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操作系统导论

本章问题：音乐播放、网页下载和文件保存同时进行时，谁分配CPU和内存，谁保证程序互不破坏？

学习顺序：

  1. 认清CPU、内存、设备和操作系统的分工。
  2. 用时间线区分并发、并行与设备等待。
  3. 看中断和系统调用怎样把控制权交给内核。
  4. 用存储层次与局部性解释缓存的作用。

一台电脑怎样分工

播放音乐时又下载文件，两个程序都要用CPU、内存和设备。

CPU执行指令，内存保存正在使用的指令与数据，外存长期保存文件；键盘、网卡、磁盘等与系统交换数据，统称输入输出设备（I/O）。

设备控制器接收命令、操作设备，并报告状态，CPU不必亲自完成设备内部的每一步。

操作系统（OS）把这些资源分给程序，并提供文件、进程等容易使用的抽象。程序是静态的指令与数据，进程是程序的一次运行及其状态。

同一个编辑器开两份文件，可以有两个不同进程。内核承担核心管理工作；桌面、命令行和工具通常运行在内核之外。内核常驻内存，也不代表CPU始终执行内核。

例子与推演

例如，播放器需要计算音频、保留音频数据并把结果交给声卡：CPU负责计算，内存暂存数据，声卡负责输出；操作系统安排计算机会和设备访问。

应用使用“打开文件”“创建进程”等接口，通常无需直接知道磁盘寄存器在哪。这种把硬件细节包装成可用对象与操作的做法，叫抽象。

flowchart TB
    A["应用程序：播放器、浏览器、编辑器"] -->|"请求文件、进程和设备服务"| O["操作系统内核：管理资源与保护"]
    O --> C["CPU：执行指令"]
    O --> M["内存：暂存运行中的代码与数据"]
    O --> D["设备控制器：执行设备命令"]
    D --> E["磁盘、网卡、声卡等设备"]

从图上向下读是“请求怎样落实到硬件”；从下向上读是“硬件能力怎样被组织成应用可用的服务”。

一核怎样做多件事

单核在某一时刻只能执行一条任务流，却可以交替执行多个任务。

看哪个时间范围 执行情况 概念
一段时间 多个活动交错推进 并发
同一时刻 在不同执行单元上工作 并行

例子与推演

例如A计算2毫秒，再等独立设备4毫秒，最后计算1毫秒；B也如此，均在0时到达。A先占CPU：

时间/ms CPU 正在做I/O的任务
0—2 A 无
2—4 B A
4—6 空闲 A、B
6—7 A B
7—8 空闲 B
8—9 B 无
  • CPU忙了6毫秒，整个过程9毫秒，利用率为 \(6/9=2/3\)。
  • 计算和设备等待能够重叠，来自多道程序设计。
  • 单道批处理只自动接续作业；
  • 多道批处理还会利用等待空隙。
  • 分时用较短时间片改善交互响应；
  • 实时要求在截止期前完成，硬实时不能接受关键超期，软实时允许质量下降。
  • 利用率高不能保证某个任务按时完成。
  • 并发带来共享资源的需求。
  • 分时CPU、独立地址空间体现虚拟化；
  • 任务推进速度和次序不固定称为总论中的异步性。
  • 它们解释了为什么系统还需要保护与同步。
  • 多核提供更多并行位置；
  • 分布式系统则由联网的多台机器协作，还需面对通信延迟和局部故障。

练习 1

题目

自编题：单核机器只有一条CPU执行流。 A等磁盘时，CPU转去运行B。 若改成A反复检查磁盘且不让出CPU， 下列哪项解释最准确？

  • A. A与B仍在并行，因二者都没有退出
  • B. A已进入阻塞，因此B必然立刻运行
  • C. B的响应可能变慢，设备仍可独立工作
  • D. B必然不能就绪，设备也会停止工作

参考解答

  • 答案：C。 忙轮询占CPU，不等于阻塞。
  • 原情境中A、B在CPU上并发而非并行；
  • 磁盘与CPU工作仍可重叠。

内核怎样拿回控制权

CPU可以反复检查设备是否完成，这叫轮询，检查仍占用CPU。设备也可以发出中断，让CPU暂时转向处理入口。

设备中断相对当前指令异步发生；除零、非法访问等由当前指令引起的事件叫异常。应用主动请求内核服务也走受控入口，称为系统调用。

处理路径是：保存返回位置和必要寄存器→识别原因→处理事件→恢复执行。硬件保存一部分现场，入口代码补存其他必要状态。漏存被改动的寄存器，会让原程序拿着错误中间值继续计算。

假设B运行时A的磁盘请求完成。内核可把A从等待改为就绪，再返回B；A只是获得了竞争CPU的资格。中断、模式切换、进程切换是三个不同事件。

时钟中断提供重新调度的机会，也不强制每次换人。

硬件用用户态与内核态限制权限。应用通常在用户态，不能任意关闭中断或修改保护设置；系统调用进入内核，经检查后执行服务，再返回。

地址保护限制空间，定时器约束占用CPU的时间，特权模式限制可执行的操作。

练习 2

题目

自编题：单核上B在用户态运行。磁盘完成A的请求，内核唤醒A后返回B。有人说：“进内核就必然换成A运行。”

  • ① 逐步写出模式和运行任务的变化。
  • ② 指出错误，并说明何时才算任务切换。

参考解答

解答

  • 事件前：B在用户态运行。
  • 中断时：CPU进入内核处理中断，A由等待变为就绪；
  • 这不等于A运行。
  • 中断后：仍返回B的用户态执行。
  • 错误是把权限变化当成运行身份变化。
  • 只有保存B并恢复另一任务（如A）执行，才发生本题所说的任务上下文切换。

判分要点

  • 须区分用户态→内核态→用户态与任务身份。
  • 须写A等待→就绪，不能跳成运行。
  • 须指出本情境没有B→A的任务切换。

数据为什么分层存

8个二进制位组成1字节（B）；KiB和MiB分别是 \(2^{10}\)、\(2^{20}\) B。按字节编址时，32位地址能区分 \(2^{32}\) 个字节位置。题目若用KB、MB，先看采用十进制还是二进制。

从快到慢，常见层次为寄存器→高速缓存→主存→SSD或磁盘→归档介质。快层通常小而贵，因此只保留近期有用的数据。

循环反复用同一变量体现时间局部性；顺次扫描数组体现空间局部性。多个副本被修改后还要保持一致，缓存命中本身不证明内容最新。

平均访问时间按两条完整路径加权。若命中率 \(h=0.9\)，命中耗时 \(T_h=2\) ns，未命中的完整耗时 \(T_m=82\) ns，则

\[T=hT_h+(1-h)T_m=10\text{ ns}.\]

这里82 ns已含缓存查询，不能再加2 ns。以后计算TLB和缺页耗时时仍先画路径，再代入时间。

练习 3

题目

自编题：缓存命中率0.8，命中耗时4 ns。未命中整条路径共84 ns，已含缓存查询。

  • ① 求平均访问时间，指出重复加查询的错误。
  • ② 单CPU的两个作业均为CPU 2 ms、独立设备I/O 4 ms、CPU 1 ms。两作业同时到达，A先运行；CPU按FCFS，I/O立即开始，无切换开销，画完整时间线。
  • ③ CPU利用率提高是否保证实时截止期？

参考解答

解答

  • 平均为0.8×4+0.2×84=20 ns。
  • 84 ns已含查询，不能再加4 ns。
  • CPU：A 0—2，B 2—4，空闲4—6，A 6—7，空闲7—8，B 8—9。
  • I/O：A 2—6，B 4—8。
  • CPU利用率6/9=2/3，统计区间0—9 ms。
  • 高利用率并不证明具体请求按截止期完成；
  • 还需核对该任务的响应、执行量及截止时刻。

判分要点

  • 平均值遵守完整未命中路径口径。
  • 正确交叠两个I/O，空闲区间不得省略。
  • 区分总体利用率与单任务截止期证据。

记忆要点

本章记忆要点

  • CPU执行，内存暂存，设备完成I/O；操作系统分配、抽象和保护资源。
  • 程序是静态内容，进程是运行实例，内核是核心管理代码。
  • 并发看一段时间内是否交错推进；并行看同一时刻是否同时执行。
  • 设备完成使等待任务就绪；就绪后仍要等待CPU调度。
  • 缓存计算先列命中与未命中的完整路径，再按概率加权。