第一章 引論
多數計算機有兩種運行模式：內核態和用戶態
操作系統運行在內核態（又稱管態、和心態）中，用於對所有硬件的完全訪問權，能使用硬件可以運行的任何機器指令。
其它軟件運行在用戶態，只能使用機器指令中的一個子集，特別禁止運行那些會影響機器的控制或者I/O操作的指令。
但在嵌入式系統（沒有內核態）和解釋系統（基於Java的操作系統，它採用解釋方式而非硬件方式區分組件），上述區別是模糊的。
在許多系統中，一些在用戶態上運行的程序協助操作系統運行特權功能，比如修改密碼的程序，它不是操作系統的一部分，也不在內核態運行，但具有敏感功能。在這類系統中，很難將操作系統與其它軟件劃分開來。
1.1 什麼是操作系統
1.1.1 作爲擴展機器的操作系統
體系結構：指令集、存儲組織、I/O和總線結構
操作系統的任務是創建好的抽象，並實現和管理它所創建的抽象對象
操作系統的一個主要任務是隱藏硬件，呈現給程序（及程序員）良好、清晰、優雅、一致的抽象
1.1.2 作爲資源管理者的操作系統
從這個角度看，操作系統的任務是在相互競爭的程序之間有序的控制處理器、存儲器以及其他I/O接口設備的分配
有兩種方式實現多路複用資源：
- 時間上覆用：當一種資源在時間上覆用時，不同的程序或用戶輪流的使用它。比如多個程序使用一個CPU
- 空間上覆用：每個客戶都得到資源的一部分。比如多個程序分割內存
1.3 計算機硬件介紹
1.3.1 處理器
程序員可見的專用寄存器：
- 程序計數器：保存了將要取出的下一條指令的內存地址，當指令取出後，程序計數器被更新以指向後繼的指令
- 堆棧指針：指向內存中當前棧的頂端。該棧包含了所有執行過程的棧幀
- 程序狀態字：包含了條件碼位、CPU優先級、模式（用戶態或者內核態），以及各種控制位
在多數流水線設計中，一旦一條指令被取進流水線中，它就必須執行完畢，即使前一條取出的指令是條件轉移，它也必須執行完畢。
超標量CPU：在這種設計中，有多個執行單元。比如一個CPU用來做整型算術運算，一個CPU用來進行浮點算術運算。設置一個指令緩衝區，任何執行單元有空閒時，都在緩衝區尋找可執行的指令。這種設計會造成程序的指令經常不按順序執行。
爲了從操作系統獲得服務，用戶程序必須使用系統調用以陷入內核並調用操作系統。計算機使用陷阱而不是一條指令來執行系統調用。
在程序發生異常時，操作系統首先獲得控制權，再檢查程序是否提前宣佈處理該異常，如果有控制權交給程序，如果無，由操作系統處理異常，可能會停止程序，也可能會忽略異常。
多線程（超線程）：多線程允許CPU保持兩個不同的線程狀態，然後在納秒級的時間尺度內來回切換。多線程並不提供真正的並行處理，在一個時刻只有一個進程在運行，但是線程的切換時間減少到納秒數量級
現代GPU擅長處理大量並行的簡單計算，比如在圖像應用中渲染多邊形，它們不太能勝任串行任務嗎，並且很難編程。
1.3.2 存儲器
典型存儲層次結構：寄存器、高速緩存、主存、磁盤
緩存系統都需要儘快考慮的問題：
- 何時把一個新的內容放入緩存
- 把新內容放在緩存的哪一行上
- 在需要時，應該把哪個內容從緩存中移走
- 應該把新移走的內容放在下級存儲器的何處
二級緩存：
- L1緩存：在CPU中，用來將已解碼的指令調入CPU，大小通常爲16KB
- L2緩存：用來存放最近使用的若干兆字節的內存字
二級緩存的差別在時序，對L1的訪問，不存在延時；對L2的訪問。會延時1或者2個時鐘週期
1.3.5 總線
CPU通過DDR3總線和內存對話，通過PCIe總線與外圍圖形設備對話，通過DMI總線經集成中心與所有其他設備對話，而集成中心通過串行總線與USB設備對話，通過SATA總線大於硬盤和DVD驅動器對話，通過PCIe傳輸以太網絡幀
1.3.6 啓動計算機
計算機啓動時，BIOS開始運行。它首先檢查所安裝的RAM數量，鍵盤和其他基本設備是否已經安裝並正常響應。接着，它開始掃描PCIe和PCI總線並找出連接在上面的設備。即插即用設備也被記錄下來。如果現有的設備和系統上一次啓動的設備不同，則新的設備將被配置。
然後，BIOS通過嘗試存儲在CMOS存儲器中的設備清單決定啓動設備。啓動設備上第一個扇區被讀入內存並執行。這個扇區中包含一個對保存在啓動扇區末尾的分區表檢查的程序，以確定哪個分區是活動的。然後，從該分區讀入第二個啓動裝載模塊。來自活動分區的這個裝載模塊讀入操作系統，並啓動之。
然後，操作系統詢問BIOS，以獲得配置信息。對於每種設備，系統檢查對應的設備驅動程序是否存在。如果沒有，則要求用戶插入含有驅動程序的CD-ROM或者從網絡上下載驅動程序。一旦有了全部的設備驅動程序，操作系統就將它們調入內核。然後初始化有關表格，創建需要的任何背景進程，並在每個終端上啓動登錄程序或者GUI。
1.5 操作系統概念
1.5.1 進程
進程本質上是正在執行的一個程序。與進程相關的是地址空間，這是從某個最小的存儲位置到某個最大值存儲位置的列表。在這個地址空間中，進程可以讀寫並存放程序需要的信息。進程基本是容納運行一個程序所需要所有信息的容器。與一個進程有關的信息除了存放在自身的地址空間外，均放在操作系統的一張表中，稱爲進程表，它是數組或者是鏈表結構，當前存在的每一個進程都會佔用一項。
一個進程包括：進程的地址空間（磁芯映像）以及對應的進程表項。
1.5.3 文件
進程和文件都可以組織成樹狀結構，但又幾個不同之處：
- 一般進程的樹狀結構層次不深（很少超過三層），而文件的樹狀結構層次多達四層
- 進程樹層次結構是暫時的，而目錄層次則可能存在數年之久
- 對於進程，只有父進程可以訪問子進程，而在文件和目錄中通常存在一種機制，使文件所有者之外的其它用戶也可以訪問該文件。
在讀寫文件之前，首先要打開文件，檢查其訪問權限。如果權限許可，系統返回一個小整數，稱爲文件描述符，供後續操作使用。如果禁止訪問，系統返回一個錯誤碼。
在UNIX中，有兩類特殊文件：
- 塊特殊文件：可隨機存取的塊組成的設備，如磁盤。
- 字符特殊文件：打印機、調制解調器和其它接受或者輸出字符流的設備。
管道是一種虛文件，可連接兩個進程，兩個進程希望通過管道對話，它們必須提前設置該管道。如果進程發現它所寫入的輸出文件不是真正的文件而是管道，則需要使用特殊的系統調用。
1.5.5 保護
UNIX操作系統通過對每個文件賦予一個9位的二進制保護代碼。該保護代碼有三個3位字段，一個用於所有者，一個用於與所有者同組的其它成員，一個用於其他人。每個字段一位用來標識讀訪問、一位標識寫訪問、一位標識執行訪問。這些位就是知名的rwx位。
rwxr-x—x就是所有者可以讀、寫、執行，同組可以讀、執行，其他人可以執行。
1.5.7 個體重複系統發育
技術的變化會導致某些思想過時並迅速消失，但技術的另一種變化還可能使某些思想再次復活。
這由於此，更重要的是要理解爲什麼一個概念會過時，什麼樣環境的變化又會啓用“過時概念”。
軟件的發展是受制於技術的。