前言
心裏一直懷揣着做個自己的操作系統的想法。
操作系統概念
一個操作系統，上能接用戶與應用，下能接裸機與虛擬。有下面三大方面的功能：
- 作爲系統資源管理者：文件管理、設備管理、存儲器管理、處理器管理
- 交互：命令接口、程序接口（系統調用）、GUI
- 虛擬/抽象層
關於系統調用，有設備驅動：設備的請求、釋放、啓動。
有文件管理：文件的讀、寫、創建、刪除。
有進程控制：進程的創建、撤銷、阻塞、喚醒。
有進程通信：進程間的消息傳遞、信號傳遞。
有內存管理：完成內存的分配、回收。
簡單點講，操作系統是個將CPU映射成進程、將磁盤映射成文件、將內存映射成地址空間的東西。
Shell
這是層殼，隔離用戶與操作系統。作爲交互的接口、界面等作用。
最早的操作系統——批處理系統、監控程序
- 單道批處理系統：操作系統本身也是程序，最早的操作系統就是一個監控其他程序運行的程序。
- 多道批處理系統：普通的單道程序處理只允許一個程序從頭到尾執行完畢後，纔開始另一個程序。而多道批處理運行多道程序交替執行。從而比起單道程序更大程度利用系統資源
中斷種類
多道程序併發執行本質：發送中斷需要操作系統介入，開展管理工作（用戶態轉爲內核態）
中斷分爲外中斷與內中斷。
外中斷就是IO信號等。
內中斷就是指令中斷、強迫中斷（軟件中斷或硬件故障）
內中斷或者是陷入(trap)、故障(fault)、終止（abort）。
陷入
陷入trap,或者叫陷阱。陷入指令是彙編指令，在用戶程序使用庫函數時，庫函數內部封裝了系統調用System calls
在彙編層面上，在執行系統調用進入內核態前，會執行一種陷入指令（trap指令，訪管指令），之後CPU控制權會交給操作系統。然後就會在內核態執行系統調用的特權指令了。
陷入指令是特殊的只能在用戶態下執行的指令，並且是特殊的不能再內核態（核心態）下執行的指令。
分時操作系統—— 多用戶交互
之前的操作系統不能交互，這就只能寫個程序，等執行完才能再操作。
於是分時操作系統CTSS出現了，這個系統會按固定的時間片的分配，循環給不同的用戶分配使用時間與系統資源。
用戶態與核心態
控制指令中，設計內存、設備、IO等系統資源的操作或是別的特殊操作的時候，這時候使用的就不是普通指令，使用特權指令。特權指令在覈心態（kernel mode）又叫管態下使用，普通指令在用戶態（User mode）又叫目態下使用。
區分用戶態與核心態靠PSW，程序狀態字。
內核
內核中執行核心態相關指令。
內核處理的事有
- 時鐘管理
- 中斷處理
- 原語（不可分割的原子操作，一直執行或者一直不執行）：CPU切換、設備驅動
- 系統資源管理：進程管理、存儲器管理、設備管理
內核有微內核與大內核。
原語
原語不允許中斷，是不可分割的操作，所以叫原子操作。運行在kernel mode下。
進程
在沒有線程的情況下，進程是資源分配、調度的基本單位。一個進程控制一個程序，系統可以在不同的進程間切換。
進程有一個頭，叫執行上下文（execution context）或進程狀態（process state）或進程控制塊（process control block）
下面兩塊中，一個是程序塊，存放代碼。一個是數據塊，存放程序運行的中間數據。
PCB信息
- 進程描述信息：進程標識符PID、用戶標識符UID
- 進程控制和管理信息：進程當前狀態、進程優先級
- 資源分配清單：程序段指針、數據段指針、鍵盤、鼠標
- 處理相關信息：各種寄存器值
進程組織方式
進程可以通過鏈接或者索引組織到一起。
- 鏈接指的是按進程狀態將PCB分爲多個隊列，OS擁有指向各個隊列的指針。
- 索引是建立幾張索引表。OS擁有各個索引表的指針。
- 這兩個組織方式中的指針都有三種，執行指針（掛一個運行狀態的PCB），就緒隊列指針（掛一條隊列鏈表，或者掛一張索引表），阻塞隊列指針（和就緒的很像）
進程狀態轉換——五狀態模型
進程狀態有
運行(Running，處理器√，其他資源√)
就緒(Ready，處理器×，其他資源√)
阻塞(Waiting，處理器×，其他資源×)
創建(New)
終止(Terminated)
- 創建是創建一個PCB，一個PCB就可以當做是一個進程。就緒就是準備了其他資源，然後PCB被放入一個就緒隊列。系統從隊列中依次執行一個PCB，執行完一次的要麼釋放掉，要麼放入阻塞隊列，等待進入下一個就緒。
進程控制
進程控制通過原語/原子操作。因爲這時候是不允許中斷的。
比如，首先關中斷，然後執行原語操作，此時是不允許打斷的，之後再開中斷。
在這個原語操作中間，就可以執行更新PCB信息：修改進程狀態標誌、將運行環境保存到PCB中、從PCB中恢復運行環境。
將PCB插入隊列和分配/回收資源。
進程通信
進程通信有三個方法，分別是共享存儲、消息傳遞、管道通信。
共享通信
共享通信又有兩種，基於數據結構和基於存儲區。都是一個道理，是通過共同的存儲位置來通信。兩個進程對共享空間的訪問必須互斥。
消息傳遞
消息傳遞分兩種，直接和間接。消息包由消息頭（發送進程ID，接收進程ID，消息類型）和消息體組成。
直接通信是把自己進程生成一個消息包，然後把這個消息包掛到另一個進程的消息隊列上。等待對方讀取。
間接通信是把消息包放到一個共享空間中，隨便放。然後另一個進程自己去找就行。
管道通信
管道通信是用於連接讀寫進程的共享文件，是固定大小的緩存區。管道通信和共享存儲不同的是，只允許單方向的通信。同樣，這個讀寫也是互斥的。
管道通信有下面三個約定：
- 一邊的進程寫滿了，另一邊的進程才能讀
- 一邊的進程讀完了，另一邊的進程才能寫
- 因爲讀了的內容會被清除，所以一個管道只能有一個進程讀
線程
一個進程可以擁有多個線程，線程可以理解爲輕量化進程。線程也有ID，也有線程控制塊TCB。
有了線程後，進程成爲了資源分配的基本單位，線程是調度的基本單位。傳統進程間併發，需要切換進程運行環境時，系統資源開銷大。引入線程後，同一進程內線程的切換，不需要切換運行環境，系統資源開銷小。
- 用戶級線程 User-level Thread
由應用程序通過線程庫實現。所有的線程管理工作都由應用程序負責。在用戶態下完成，無需操作系統干預。 - 內核級線程 Kernel-level Thread
內核級線程的管理由操作系統的內核完成，線程調度、切換等工作由內核負責，因此內核級線程的切換必然需要在內核態下才能完成。
- 多線程中，往往就是將內核級線程與用戶級線程混在一起用的。