操作系统导论学习笔记（一）
为了让程序运行变得更容易，操作系统出现了。操作系统完成的事情包括，允许多个程序同时运行、让程序共享内存、让程序能够与设备交互等。操作系统负责确保系统既易于使用又正确高效的运行。操作系统通过虚拟化（virtualization）做到这一点，操作系统将物理资源（如 CPU、内存或磁盘）转换为更通用、更强大且更易于使用的虚拟形式。因此，我们有时将操作系统称为虚拟机(virtual machine)
设计和实现操作系统的目标
- 提供高性能，尽可能降低操作系统的性能开销 minimize the overhead
- 在应用程序之间以及操作系统和应用系统之间提供保护 protection
- 让进程间彼此隔离是实现保护的关键 isolation
- 保证高可靠性 reliability
- 能源效率 energy efficiency, 安全性 security, 移动性 mobility
操作系统的 3 个“简单”部分
- 虚拟化 virtualizing
- 持久性 persistence
- 并行 concurrency
虚拟化 virtualizing
虚拟化又分为虚拟化 CPU 和虚拟化内存。
虚拟化 CPU
在硬件的一些帮助下，操作系统负责提供这种假象（illusion），即系统拥有非常多的虚拟CPU的假象。将单个CPU（或其中一小部分）转换为看似无限数量的CPU，从而让许多程序看似同时运行，这就是所谓的虚拟化CPU（virtualizing the CPU）
虚拟化内存
每个进程访问自己的私有虚拟地址空间（virtual address space）（有时称为地址空间，address space），操作系统以某种方式映射到机器的物理内存上。一个正在运行的程序中的内存引用不会影响其他进程（或操作系统本身）的地址空间。对于正在运行的程序，它完全拥有自己的物理内存。但实际情况是，物理内存是由操作系统管理的共享资源。
持久化 persistence
内存 DRAM 中的数据是易失的，如果断电或系统崩溃，内存中的数据都会丢失。因此我们需要硬件和软件支持来持久地存储数据。
硬件以某种输入/输出设备（Input/Output, I/O）的形式出现。
操作系统中管理磁盘的软件通常称为文件系统（file system）。因此它负责以可靠和高效的方式，将用户创建的任何文件（file）存储在系统的磁盘上。
关键问题：如何持久地存储数据
文件系统是操作系统的一部分，负责管理持久的数据。持久性需要哪些技术才能正确地实现？需要哪些机制和策略才能高性能地实现？面对硬件和软件故障，可靠性如何实现？
并行 concurrency
关键问题：如何构建正确的并发程序
如果同一个内存空间中有很多并发执行的线程，如何构建一个正确工作的程序？操作系统需要什么原语？硬件应该提供哪些机制？我们如何利用它们来解决并发问题？
操作系统的简单历史
- 早期操作系统：只是一些库
- 引入保护机制：借助硬件的帮助，区分用户模式和内核模式
- 多道程序 multiprogram: 提高 CPU 执行效率，避免 I/O 处理拖慢 CPU 执行。出现 Unix
- 摩登时代：出现个人计算机，遗憾的是，对于操作系统来说，个人计算机起初代表了一次巨大的倒退，因为早期的系统忘记了（或从未知道）小型机时代的经验教训。幸运的是，经过一段时间的苦难后，小型计算机操作系统的老功能开始进入台式机。