操作系统的运行与资源管理解析

### 操作系统的运行与资源管理解析 #### 1. 操作系统的基本运行机制 在计算机系统中，用户输入速度往往成为交互的瓶颈，例如人每秒输入七个字符就算快了，但这对于计算机而言极其缓慢。为避免 CPU 在交互输入时闲置，操作系统会迅速将 CPU 切换到其他进程。 多任务系统中，操作系统需保证合理的响应时间，常见方法是采用虚拟内存技术。该技术允许执行未完全载入内存的进程，其主要优势在于使用户能运行比实际物理内存更大的程序，还将主内存抽象为大型统一存储阵列，把用户视角的逻辑内存与物理内存分离，让程序员无需担忧内存存储限制。 同时，多道程序和多任务系统需提供文件系统，文件系统存于二级存储设备，因此需要进行存储管理。系统还必须保护资源免遭不当使用，为确保有序执行，需提供进程同步和通信机制，并防止进程陷入死锁。 #### 2. 双模式与多模式操作 为确保操作系统和用户正确执行程序，大多数计算机系统提供硬件支持，以区分不同的执行模式。至少需要两种操作模式：用户模式和内核模式（也称为管理模式、系统模式或特权模式）。计算机硬件添加了一个模式位来指示当前模式，内核模式为 0，用户模式为 1。 当计算机系统为用户应用程序执行时，处于用户模式；当用户应用程序通过系统调用请求操作系统服务时，系统需从用户模式转换到内核模式以满足请求。系统启动时，硬件处于内核模式，加载操作系统后以用户模式启动用户应用程序。每当发生陷阱或中断时，硬件从用户模式切换到内核模式；在将控制权交给用户程序前，系统总是切换到用户模式。 双模式操作为操作系统提供了保护机制，将可能造成危害的机器指令指定为特权指令，硬件只允许在内核模式下执行特权指令。若在用户模式下尝试执行特权指令，硬件会将其视为非法并陷入操作系统。 模式概念可扩展到两种以上，例如 Intel 处理器有四个独立的保护环，环 0 是内核模式，环 3 是用户模式；ARMv8 系统有七种模式；支持虚拟化的 CPU 通常有单独的模式来指示虚拟机管理器控制着系统。 系统调用是用户程序请求操作系统执行特定任务的方式，通常被硬件视为软件中断。执行系统调用时，控制权通过中断向量传递到操作系统的服务例程，模式位设置为内核模式。内核检查中断指令以确定发生了何种系统调用，验证参数的正确性和合法性，执行请求并将控制权返回给系统调用后的指令。 硬件保护机制能检测违反模式的错误，通常由操作系统处理。若用户程序出现错误，如执行非法指令或访问不在用户地址空间的内存，硬件会陷入操作系统，操作系统将异常终止程序，并给出适当的错误消息，还可能转储程序内存。 #### 3. 定时器的作用 为确保操作系统对 CPU 的控制，防止用户程序陷入无限循环或不调用系统服务而不返回控制权，可使用定时器。定时器可设置在指定时间段后中断计算机，时间段可以是固定的（如 1/60 秒）或可变的（如 1 毫秒到 1 秒）。可变定时器通常由固定速率时钟和计数器实现，操作系统设置计数器，时钟每滴答一次，计数器减 1，当计数器达到 0 时，发生中断。 在将控制权交给用户前，操作系统会确保定时器设置为中断。若定时器中断，控制权自动转移到操作系统，操作系统可能将中断视为致命错误，也可能给程序更多时间。显然，修改定时器内容的指令是特权指令。在 Linux 系统中，内核配置参数 HZ 指定定时器中断的频率，相关内核变量 jiffies 表示系统启动以来发生的定时器中断次数。 #### 4. 操作系统的资源管理 操作系统是资源管理器，需管理系统的 CPU、内存空间、文件存储和 I/O 设备等资源。 - **进程管理**：程序只有在 CPU 执行其指令时才能发挥作用，运行中的程序就是进程。进程需要 CPU 时间、内存、文件和 I/O 设备等资源，这些资源通常在进程运行时分配。进程终止后，操作系统会回收可重用资源。 进程是系统中的工作单元，系统由操作系统进程和用户进程组成，这些进程可在单个 CPU 核心上多路复用并发执行，也可在多个 CPU 核心上并行执行。操作系统负责进程的创建和删除、调度、暂停和恢复，以及提供进程同步和通信机制。 - **内存管理**：主内存是现代计算机系统运行的核心，是一个大型字节数组，每个字节都有自己的地址。CPU 在指令提取周期从主内存读取指令，在数据提取周期读写数据。为执行程序，需将其映射到绝对地址并加载到内存，程序执行时通过生成绝对地址访问内存中的指令和数据。 为提高 CPU 利用率和计算机响应速度，通用计算机需在内存中同时保留多个程序，因此需要进行内存管理。操作系统负责跟踪内存使用情况、分配和释放内存空间，以及决定哪些进程或数据进出内存。 以下是不同存储类型的特性表格： | 级别 | 名称 | 典型大小 | 实现技术 | 访问时间 (ns) | 带宽 (MB/sec) | 管理方 | 后备存储 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |