这门课会按讲次持续整理。每一篇都只保留和操作系统原理直接相关的内容，像课程目标这类和知识理解关系不大的部分会略去。
这里记录的是我对课堂内容的理解和重写。后续讲次会继续放在这个目录下面，读者可以先从目录页进入，再按讲次顺着看。
调度器到底在决定什么 在单核处理器上，同一时刻只能有一个可运行实体真正执行。就绪队列中可能同时存在多个进程，调度器需要决定： 下一个运行哪个进程； 当前进程运行多久； 什么时候因为阻塞、完成或定时器中断重新选择； 如何让短任务尽快完成，同时避免长任务长期得不到处理器； 多个处理器核心存在时，任务应该放在哪个核心上。 调度不是单纯的排序问题。进程切换需要保存和恢复寄存器状态，还可能破坏处理器缓存中的局部性。因此，调度器要在响应时间、周转时间、公平性和切换开销之间作出取舍。 flowchart LR arrive["进程到达"] --> ready["就绪队列"] ready --> choose["调度器选择"] choose --> running["占用 CPU"] running --> finish["完成"] running --> block["等待 I/O 或事件"] running --> preempt["时间片用尽，被抢占"] block --> ready preempt --> ready 先固定一组工作负载 为了比较不同策略，先使用同一组进程。每个进程只包含一个 CPU burst，不在运行期间发起 I/O。 进程 到达时间 CPU burst A 0 3 B 2 6 C 4 4 D 6 5 E 8 2 本文采用以下约定： 这是单核处理器； 新进程在对应时刻的调度决策前进入就绪队列； 同一时刻需要打破平局时，优先考虑更早进入队列的进程； A(0-3) 表示进程 A 在时间区间 [0, 3) 运行； 不考虑上下文切换耗时，时间单位可以理解为抽象的处理器时间单位。 现实中的 I/O-bound 进程可以拆成多个 CPU burst。每个 burst 结束后，进程进入阻塞状态；I/O 完成后重新回到就绪队列。 ...
引言 一台计算机的 CPU 在某一时刻只能执行有限数量的指令，但操作系统需要同时管理许多进程。用户通常不会感知到某个进程何时获得 CPU、何时暂时停止，也不需要手动保存和恢复程序状态。操作系统通过 CPU 虚拟化（CPU Virtualization）提供了“每个进程都拥有自己的 CPU”的抽象。 这里的“虚拟化”不是给每个进程分配一颗独立的虚拟处理器。进程的指令仍然直接运行在真实 CPU 上，操作系统只是通过时间共享（Time Sharing）让不同进程交替运行，并在切换时保存和恢复它们的执行状态。 要实现这个抽象，需要回答三个问题。 应用程序怎样以受控方式请求操作系统服务？ 操作系统怎样从一个进程切换到另一个进程？ 如果进程不主动让出 CPU，操作系统怎样重新取得控制权？ 这三个问题分别对应系统调用、上下文切换和中断机制。 系统调用：受控地请求操作系统服务 应用程序运行在用户态（User Mode）时，只能执行受限制的操作。访问文件、创建进程、申请更多内存和操作设备等服务通常需要操作系统代表应用完成。应用通过系统调用（System Call）进入内核，请求内核执行这些受保护的操作。 flowchart LR A[应用程序] --> B[API] B --> C[系统调用封装] C --> D[陷阱指令] D --> E[内核态] E --> F[系统调用处理函数] F --> G[返回用户态] G --> A 多数程序不会直接写出具体的系统调用指令，而是通过较高层的应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）完成。例如，C 运行时库可以提供 malloc()、fopen()、fread() 和 fclose() 等函数。函数内部是否需要系统调用，以及具体使用哪个系统调用，由运行时库和操作系统实现决定。 API 的价值在于隐藏了操作系统接口的细节。调用者只需要知道函数的参数、返回值和语义，不必了解当前系统怎样编号系统调用、怎样切换到内核态，也不必为每种处理器分别编写底层指令。Windows 常见的接口包括 Win32 API；Unix、Linux 和 macOS 等系统通常提供符合 POSIX 风格的接口。 需要区分 API 函数和系统调用本身。一个名称看起来像系统服务的函数，可能只是用户态的普通函数。例如，程序可以自行定义一个名为 open() 的函数，它并不会因此自动进入内核。只有当函数最终执行了系统调用指令，或者通过其他机制请求内核服务时，才会发生真正的用户态到内核态转移。 陷阱和系统调用处理 系统调用通常通过陷阱（Trap）进入内核。陷阱是一种由软件主动触发的控制转移机制。不同处理器架构提供的指令名称可能不同，例如 x86 中的 INT、SYSCALL 和 SYSENTER。 ...
引言 操作系统要实现 CPU 虚拟化（CPU virtualization），首先必须回答一个基础问题：怎样把一个静态的可执行文件，表示成一个可以被调度、暂停、恢复和终止的运行实体？ 答案就是进程（process）。进程并不只是“正在运行的程序”这一句简单定义，而是操作系统对一次程序执行所做的完整抽象。它把代码、数据、CPU 执行现场和已经取得的系统资源组织为一个可管理的单位，使多个程序能够在有限的处理器上交替推进。 程序与进程 程序（program）通常是保存在磁盘上的静态文件。它包含指令和初始数据，但在尚未被加载执行时，不会占用 CPU 时间，也没有独立的执行位置。 进程则是程序的一次运行实例（instance）。同一个可执行程序可以被启动多次，因此可以同时对应多个不同进程。虽然它们的代码可能来自同一个文件，但各自拥有独立的运行状态、地址空间和资源引用，运行结果也可以完全不同。 从操作系统的视角看，一个进程至少具有以下特征： 正在执行一串指令； 具有当前执行状态，例如下一条将执行的指令位置； 占有或引用一组系统资源，例如内存、打开的文件和 I/O 设备； 能够被分配给某个 CPU 核执行。 因此，进程是操作系统进行调度、隔离和资源核算的基本单位。 进程包含什么 为了在进程暂停后仍能准确恢复执行，操作系统必须保存与该进程有关的关键信息。它们可以概括为两部分：进程可访问的内存，以及进程当下的执行现场。 地址空间 地址空间（address space）是一个进程所看到的内存地址范围。它是逻辑视图，并不等同于某一段连续的物理内存；操作系统和硬件会共同把虚拟地址转换成实际的物理位置。 一个典型进程的地址空间通常由以下区域组成： 区域 作用 文本段（text segment） 存放处理器要执行的程序代码 数据段（data segment） 存放全局变量和静态变量 堆（heap） 存放运行时动态分配的数据，例如 malloc() 申请的对象 栈（stack） 存放函数调用中的局部变量、参数、返回地址和部分保存的寄存器状态 堆和栈的存在说明，进程的内存内容会在运行中不断变化。程序代码可能相同，但每次执行所处理的数据、函数调用深度和动态分配结果都不同，这也是不同进程能够独立运行的基础。 执行现场 CPU 在执行进程时，会持续更新寄存器（register）中的值。例如，程序计数器（program counter）指出下一条指令的位置，栈指针（stack pointer）指出当前栈顶的位置，通用寄存器则保存计算过程中的中间结果。 当操作系统切换到另一个进程时，必须先保存当前进程的这些值；之后重新调度该进程时，再恢复这份状态。否则进程会丢失自己执行到了哪里，无法继续正确运行。 进程状态 进程并非从创建到结束始终占用 CPU。操作系统通过有限个离散状态描述进程当前正在做什么，并据此决定它是否可以被调度。 状态 含义 就绪（ready） 已具备运行条件，但正在等待 CPU 分配 运行（running） 正在某个 CPU 核上执行 阻塞（blocked） 正在等待某个事件，例如磁盘 I/O 完成、网络数据到达或锁可用 终止（terminated） 已经结束执行，等待操作系统和父进程完成后续清理 有些教材会把“新建（new）”列为初始状态，但真实系统中的内部实现不一定会显式维护这个名称。更重要的是理解状态转移的原因。 新进程完成必要初始化后进入就绪队列（ready queue）。 调度器（scheduler）选中该进程后，它从就绪变为运行。 运行中的进程请求尚未完成的 I/O 时，会从运行变为阻塞，让出 CPU。 等待事件发生后，阻塞进程回到就绪状态，而不是直接占用 CPU。 时间片耗尽或更高优先级任务到来时，操作系统可能抢占当前进程，使其从运行回到就绪。 进程执行结束或因错误、信号等原因终止时，进入终止相关状态。 这里必须区分就绪和阻塞。就绪进程唯一缺少的是 CPU；阻塞进程即使有空闲 CPU，也仍然无法继续执行，因为它等待的事件尚未发生。 ...
引言 图 1.1：三个常见的操作系统 作为大学生，每个人似乎都随身携带着一个笔记本电脑。以上这张图片是三个常见的操作系统：Windows、macOS 和 Linux。它们看起来很不一样，但实际上都属于操作系统（Operating System, OS）这个范畴。这门课旨在让你理解操作系统的核心概念、服务和设计原则，并通过一些典型的体系结构来展示它们是如何实现这些目标的。 操作系统导论通常要先回答三个问题：OS 为什么处在计算系统的核心位置，它到底负责哪些服务，以及为什么会发展出不同的系统结构。整门课的第一步，不是背术语，而是先把 OS 视为系统里负责协调资源、隔离硬件细节、并向上层提供抽象的一层核心软件。 计算环境的演化 理解 OS 的位置，可以先从计算环境的演化看起。 1946 年以后，计算机从最早的通用计算设备发展起来。 1960 年代进入高性能计算（High Performance Computing）和互联网（Internet）之前的阶段。 1980 年代个人计算机（Personal Computer）普及。 1990 年代互联网服务成为主流，计算机开始被当成网络基础设施。 2010 年前后，计算进入智能终端、传感与普适连接（omnipresent connectivity and sensing）阶段。 到 2020 年以后，人工智能与物联网进一步融合，形成 AIoT 之类的计算形态。 在这条线上，OS 一直是核心层。设备形态变了，OS 的角色也在变，但它始终负责把硬件能力组织成可用、可控、可扩展的计算环境。 操作系统的历史脉络 OS 的发展大致可以分成几个阶段。 批处理系统 1950 年代中期到 1960 年代中期，主机时代主要是批处理系统（Batch Systems）。这类系统的重点是把作业排队处理，而不是让用户实时交互。 多道程序系统 1960 年代的迷你计算机（minicomputer）时期出现了多道程序系统（Multiprogramming Systems）。Unix 也在这一时期诞生，背后是 Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 的工作。这个阶段标志着 OS 从“把任务排好”开始走向“把多个任务同时组织起来”。 个人计算机时代 1980 年代个人计算机兴起后，OS 面向的对象从大型中心机房转向个人桌面环境。这个时期的代表包括： MS-DOS SunOS ULTRIX Macintosh Windows 1.0 / 2.0 IBM AIX HP-UX Minix SGI IRIX NeXTSTEP 互联网时代 1990 年代以后，网络能力变成 OS 的标准配置。这个时期的代表包括： ...