作業系統學習 1
第零章 作業系統介面
1 作業系統介面
1.1 作業系統的工作
- 將計算機資源在多個程式間共享，並且給程式提供一系列比硬體本身更有用的服務。
- 管理並抽象底層硬體。
- 多路複用硬體，使得多個程式可以同時執行（至少看上去是這樣）。
- 給程式間一種受控的互動方式，使程式之間可以共享資料、共同工作。
1.2 作業系統通過介面向用戶提供服務
設計一個好的介面很難。一方面我們希望介面設計得簡單和精準，易於正確地實現；另一方面，又想為應用提供一些更加複雜的功能。
解決這種矛盾的方法：介面的設計依賴於少量的機制 ，而通過這些機制的組合提供強大、通用的功能。
1.3 核心的概念
一個向其它執行中的程式提供服務的特殊程式。每一個執行中的程式（被稱為程序
程序通過系統呼叫使用核心服務。系統呼叫會進入核心，執行服務然後返回。所以程序總是在使用者空間和核心空間之間交替執行。
核心使用了CPU的硬體保護機制，保證了使用者程序只能訪問其自己的記憶體空間。核心擁有實現保護機制所需的硬體許可權，而使用者程式沒有這些許可權。當一個使用者程式進行一次系統呼叫時，硬體會提升特權並且開始執行一些核心中預定義的功能。
核心提供的系統呼叫，其實就是使用者程式可見的作業系統介面，下列了UNIX傳統系統呼叫的一部分，它們是：
| 系統呼叫 | 描述 |
|---|---|
| fork() | 建立程序 |
| exit() | 結束當前程序 |
| wait() | 等待子程序結束 |
| kill(pid) | 結束pid所指程序 |
| getpid() | 獲得當前程序pid |
| sleep(n) | 睡眠n秒 |
| exec(filename, *argv) | 載入並執行一個檔案 |
| sbrk(n) | 為程序記憶體空間增加n位元組 |
| open(filename, flags) | 開啟檔案，flags指定讀/寫模式 |
| read(fd, buf, n) | 從檔案中讀n個位元組到buf |
| write(fd, buf, n) | 從buf中寫n個位元組到檔案 |
| close(fd) | 關閉開啟的fd |
| dup(fd) | 複製fd |
| pipe(p) | 建立管道，並把讀和寫的fd返回到p |
| chdir(dirname) | 改變當前目錄 |
| mkdir(dirname) | 建立新的目錄 |
| mknod(name, major, minor) | 建立裝置檔案 |
| fstat(fd) | 返回檔案資訊 |
| link(f1,f2) | 給f1建立一個新名字(f2) |
| unlink(filename) | 刪除檔案 |
2 程序和記憶體
2.1 程序的組成
一個程序由兩部分組成，一部分是使用者記憶體空間，另一部分是僅對核心可見的程序狀態。
xv6作業系統提供了分時特性：它在可用CPU之間不斷切換，決定哪一個等待中的程序被執行。當一個程序不在執行時，xv6儲存它的CPU暫存器，當他們再次被執行時恢復這些暫存器的值。核心將每個程序和一個pid（process identifier)關聯起來。
2.2 子程序
一個程序可以通過呼叫fork()來建立一個新的程序，fork建立的新程序被稱為子程序，子程序的記憶體內容同建立它的程序（父程序）一樣。fork函式在父程序、子程序中都返回，在父程序中，它返回子程序的pid，在子程序中，它返回0。
2.3 系統呼叫exit
exit會導致呼叫它的程序停止執行，並且釋放如記憶體和開啟檔案在內的資源。
2.4 系統呼叫wait
wait會返回一個當前程序已退出的子程序，若子程序沒退出，wait會等待直到有一個子程序退出。
2.5 系統呼叫exec
exec將從某個檔案（通常是可執行檔案）裡讀取記憶體映象，並將其替換到呼叫它的程序的記憶體空間。這份檔案必須符合特定的格式，規定檔案的哪一部分是指令，哪一部分是資料，哪裡是指令的開始等等。
3 I/O和檔案描述符
3.1 檔案描述符
檔案描述符是一個整數，它代表了一個程序可以讀寫的被核心管理的物件。程序可以通過多種方式獲得一個檔案描述符，如開啟檔案、目錄、裝置，或建立一個管道，或者複製已經存在的檔案描述符。簡單起見，我們常常把檔案描述符指向的物件成為“檔案”。檔案描述符的介面是對檔案、管道、裝置等的抽象，這種抽象使得它們看上去就是位元組流。