jyy OS NOTES

Lecture 01 操作系统概述

什么是操作系统

让运行程序变得easy，program之间共享memory，enable I/O，etc.
对单一计算机硬件系统作出抽象、支撑程序执行的软件系统（狭义）
- 计算机（硬件）
- 程序（软件）
- 操作系统（管理软件的软件）

理解操作系统

操作系统服务谁？

程序 = 状态机
课程涉及：多线程Linux应用系统
操作系统为程序提供什么服务？

操作系统= 对象 + API
课程涉及：POSIX + 部分Linux特性
如何实现操作系统提供的服务？
操作系统 = C程序
- 完成初始化后成为 interrupt/trap/fault handler
课程涉及：xv6,自制迷你操作系统

Lecture 02 操作系统上的程序

状态机

数字电路

状态 = 寄存器保存的值（flip-flop）
初始状态 = RESET
迁移 = 组合逻辑电路计算寄存器下一周期的值

#define REGS_FOREACH(_)  _(X) _(Y)
#define RUN_LOGIC        X1 = !X && Y; \
                        Y1 = !X && !Y;
#define DEFINE(X)        static int X, X##1;
#define UPDATE(X)        X = X##1;
#define PRINT(X)         printf(#X " = %d; ", X);

int main() {
  REGS_FOREACH(DEFINE);
  while (1) { // clock
    RUN_LOGIC;
    REGS_FOREACH(PRINT);
    REGS_FOREACH(UPDATE);
    putchar('\n'); sleep(1);
  }
}

程序也是状态机
- 状态 = 堆 + 栈
- 初始状态 = main的第一条语句
- 迁移 = 执行一条简单语句

非递归hanoi，手动模拟栈帧

typedef struct {
  int pc, n;
  char from, to, via;
} Frame;

#define call(...) ({ *(++top) = (Frame) { .pc = 0, __VA_ARGS__ }; })
#define ret() ({ top--; })
#define goto(loc) ({ f->pc = (loc) - 1; })

void hanoi(int n, char from, char to, char via) {
  Frame stk[64], *top = stk - 1;
  call(n, from, to, via);
  for (Frame *f; (f = top) >= stk; f->pc++) {
    switch (f->pc){
      case 0: if (f->n ==1) {printf("%c -> %c \n", f->from, f->to); goto(4);} break;
      case 1: call(f->n - 1, f->from, f->via, f->to); break;
      case 2: call(       1, f->from, f->to, f->via); break;
      case 3: call(f->n - 1, f->via, f->to, f->from); break;
      case 4: ret();
      default: assert(0);
    }
  }
}

二进制程序
- 状态 = 内存M + 寄存器R
- 初始状态 =
- 迁移 = 执行一条指令

程序的本质

计算
调用操作系统 syscall
- 把（M,R）完全交给操作系统，任其修改
- 实现操作系统中的其他对象交互

操作系统中的一般程序

操作系统收编了所有的硬件/软件资源

只能使用操作系统调用的方式访问操作系统中的对象
这是为“管理多个状态机”必须的

系统中常见的应用程序

Core Utilities
- standard programs for text and file manipulation
- GNU Coreutils
系统/工具程序
- bash，binutils，apt，ip，ssh，vim，tmux，jdk，python，...
- Ubuntu Packages
其他各种应用程序
二进制程序状态机的初始状态是什么？
- main()之前发生了什么
  - ld-linux-x86-64.so加载了libc
  - 之后libc完成了自己的初始化
- strace 看到程序执行的系统调用
```
strace -f gcc a.c
strace ./a.out
```

程序运行

程序 = 状态机 = 计算 -> syscall -> 计算 ->

被操作系统加载
- 通过另一个进程执行execve设置为初始状态
状态机执行
- 进程管理： fork，execve，exit，...
- 文件/设备管理： open，close，read，write，...
- 储存管理： mmap，brk，...
直到_exit(exit_group)推出

Summary

程序 = 状态机
- 源代码S：状态迁移 = 执行语句
- 二进制代码C: 状态迁移 = 执行指令
- 编译器C = compile(S)
应用视角操作系统
- 就是一条syscall指令
计算机系统不存在玄学;一切都建立在确定的机制上
- 理解操作系统的重要工具v： gcc，binutils，gdb，strace

Lecture03 多处理器编程

并发程序的状态

existing, happening, or done at the same time. Different parts or units of a program, algorithm, or problem to be executed out-of-order or in partial order, without affecting the final outcome. (系统调用是最早的并发程序)

并发程序的基本单位: 线程

共享内存的多个执行流
- 执行流拥有独立的栈帧链（局部状态）
- 共享全部的内存（共享内容/全局变量）

Lecture 01 操作系统概述

什么是操作系统

理解操作系统

Lecture 02 操作系统上的程序

状态机

程序的本质

操作系统中的一般程序

系统中常见的应用程序

程序运行

Summary

Lecture03 多处理器编程

并发程序的状态

并发程序的基本单位: 线程

线程库 thread.h

多线程带来的麻烦