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Hidden World Beneath Your Code

约 2060 个字 17 行代码 7 张图片 预计阅读时间 14 分钟

Abstraction

Abstraction is the process of generalizing concrete details, away from the study of object and systems, to foucs attention on details of greater importance

抽象就是当我们思考和操作时，并不关心具体使用的是哪一个（对象或实现）。换言之，抽象是专门化的对立面。

抽象化的计算机结构：

  • 问题（Problem）计算机想要解决的问题
  • 算法（Algorithm）将问题转换成算法描述语言
  • 程序（Program）利用编译器实现算法
  • 操作系统（Operating System） 程序如何在OS上实现
  • ISA 指令集架构 x86 RAM
  • 微架构 （Microachitecture）CPU
  • 逻辑电路 （Logic）如何实现CPU设计
  • 电路（Circuits）

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CPU 的抽象结构：

  • 寄存器（Register）：存储程序所需数据，用于CPU访问
  • ALU：计算单元
  • 控制单元：控制CPU执行

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一般而言，所处体系越高，存储量越小，但访问速度比较快，所处体系越低，存储量也越大，但此时访问速度比较蛮。因此权衡存储和访问速度是一个关键的问题

内核：

  • Win：NT
  • macOS，iOS:Darwin
  • Linux，Android：Linux

Operating System

没有什么能比自己写个内核更能加深对操作系统的理解了

Operating System is resource abstractor and resource allocator：OS 管理硬件资源，并将其包裹成抽象的层，对应用程序提供一个接口，也是资源的分配者。

抽象角度的看内核代码：

C
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void processEvent(event){
    switch(event.type)
        case NETWORK_COMMUNICATION:
            NetworkManager.handleEvent(event);
            break;
        case SEGMENTATION_FAULT;
        case INVALID_MODE:
            ProcessManager.handleEvent(event);
            break;
}

通俗来说：OS 等待事件（events）的发生，待发生后调用处理事件的代码。

Traps

在 RISC-V 架构中，有两种特殊的events，成为 Traps，这会让处理器从当前程序跳转到另一个程序（Handler）中处理某些特定的情况。

  • Interrupts：external asynchronous events 外部异步中断事件，并不是由当前正在执行的指令直接引发的
  • Exceptions：unusual condition occuring at instruction run time 指令有问题，在指令执行过程中遇到某种特殊或非法的情况

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当一个 Trap 发生时，控制流跳转 Exception Handler，执行异常处理，然后返回用户程序。这个过程实质上一种控制权从用户空间(User Mode)转移到内核空间(Kernel Mode)的过程。

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为了防止用户程序影响计算机本身，需要对程序的权限做出限制。系统安全是一个很重要的事情。通常的做法在 CPU 添加 mode （模式位），mode 会限制调用 CPU 的权限，mode bit 用于表示权限级别，用户程序权限一般为 0，操作系统的权限比较高。DOS 系统中并没有区分用户程序和OS。

System call

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但是有些时候，用户程序还是需要一定的权限进行操作，如访问 CPU、磁盘等，因此系统提供了系统调用 (System call)，用于处于组件与用户之间的互动。用户在进行系统调用时，通过传递一个系统调用编号，来告知内核，它所请求的系统调用，内核通过这个编号进而找到对应的处理系统调用的函数。这个行为很像 API ，实际上一些标准库对 system call 进行了封装处理，然后以 API 形式提供给用户，每一个系统调用对应着封装的 API，但翻过不一定，因为一些 API 将多个系统调用组合使用。常见的如 C 语言中的 malloc 函数调用了一定内存空间。

System Calls：When a user program needs to do something privileged, it calls a system call. A system call is a special kind of trap.

C
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void processEvent(event){
        ...
        case SYSTEM_CALL:
            SystemCallManager.handleEvent(event);
            break;
        ...
}

OS 需要一直保持对 CPU 的控制权，程序不能陷入无限循环并锁死整个计算机，也不能占用不公平的计算资源；内核重新获得控制权的一种方式是通过中断的发生；

例如，为了防止出现死循环，在 CPU 中内部装一个定时器（Timer）：定时发送时间中断，确保操作系统获得计算机的使用权。

Process

进程调度：时间中断切换程序，当时间切换足够快时，可以视作两个程序同时跑（单核CPU）

A process is a program in execution, a unit of resource allocation an protection

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当一个程序运行时，操作系统会为它分配独立的地址空间，包括代码、数据、栈和堆等内存区域，这些构成了进程的完整运行状态。

进程在内存中的布局结构：

  • 代码：Text section, initially stored on disk。也就是存储程序的机器指令，从磁盘加载，只读。
  • 数据段
    • BSS：Uninitialized data 未初始化的数据如 int a
    • Data：Initialized data 初始化后的数据如 int a =5
  • 栈：Function frames, local variables 存放函数调用过程中的局部变量、返回地址、参数等。向下增长（地址从高到低），如图中箭头所示。每一次函数调用，都会新建一个栈帧，记录该次调用的信息
  • 堆：Dynamic memory allocation 用与动态内存分配，向上增长，需要手动申请和释放

一般而言栈和堆不会撞车。

一个进程还包含其运行时的“上下文”，这是让操作系统能随时挂起/恢复进程的关键：

上下文（Context）

  • Program Counter：指向下一条即将执行的指令
  • Content of the processor's registers

下面是一段程序执行过程中内存分配情况。

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Process Scheduling

当有多个进程处于就绪状态时，操作系统需要一个策略来选择其中一个进程运行，这个选择过程就叫做进程调度（Process Scheduling）。

特点：

  • Non-preemptive：The process must finish its execution before the OS can schedule another process. 一般而言，上一个进程结束执行后 OS 才会调用下一个进程
  • Preemptive：The OS can interrupt a process to schedule another one OS也能打断一个进程来调度另一个进程，这种情况是让某些进程优先执行（如需要的时间比较短的进程）
    • Round Robin
    • Priority-based

Also decide which process to run on which core （Control by Core Affinity）

Inter-Process Communication

每个进程都有自己独立的系统资源，彼此隔离，为了实现不同进程之间的资源访问和协调工作，需要使用进程间通信（Inter-Process Communication）。

Message Passing 是一种进程间通信机制，两个进程通过操作系统提供的接口，发送和接受结构化的消息，实现数据交换和协作，常见的机制有：

  • Message Queue：系统维护一个消息链表，进程将消息发送到队列。
  • Socket：本地或网络通信同一接口

IPC 虽然功能强大，但缺点是其开销大，实现复杂。

  • Due to isolation, processes do not share address space：由于进程间相互隔离，每个进程有自己独立的内存空间，所以它们不能直接访问对方的数据，这就导致通信变得复杂
  • For message passing：
    • Need to maintain a message queue for each process：操作系统必须为每个进程维护消息队列，用于临时保存消息。这不仅增加了内存开销，还增加了内核管理负担。
    • Data need to be copied between address spaces：消息从一个进程发出后，需要从发送者的地址空间复制到内核，然后再从内核复制到接收者地址空间，这两个拷贝会带来明显的性能损耗（称为「双拷贝开销」）。
  • For shared memory：
    • Synchronization is needed：多个进程同时访问共享内存时可能会产生竞争条件（Race Condition），所以必须引入同步机制（比如互斥锁、信号量）来确保读写的正确性
    • It’s complex for OS to manage
  • Must flush cache when switching between processes ：每个进程有自己的虚拟地址空间，但是 CPU 的缓存是基于物理地址或虚拟地址实现的。如果两个进程使用相同的虚拟地址（但映射到不同的物理内存），而缓存没被清空，会导致缓存别名问题（cache aliasing） ，出现错误的读写结果。因此，在切换进程时，系统可能必须清空缓存以保证内存访问正确性，这带来了严重的性能开销。