最近计划学习 Udacity 上的课程：Introduction to Operating System.

由于是学习笔记，内容中的谬误不可避免，敬请斧正。

操作系统简介

操作系统是应用层与硬件层之间的桥梁，主要起到两个作用：

• 对底层硬件进行抽象，方便应用层调用。
• 对硬件资源进行分配，高效利用系统资源。

操作系统实例

• 桌面操作系统
• Windows
• Unix based Systems
  • macOS
  • Linux
• 手机操作系统
• Android
• iOS
• Symbian

操作系统组成部分例子

抽象(abstrations)：

• 进程(process)
• 线程(thread)
• 文件(flie)
• 套接字(socket)
• 内存页面(memory page)

方法(mechanisms)：

• 创建(create)
• 规划(schedule)
• 打开(open)
• 写入(write)
• 分配(allocate)

协议(policies)：

• least-recently-used(LRU),earlist
• deadline first(EDF)

操作系统设计原则

• 方法与协议分离(separation of mechanism and policy)
• 灵活运用不同方法支持不同协议
• 例如：对内存管理使用 LRU EDF 等协议
• 优化普通场景
• 操作系统会在什么场景下被使用
• 用户会在机器上执行什么

操作系统隔离

• 用户层(user level)，非特权层(unprivileged)
• 内核层(kernel level)，特权层(privileged)

操作系统直接操作底层硬件，因此必须在内核层。

操作系统会对应用进行隔离，保证在用户层的应用不能随意操作硬件，不能随意读写其他应用的内存。

系统调用

System Call，系统调用，指应用通过操作系统调用系统资源。

• User Mode 执行应用程序
• 进行系统调用
• 切换到 Kernel Mode
• 执行系统调用
• 切换回 User Mode
• 系统调用返回

进行系统调用的应用必须：

• 写入调用参数
• 在指定位置保存相关数据
• 进行系统调用

系统调用可以同步调用，也可以异步调用。

从 User Mode 转换到 Kernel Mode 的开销较大，因为需要向 Cache 中写入相关数据，切换 CPU 上的 Mode Bit.

庞大的操作系统(Monolithic OS)

Monolithic OS 将所有可能用到的 Abstractions, Mechanisms and Policies 全部打包，在需要的时候使用。

优点：

• 功能全面。
• 便于编译时优化。

缺点：

• 内存消耗大。
• 代码冗余。

模块化操作系统(Modular OS)

通过底层的进一步抽象，只要是实现了特定接口(interface)的程序都能作为模块(module)接入系统。

优点：

• 模块化便于维护。
• 代码简单，浪费资源少。

缺点：

• 可能减少了优化机会。
• 可能依然难以维护。

模块化是现在的主流。

微内核(microkernel)

微内核设计，将 Kernel 层进一步精简，而将我们通常认为是操作系统组成部分的 File System, Drivers 等放在 User 层运行。

优点：

• 简单短小。
• 便于调试、保证正确性。

缺点：

• 兼容性。
• 应用的复杂性。（抽象不足导致底层暴露）
• 层间调用频繁，性能下降。
• 对硬件要求高，往往需要特殊适配。

在嵌入式设备等场景可能有较多应用。

Linux架构

从上到下，依次为：

• 用户层
• 应用层
• 标准库层
• 系统层
• 硬件层

macOS架构

基于 BSD.

课程总结：

What is an OS: the bridge between applications and hardware.

OS Examples: Windows,macOS,Linux Android,iOS,Symbian

OS Components: abstractions, mechanisms, policies

System Call: transition between privileged mode and unprivileged mode.

Monolithic OS and Modular OS

Microkernel

Linux Architecture and macOS Architecture.