計算機作業系統掃盲

reggie發表於2021-07-27

計算機作業系統

最近又看了下《計算機作業系統設計與實現第三版》寫一份總結給自己當做對作業系統的掃盲吧。
以下內容純粹是自己個人的理解與整理。

計算機的組成

首先最底層是硬體裝置（主機板硬碟電子元件記憶體條 CPU 顯示卡等等）至於最底層的硬體是怎麼工作的就不知道了（因為牽扯到電氣工程學想想老愛因斯坦也折騰過這些玩意一輩子估計也學不完）
硬體裝置上是微結構體（比如CPU裡的暫存器）就是這些東西接受電氣訊號來操作硬體的
在上面就是機器語言彙編一類的吧用來傳送資訊操控硬體
在機器語言上面就是作業系統（Windows.Linux等）作業系統其實就是封裝了對底層硬體的操作
留出一些基本的介面給外面好讓程式猿這群生物來做開發設計不用老是考慮硬體的東東不然累死他們了啊
作業系統上面是系統應用（比如shell 編譯器等等）這些都是不可更改的
在上面就是我們用的使用者級應用了（比如QQ 網易雲音樂..）這些都是為了解決某些實際或者滿足某些需求而設計的應用

作業系統的概念

作業系統提供了一系列服務和介面讓使用者程式可以很方便的呼叫底層硬體（這些介面服務稱為系統呼叫 System Call）
作業系統還提供資源管理的功能包括分配磁碟跟蹤記錄磁碟塊等不然怎麼保證每次操作的資料完整和可靠

程式的概念

程式簡單點講就是一個正在執行的程式他會有一塊記憶體地址他可以操作這塊記憶體讀寫等這塊記憶體中存有他的程式、程式資料、堆疊
當程式被掛起後在恢復的時候要能接著他上次掛起時候的狀態繼續執行才能保證整個程式的完成是怎麼做的呢？作業系統中有一張表稱為程式表（process table）這個表裡記錄了每個程式的資料外的所有資訊(程式資料是在他佔用的記憶體裡啊！！)
被掛起的程式主要有2個資訊
1. 程式的地址空間稱為核心映像 core image
2. 程式表項包含暫存器值和其他資訊
一個程式可以建立一個或多個其他程式(稱為子程式) 這些子程式又可以建立他們自己的子程式這樣就行程了一棵樹如下圖
有時這些程式間需要互相通訊訪問資料等這種通訊稱為程式間通訊 interprocess communication

檔案

作業系統有一個主要功能就是遮蔽磁碟和其他IO操作的細節
給程式猿提供一個簡潔與裝置無關的檔案模型
很顯然系統需要幫我們處理很多
這時設計的系統呼叫有建立檔案刪除檔案讀取檔案寫入檔案等
在讀一個檔案前還需要開啟檔案在操作完後還需要關閉他這些都需要相應的系統呼叫來完成操作
當我們需要使用系統呼叫來建立一個目錄以及把某一個檔案放到一個指定目錄或者刪除一個指定目錄的檔案這樣就得到一個層次結構也就是檔案系統

程式和檔案樹的區別

程式樹的層次結構一般不會太深 3層已經很多了，而檔案樹的層次可以很深6層+都有
程式間的層次結構是短暫的一般幾分鐘執行完就關閉了，而檔案樹的層次結構會很久幾年都可以
在所有者和保護方面程式只有父程式可以訪問控制子程式，而檔案和目錄除了所有者別的使用者也可以訪問

檔案系統

以Minix3系統為例檔案和目錄的保護機制是有一個11位的二進位制碼來保護的。
保護碼包含三個3位的域分別來描述其所有者、同組使用者、其他使用者的訪問許可權。
這一個3位域分別由1位標識讀取許可權 1位標識寫的操作許可權 1位標識執行的許可權
也就是傳說中的 rwx 其中x的可以執行許可權一般來講就是可以訪問可以搜尋之類
在對一個檔案程式讀寫的時候系統需要先開啟他這個時候需要程式訪問許可權的判斷
如果訪問許可權是允許的這個時候將會返回一個整數稱為檔案描述符如果沒有訪問許可權將會返回一個錯誤碼（-1）
檔案系統的掛載對於大多數個人計算機而已都配有一個CD-ROM去東區（類似光碟機的玩意）
還是以Minix3系統為例作業系統允許將光碟機上的檔案掛載到主檔案樹上。
在進行mount掛載系統呼叫之前在硬碟上一個根檔案系統在CD-Rom上也有一個檔案系統這2個還沒掛載的時候是互相對立互不干擾的。
在沒有掛載的時候CD-ROM中的檔案也是不能訪問的 (因為沒有路徑啊)。
程式猿可以使用mount系統呼叫吧CD-ROM下的檔案掛載到根檔案系統的任意一個位置如下圖

這個圖展示了把驅動中的 x 和 y 掛載到 b 目錄下
裝置檔案（special file）裝置檔案的目標是使IO裝置操作起來更類似檔案。
這樣對裝置的讀寫就可以和檔案讀寫呼叫相同的系統呼叫。
裝置檔案分為2類
1. 一是塊裝置檔案（block special files）
2. 一個是字元裝置檔案（character special files）。
裝置檔案描述的是以隨機訪問資料塊為單元的裝置比如硬碟。
字元裝置檔案是以字元流方式進行操作的檔案比如印表機等一般裝置檔案都存在/dev目錄下比如/dev/lp 就可能是一個印表機
管道（pipe）管道是一種用來連線2個程式的虛擬檔案
比如下圖如果程式A想要和程式B通訊

首先要建立一個管道然後程式A把資料輸出到管道中程式B在從管道中把資料讀取出來這樣就完成了通訊。
一個程式想要判斷他輸出的是普通檔案還是管道需要一個特殊的系統呼叫
命令直譯器 shell 他是終端使用者和作業系統之間的主要介面 shell分為2種
第一種是圖形介面shell 如CDE GNOME KDE XFCE等
第二種是命令列shell 如果bash sh ksh csh等

他們都來源最初的 sh 當使用者登入系統(伺服器)的時候同時將啟動一個shell
他以終端作為標準的輸入輸出然後顯示一個系統提示符比如熟悉的美元 $ 符號標識等待接受一條使用者的命令
這時比如使用者輸入了date 那麼shell將會建立一個子程式來執行date程式並等待子程式的執行結束。
當子程式執行結束後會再次顯示系統提示符等待使用者輸入。

透過使用管道可以把一個程式的輸出結果當作另外一個程式的輸入。
比如: cat file1 file2 file3 | sort > /dev/lp 這條命令先呼叫cat程式把3個檔案進行了合併
然後呼叫sort程式把合併結果傳進來進行排序然後把排序結果重定向到了/dev/lp 這正是印表機的裝置檔案

另外還可以在一條命令的最後加上一個 “&” 符號表示不等待程式的執行結束直接顯示系統提示符
可以直接執行別的程式上一個帶&沒執行結束的程式將當作後臺程式執行