第七代：嵌入式操作系统（2010-至今）

   • 专用性强
   • 资源受限
   • 实时性要求
   • 功耗优化

内核态（Kernel Mode）：

• 最高权限级别
• 可以执行所有指令
• 直接访问硬件
• 可以修改系统状态
• 典型操作：内存管理、进程调度、设备驱动

用户态（User Mode）：

• 较低权限级别
• 只能执行非特权指令
• 不能直接访问硬件
• 受系统保护
• 典型操作：应用程序执行、用户数据处理

切换机制：

用户态到内核态的切换：

• 触发条件：系统调用、中断、异常、特权指令
• 切换过程：保存用户态上下文 -> 切换到内核态 -> 执行内核代码

内核态到用户态的切换：

• 触发条件：系统调用返回、中断处理完成、异常处理完成
• 切换过程：恢复用户态上下文 -> 切换到用户态 -> 继续用户程序

中断应用场景：

• 时钟中断：用于时间片轮转
• I/O 中断：表示 I/O 操作完成
• 硬件故障中断：处理硬件错误

异常应用场景：

• 页错误：访问不存在的内存页
• 除零错误：除数为零的除法运算
• 非法指令：执行不存在的指令

系统调用是操作系统提供给应用程序的接口，允许用户程序请求操作系统内核的服务。

常见类型：

1. 进程管理：

   • fork()：创建子进程
   • execve()：执行程序
   • wait()：等待子进程
   • exit()：终止进程

2. 文件操作：

   • open()：打开文件
   • close()：关闭文件
   • read()：读取文件
   • write()：写入文件

3. 内存管理：

   • brk()：调整数据段大小
   • mmap()：内存映射
   • mprotect()：设置内存保护

4. 进程间通信：

   • pipe()：创建管道
   • kill()：发送信号
   • shmget()：创建共享内存

单内核结构：

优点：

• 高性能：无进程间通信开销
• 简单性：架构简单，易于理解
• 效率高：内存访问效率高，系统调用开销小

缺点：

• 可靠性问题：一个模块错误可能导致整个系统崩溃
• 可维护性差：模块间耦合度高
• 可扩展性有限：难以添加新功能

适用场景：通用操作系统，如 Linux

微内核结构：

优点：

• 高可靠性：服务隔离，故障不影响整个系统
• 可扩展性：易于添加新服务
• 可维护性：模块独立，易于调试

缺点：

• 性能开销：进程间通信开销，上下文切换频繁
• 复杂性：消息传递机制复杂
• 兼容性：与现有软件兼容性差

适用场景：实时系统、嵌入式系统，如 QNX

应该选择微内核架构，原因如下：

1. 高可靠性：

   • 实时系统对可靠性要求极高
   • 微内核的服务隔离可以防止单个服务故障影响整个系统
   • 便于故障恢复

2. 实时性：

   • 微内核的模块化设计便于实现实时调度
   • 可以针对实时任务优化特定服务
   • 响应时间可预测

3. 资源效率：

   • 微内核可以根据需要加载必要的服务
   • 减少内存占用
   • 适合资源受限的嵌入式环境

4. 可扩展性：

   • 可以根据具体应用需求添加或删除服务
   • 支持动态加载
   • 便于定制化

5. 安全性：

   • 服务隔离提供了更好的安全性
   • 可以实施细粒度的权限控制
   • 适合安全敏感的应用

系统调用实现过程：

1. 参数准备：

   • 用户程序准备系统调用参数
   • 将参数放入寄存器或栈中
   • 将系统调用号放入指定寄存器

2. 调用接口：

   • 通过系统调用接口进入内核
   • 触发从用户态到内核态的切换
   • 保存用户态寄存器状态

3. 模式切换：

   • 切换到内核栈
   • 设置内核态标志
   • 跳转到内核代码

4. 服务执行：

   • 内核验证参数的有效性
   • 检查用户权限
   • 执行相应的内核服务
   • 处理可能的错误

5. 结果返回：

   • 将结果放入指定寄存器
   • 设置返回状态
   • 准备返回用户态

6. 模式恢复：

   • 恢复用户态寄存器状态
   • 切换到用户栈
   • 清除内核态标志
   • 跳转到用户代码

示例（Linux read 系统调用）：

// 用户程序
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count) {
    return syscall(SYS_read, fd, buf, count);
}

// 内核处理
SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count) {
    struct file *file;
    ssize_t ret = -EBADF;

    file = fget(fd);
    if (file) {
        ret = vfs_read(file, buf, count, &file->f_pos);
        fput(file);
    }
    return ret;
}

中断处理过程：

1. 中断检测：

   • CPU 检测到中断信号
   • 确定中断源和中断类型
   • 检查中断是否被屏蔽

2. 现场保存：

   • 保存当前程序计数器（PC）
   • 保存程序状态寄存器（PSR）
   • 保存通用寄存器内容
   • 保存其他相关状态信息

3. 模式切换：

   • 切换到内核态
   • 切换到内核栈
   • 设置中断处理标志

4. 中断服务程序执行：

   • 根据中断号查找中断服务程序
   • 执行相应的中断处理代码
   • 处理中断相关的任务
   • 清除中断标志

5. 现场恢复：

   • 恢复通用寄存器内容
   • 恢复程序状态寄存器
   • 恢复程序计数器
   • 清除中断处理标志

6. 程序返回：

   • 切换到用户态
   • 继续执行被中断的程序