在正式开始操作系统学习前，我犹豫是否要构建一套体系化的学习笔记。然而，当回忆起初次接触操作系统时被庞杂概念"狂轰滥炸"的迷茫经历，决定还是以更轻松的叙事方式描述。
什么是操作系统？
- 功能：统一接口；管理硬件资源，协调应用程序所需资源；管理应用程序，并为应用程序提供服务；
- 硬件抽象：CPU->进程，内存->地址空间，磁盘->文件
- 功能服务：进程管理、线程管理、物理内存管理、虚拟内存管理、文件系统管理、中断处理、I/O设备驱动
- 特征：并发，异步共享，虚拟化 -> 中断、调度、分时、服务
- 目标：根据不同硬件之间的性能差异，权衡效率（公平）、安全、可预测性等
- 组成：shell界面+kernel内核
- 历史：纸带 -> 批处理 -> 多道程序设计 -> 分时 -> 中断 -> 网络（Internet） -> 分布式计算
操作系统启动
- BIOS：基本输入输出系统，用于控制计算机外设，包括主板BIOS、显卡BIOS、网卡BIOS等等，一般存放在ROM中，即使掉电也不会消失
- 内存分配：由于历史原因，一般开头1MB内存比较特殊，
A0000～BFFFF保留给显存使用，C0000～FFFFF保留给BIOS使用，其中系统BIOS占后64KB
- 上电：按下电源开关，硬件通电，主板控制芯片组向CPU发送并保持RESET（重置）信号；当稳定供电后撤回信号，CPU从
FFFF0处执行跳转指令，跳转到系统BIOS的启动代码处。 - POST（加电自检）：系统BIOS的启动代码会检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作，如果发现致命错误，就会控制喇叭发声来报告错误，声音的长短和次数代表了错误类型；之后跳转到其他设备BIOS的启动代码处执行，初始化相关设备；同时，BIOS会将特定信息显示在屏幕上，你还可以按下指定键进入BIOS设置界面，对计算机进行配置。
- Boot Loader（引导加载）：从硬盘第一个主引导扇区中读取引导加载程序并执行，负责加载磁盘中的操作系统的核心文件到内存中。
- 操作系统启动：核心文件负责初始化操作系统的各个模块，并将控制权交给操作系统。
- 操作系统初始化：操作系统开始启动并加载系统服务、设备驱动程序等，完成一系列初始化和配置工作，为用户提供操作系统的功能和界面。
异常处理机制
设备和程序交互，存在异常控制流，整个过程透明，异常或持续或等待或杀死或重新执行。
当外设或程序产生异常时，如外设异步中断、程序同步系统调用、程序异步|同步故障|中止，会发送一个异常标记；
处理器检测到有异常事件发生，保存此时上下文，完成用户态->内核态的转换，再根据异常事件类型（异常标记）从异常表中检索到对应的异常处理程序并执行，完成后：
- 将控制权返回异常前正在执行的指令
- 将控制权返回异常前正在执行的下一条指令
- 终止异常前正在执行的程序
最后，清除异常标记，恢复异常前上下文，完成内核态->用户态的转换。
函数调用和系统调用的区别：
- 函数调用早同一段栈空间中完成功能调用和返回；而系统调用存在用户态和内核态之间的切换，属于不同的堆栈。
- 系统调用比函数调用更大开销，需要完成上下文转换。
- 系统调用比函数调用更安全，存在验证参数。
- 系统调用存在异常表及对应编号。
存储分层体系
由于处理器与存储器之间巨大的频率差异，需要大大缩短从存储器中存取数据的时间，利用程序局部性特点，设计了存储器的层次结构，即基于下一层的缓存机制。同时解决了持续性问题。
不同层次之间的逻辑块大小不一样，例如寄存器与L1之间以字为一个块，内存与磁盘之间以页为一个块。
不同存储器采用了不同的存储技术，需要中间件（缓存替换算法、合适的逻辑块大小）保证兼容性，提高缓存命中，降低访存时间。
最终使得整个系统容量大且访问快。
内存管理
抽象出逻辑地址方便编程，地址独立以构建保护机制，地址共享进行数据传递，利用硬盘持久性去虚拟化更多内存地址空间。
地址空间
- 物理地址空间：硬件支持的地址空间
- 逻辑地址空间：一个运行程序所拥有的内存范围，是一种规范化区间，与一段物理地址范围相对应；汇编代码中的地址即逻辑地址
C程序首先通过预处理、编译和汇编生成可重定位目标代码、建立符号表、生成重定位信息，此时生成的地址是相对于本模块的偏移量(从0开始)，不是最终地址。
然后通过链接合并多个可重定位目标代码和库文件为可执行文件，完成符号解析与重定位、逻辑地址分配。
可执行文件再通过加载器载入内存，同时操作系统建立映射表、确定该程序拥有地址范围—基址和界限。
最后运行时指令先进行地址安全检查（在基址和界限范围内），再通过CPU的MMU将逻辑地址转换为物理地址，并发送访存请求；否则触发异常。
内存分配
连续分配
连续分配场景：程序代码分配，磁盘数据块分配
内存碎片问题：无法被继续连续分配的内存空间，包括分配单元内外两种碎片
经典分配算法：需要列表记录空闲块位置，需要考虑已释放块合并
- 首次适配：使用检索到的第一个足够大可用空闲块，简单但存在外部碎片。
- 最优适配：使用外部碎片最小的足够大可用空闲块，简单但存在较多微小外部碎片，适合小尺寸块请求分配。
- 最差适配：使用外部碎片最大的足够大可用空闲块，但难以分配较大块请求，适合中等尺寸块请求分配。