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第一章：操作系统概述
操作系统管理 CPU、内存和设备，为程序提供执行、通信和保存数据的接口。多个程序共享这些资源时，内核记录资源的归属与使用状态，协调并发访问，并借助硬件限制程序能够执行的操作。
操作系统的组成
先看一台运行 xv6 或 Linux 这类宏内核的机器。硬件、内核和用户程序承担不同职责。
硬件提供 CPU、内存和设备，并执行特权、地址翻译与中断等规则。内核维护资源状态，设置硬件规则，并向程序提供创建进程、读写文件等接口。用户程序借助这些接口运行；库、shell 和大多数系统服务也处于用户态。
内核内部按职责划分子系统。进程管理维护执行身份、资源引用与生命周期；调度分配 CPU；内存管理维护映射和物理页；文件与通信层组织持久数据或通信端点；驱动控制设备并处理请求完成。同步、引用计数和权限检查则贯穿各子系统。
用户程序与内核之间有硬件保护边界。内核内部的调度器、文件系统和驱动则通常共享内核地址空间，可以直接调用函数、访问共同对象。它们是职责分工，并不是各自受到硬件隔离的“小进程”。第十二章会比较把部分服务放进独立进程的微内核设计。
广义的操作系统还包含系统服务和工具。本讲义主要研究内核及其对应用提供的接口。shell 负责解释命令，但通常只是用户程序；它通过系统调用请求内核创建进程、打开文件。
用户代码、内核代码与设备的执行
在一个 CPU 核心上，某个时刻正在执行的可能是用户指令，也可能是内核指令。内核处理当前进程的系统调用时，通常使用该线程的内核栈；处理中断时，则处于中断执行上下文。Linux 还会让专门的内核线程执行回写等后台工作。
多核机器可以同时有一个核心执行用户代码，另一个核心执行内核代码，第三个核心处理设备中断。因此“CPU 在用户态还是内核态”必须针对具体核心、具体时刻来说。
设备也会独立工作。DMA 传输期间，CPU 可以执行无关程序。多个 CPU 核心与设备之间通过共享内存、请求队列和中断协调。
资源与抽象
应用通常不直接领取“CPU 的第几微秒”“内存条的第几个字节”或“磁盘的第几个扇区”。内核提供应用能够使用的对象和接口，再把它们落实到有限资源上。
| 硬件资源 | 应用看到的主要抽象 | 内核需要维护的关系 | 主要机制 |
|---|---|---|---|
| CPU 执行能力 | 可以暂停、恢复的执行流 | 执行现场、运行状态、CPU 归属 | 中断、调度、上下文切换 |
| 物理内存 | 地址空间 | 虚拟地址到物理页的映射与权限 | 页表、缺页处理、页分配 |
| 存储设备 | 文件与目录 | 名字到文件身份、文件偏移到数据块 | 路径查找、缓存、块分配、恢复协议 |
| 设备和通信通道 | 可通过接口操作的端点 | 打开引用、缓冲区、请求及完成状态 | 驱动、队列、通知与等待 |
进程把执行身份和多种资源引用组织在一起。文件描述符则是进程引用打开对象的一种方式。进程不是一个与 CPU、内存并列的新硬件部件，文件描述符也不是文件本身。
这些抽象同时承担两个任务：让程序容易使用机器，以及让多个程序共享机器时仍有明确的归属与保护规则。
内核对象
下面是 xv6 中一份简化的内存对象图。箭头表示引用或映射，方框之间的关系不表示调用顺序。
text
某 CPU 的状态 进程 A：struct proc
当前进程指针 ───────────────→ state / pid / parent
调度器 context trapframe ─────→ 保存的用户寄存器
context ───────→ 保存的内核切换现场
内核栈 ────────→ 内核调用链
pagetable ─────→ 页表 ─────→ 物理页
ofile[0..] ────→ struct file ──→ inode 或 pipe
cwd ───────────→ 当前目录 inode
进程 B：另一个 struct proc
独立的现场与页表
某些 ofile 条目 ─────────────────────────────→ 同一个 struct file这些对象之间包含三类关系。
执行状态回答“接下来从哪里继续”。寄存器里有指令位置、栈指针和计算中间值；暂停执行时，要把恢复所需的信息保存在内存里。用户现场与内核切换现场用途不同，第二、五章会分别展开。
资源引用回答“这个执行实例正在使用什么”。进程中的 FD 表引用打开文件对象，打开文件对象又引用 inode 或管道。两个进程可以引用同一个对象，因此“进程不同”不意味着所有资源都复制了一份。
映射关系回答“程序使用的标识怎样找到实际资源”。虚拟地址要经页表解释，整数 FD 要经当前进程的 FD 表解释，路径要经目录查找解释。它们都是间接关系，但负责的名字空间和权限不同，不能混成一种机制。
Linux 的结构会进一步拆分：每个线程有自己的任务对象，通过指针引用可能共享的地址空间、FD 表和凭证。xv6 把许多状态放在同一个 struct proc 中，是因为它的模型更简单。
内核数据与内核代码
内核对象大多是 RAM 中的数据结构。页表也是内存中的数据，只是硬件 MMU 会按约定格式读取它；进程表则主要由内核代码管理。一个进程不占用 CPU 时，它的状态和资源引用依然存在。
CPU 执行内核代码，内核代码读写这些对象以改变系统状态。例如，调度器在当前 CPU 上读取进程状态，选定可运行进程，再恢复它的执行现场。
特权切换、上下文切换与地址空间切换
“进入内核”“换进程”“换页表”经常相邻发生，但不是同一件事。
| 事件 | 改变什么 | 不必随之发生什么 |
|---|---|---|
| 系统调用或异常进入内核 | 当前 CPU 的执行权限与指令位置，并保存必要现场 | 不必换成另一个进程 |
| 上下文切换 | 当前执行流及其寄存器、栈等现场 | 同一进程的线程间切换不必更换地址空间 |
| 切换地址空间 | CPU 用来解释虚拟地址的映射上下文 | 不等同于选择下一个执行流 |
例如，查询 PID 的系统调用通常可以进入内核后马上返回，进程身份不变。阻塞读取则可能先进入内核，再因数据未到而切换执行流。xv6 在用户和内核入口处更换页表，但这时仍可能在服务同一个进程。
还有一个常见混淆：普通地址翻译由 MMU 完成，通常不会执行一遍内核代码。只有翻译或权限检查失败等情况才产生异常，由内核处理。
子系统协作
子系统通过函数调用、对象引用和事件通知协作：
| 发起方 | 协作对象 | 交接的内容 | 必须维持的关系 |
|---|---|---|---|
| 进程管理 | 内存管理、文件层 | 创建、复制、释放映射和引用 | 退出后不再使用的资源最终回收 |
| 内存管理 | 调度、存储 | 文件缺页所需 I/O；等待与恢复 | 页面准备好后再重试访问（Linux 场景） |
| 文件系统 | 缓存、驱动 | 块号、缓冲区、读写请求 | 正确的数据送到正确对象，错误能传回 |
| 设备完成处理 | 等待者与调度器 | 完成状态、唤醒 | 完成后可运行，不等于立刻运行 |
| 所有共享对象 | 同步机制 | 锁、原子更新、等待协议 | 并发访问不破坏对象不变量 |
文件读取示例
进程通过 FD 请求读取一个普通文件。文件层先找到打开对象，再按文件偏移查找数据。若缓存命中，可以复制数据并返回；若未命中，就要建立设备请求，并让当前执行流等待。设备完成后，驱动更新请求状态并唤醒等待者，调度器稍后恢复它，它才有机会继续读并返回用户态。
在一次读取中，FD 属于引用关系，文件偏移属于打开对象，缓冲区属于缓存，设备请求属于 I/O 路径，睡眠与就绪属于执行状态。它们参与同一次读取，却没有变成同一个对象。
如果把普通文件换成管道，FD 接口仍可使用，但数据来自另一进程写入的内核缓冲区，不必经过磁盘。同样的 read 接口会根据打开对象的类型，调用不同的实现。
运行时状态与持久数据
运行中的 OS 主要依赖 RAM 中的状态，而文件系统还维护设备上的长期结构。需要区分它们的寿命。
| 状态 | 通常存放在哪里 | 掉电后的处理 |
|---|---|---|
| 当前寄存器、进程表、内核栈 | CPU / RAM | 消失，启动后重新建立 |
| 页表、FD 表、等待队列 | RAM | 消失，不能靠磁盘上的程序文件直接恢复 |
| 文件缓存、未完成设备请求 | RAM 或设备易失缓存 | 可能丢失，不能仅凭 write 返回判断已保存 |
| 文件数据、目录、磁盘元数据、日志 | 已到达持久化边界的存储 | 重启后根据文件系统规则读取与恢复 |
磁盘上有一个程序文件，不代表重启后自动恢复了之前那个进程；文件数据已经持久化，也不代表此前的锁、FD 和执行现场仍在。虚拟机快照等机制会额外保存部分运行状态，属于第十一章讨论的更强协议。
缓存中的修改需要经过写回与同步操作，才能满足持久化要求；重启后的恢复则依赖磁盘上的数据结构与更新协议。第八、九章分别讨论这些机制。
内核启动与初始化
上述结构不是机器上电时天然存在的。启动代码需要建立可用的内核执行环境，初始化物理内存分配、页表、trap 入口和设备，准备调度所需的每 CPU 状态，然后创建最初的用户进程。
之后系统进入持续的运行阶段：用户代码直接执行，系统调用、异常和中断让 CPU 进入内核；内核维护对象、处理事件，选择合适的执行流继续。多核和设备可以并行推进，没有一个单一循环串行解释整台机器上的所有事情。
在 xv6 中，启动与初始化可从 kernel/entry.S、start.c、main.c 读起。这些代码负责在用户程序开始运行之前准备上述状态。
接口、机制与策略
同一项系统功能包含不同层次的设计：
- 抽象与接口：外部使用者能请求什么，得到什么承诺。
- 机制：状态保存在哪里，硬件和软件怎样改变它。
- 策略：在多个合法选择中选哪个，例如挑选哪个可运行线程、回收哪一页。
- 约束：哪些访问必须拒绝，哪些顺序不能颠倒，资源何时能释放。
例如，调度策略可以选择轮转或加权公平，但都需要保存与恢复执行现场的切换机制。改变策略会影响哪个进程先运行，不改变已阻塞进程必须等条件满足后才能继续的约束。
练习
- 两个进程共享一个物理页和一个打开文件，又轮流使用一个 CPU。哪些状态必须分别保存，哪些对象可以共用？
- 一个进程进入内核处理系统调用时，哪些状态发生变化，哪些身份和引用可以保持不变？
- 一个线程睡眠后，谁保存它的现场，谁记录它在等什么，谁使它重新可运行，谁决定它何时执行？
- 假如设备驱动被移到用户进程，哪些保护边界、调用和共享关系必须改变？
- 机器掉电后，哪些运行时对象消失，哪些持久数据需要被恢复？