XCPC Wiki

Appearance

第一章：操作系统概览 ​

计算机由 CPU、内存和各种设备组成。应用程序希望运行代码、保存数据、读取文件、连接网络，并与其他程序同时运行。操作系统位于应用和硬件之间，为这些需求提供共同的运行环境。

操作系统的职责 ​

CPU 与硬件设备千奇百怪，假如不存在操作系统，我们在裸机上编写一个简单的程序都非常复杂，甚至需要从引导、初始化键盘、屏幕开始写起。操作系统就是把这些共同需求集中实现，并向程序提供稳定的接口，比如我们可以通过目录系统来访问文件，而不需要知道其具体的存储硬件。

操作系统的职责可以先分为三类。

  • 硬件抽象：不同型号的存储设备、网卡、输入设备（键盘、鼠标、触摸板等）具有不同控制方式。应用通常不直接操作具体设备，而是使用操作系统提供的设备接口。这使同一个程序可以在具有不同硬件的计算机上运行，只要操作系统提供兼容接口。
  • 资源协调：程序会同时请求 CPU、内存和设备。操作系统记录这些请求和资源状态，并决定程序执行的顺序、轮转。第五章讨论 CPU 分配，第七章讨论设备请求。
  • 程序隔离：程序可能包含错误，甚至可能包含恶意行为。操作系统需要限制程序能够访问的数据和资源，使一个程序的行为尽量不影响其他程序。第二章将讨论用户与内核的隔离限制怎样由 CPU 和操作系统共同实现。第十章进一步讨论用户程序的隔离和资源限制。

系统分层 ​

操作系统最基本的结构可以表示为：

  1. 裸机：CPU、内存和各种设备硬件。
  2. 内核：管理程序、内存、文件、网络和设备，控制和协调硬件。
  3. 用户程序：应用程序，请求操作系统提供服务。

内核（kernel）是操作系统中负责管理硬件和共享资源的核心部分，也可以理解为一种特殊的直接工作于裸机之上的程序，通常在 CPU 中更高的特权级别运行。应用不能像调用自身函数一样随意进入内核内部，只能通过内核规定的接口请求服务。第二章将解释应用怎样进入内核提供的合法入口，以及内核怎样返回应用。

shell、C 标准库和图形界面通常运行在用户态，没有内核的全部权限。

程序执行 ​

磁盘上的可执行文件只保存代码和数据。一个正在运行的程序，系统还需要记录：内存、文件、设备使用、执行状态等。

操作系统把一次程序执行及其相关状态组织为进程，或者说进程是操作系统分配资源的最小单位。一个进程还可以包含多个线程，线程是程序调度的最小单位。

第三章将正式定义进程和线程，并讨论程序怎样创建、替换和退出。第五章再讨论多个执行流怎样共享 CPU。

程序内存 ​

程序员通常直接使用变量、数组、指针、堆和栈，不需要先询问其他程序正在使用哪些内存位置。多个程序即使使用相同的地址，也通常不会访问到相同的数据。

操作系统负责为用户准备隔离的内存区域。第四章将解释这种独立内存视图怎样实现。第六章讨论同一程序中的多个线程有意共享数据时，怎样保证结果正确。

文件系统 ​

存储设备能够保存数据，但应用通常不希望直接管理设备上的位置。程序更习惯使用：

text
input.txt
documents/report.pdf
/home/user/config

文件系统在存储设备之上提供文件和目录。它负责文件的增删查改、目录映射、元信息维护（大小、所有者、权限等）、落盘。

第八章将讨论数据从内存到存储设备的过程。第九章将讨论文件、目录和落盘语义。

网络功能 ​

网卡负责发送和接收网络数据，但多个程序需要同时共享网卡。操作系统需要配置网卡、在程序与网卡间交换数据、实现通信协议、协调设备。

应用实现的功能与操作系统实现的功能并不完全相同。例如浏览器理解网页内容，Web 服务器理解 HTTP 请求；操作系统主要负责提供通用的网络通信能力，并协调网卡和多个程序。

第七章将从设备和异步 I/O 开始，再说明网络数据怎样从网卡到达应用。第十章会讨论容器为什么可以看到不同的网络配置。

设备等待 ​

CPU 执行指令的速度通常远高于键盘、网络和存储设备完成请求的速度。程序等待数据时，如果继续占用 CPU 反复检查，会浪费可用于其他程序的执行时间。

操作系统可以暂停当前无法继续的执行流，让 CPU 运行其他程序。设备完成后，等待的程序再继续执行。这一过程涉及两类机制：调度和通知。第五章讨论调度和等待，第七章讨论设备怎样报告完成。

课程方法 ​

本讲义以 RISC-V 上的 xv6 为机制主线。xv6 很小，但已经包含用户态与内核态、系统调用、页表、进程、调度、锁、设备驱动、日志和文件系统。每个核心抽象都能沿一条不长的源码路径读完。

各章采用同一顺序：

  1. 先说明 RISC-V 硬件在边界处自动完成什么；
  2. 再沿 xv6 源码看内核补完了什么；
  3. 由这条闭合路径提炼操作系统抽象；
  4. 最后扩展到 Linux、x86-64 和现代硬件中的复杂实现。

Linux 不是“更正确的答案”，xv6 也不是只供玩具实验的伪模型。前者展示规模、兼容性和性能约束，后者让核心机制保持可读。容器、eBPF、NVMe 等 xv6 没有实现的主题，则直接从其新增的边界出发，不强行寻找一一对应。

课程结构 ​

  • 第二章，受限执行：程序怎样在受到限制的情况下直接使用 CPU？
  • 第三章，进程模型：一次程序执行包含哪些状态，程序之间怎样协作？
  • 第四章，虚拟内存：为什么多个程序可以各自使用自己的地址？
  • 第五章，CPU 调度：程序等待或同时运行时，CPU 怎样分配？
  • 第六章，共享内存并发：多个核心同时访问共享数据时，怎样保证正确？
  • 第七章，设备 I/O：操作系统怎样控制设备并收发网络数据？
  • 第八章，存储数据路径：一次写入在到达存储介质前经过哪些阶段？
  • 第九章，文件系统语义：文件和目录怎样组织，断电后如何恢复？
  • 第十章，容器隔离：怎样限制一组程序能看到什么、能使用多少资源？
  • 第十一章，虚拟机：怎样在一台机器上运行多个操作系统？
  • 第十二章，内核可扩展性：驱动和新的内核功能可以放在哪里实现？
  • 第十三章，全路径安全：各部分组合后还存在哪些安全、故障和性能问题？