操作系统导论&深入理解计算机系统
《Operating Systems Three Easy Pieces》
第1、2章（p1-15）
操作系统的重要组成部分：虚拟化（virtualization）(CPU和内存)、并发（concurrency）、持久性（persistence）
设计目标：
①建立抽象使系统方便和易于使用
②提供高性能，最小化系统开销
③在应用程序之间、OS和应用程序之间提供保护③构建可靠、能长时间不间断运行的系统
简单历史：最早期的一些库→超越库的系统调用、有用户权限之别→多程序时代引入并发→个人计算机时代的小型操作系统
第3-11章（p18-81）
虚拟化要做的是将CPU虚拟成多个虚拟CPU并分给每一个进程使用
每一个应用都以伪自己在独占CPU，但实际上只有一个CPU
时分共享CPU：让一个进程只运行一个时间片，然后切换到其他进程
开销overhead是性能损失
进程API：创建create, 销毁destroy, 等待wait, 其他控制miscellaneous control, 状态status.
- 操作系统运行程序前，必须将代码和所有静态数据如初始化变量，加载load到内存中，加载到进程的地址空间中。（就是os从磁盘读字节，然后放到内存某处
- 然后为程序的运行时栈（放局部变量、函数参数、返回地址）分配一些内存
进程状态：运行running, 就绪ready, 阻塞blocked, 初始initial, 最终final
调度scheduled: 就绪→运行
取消调度deschuduled: 运行→就绪
【记得做作业跑py文件并分析】
fork()系统调用：创建新进程（相同程序的拷贝
wait()系统调用：延迟自己的执行
exec()系统调用：运行不同的程序
做对事Get it right。抽象和简化都不能代替做对事。
kill()系统调用：向进程发送信号signal，进程睡眠、终止或其他有用信息
ps看当前在运行的进程
top展示当前系统中进程消耗CPU或其他资源的情况
一个进程必须可以执行I/O和其他受限操作，又不能让进程完全控制系统，这时候可以采用不同执行模式：user mode和kernel mode
系统调用：允许内核小心地向用户暴露某些关键共——访问文件系统、创建和销毁进程、和其他进程通信，分配内存
执行系统调用需要执行特殊的trap陷阱指令，从而跳入内核并将权限级别提升为内核模式
陷阱如何知道在OS内运行哪些代码？可以在内核启动时设置陷阱表trap table
重新获得CPU的控制权
1.协作方式，等系统调用，比如时间过长或执行非法操作，就会把控制权还给操作系统
这时候如果进程无限循环，只能重启计算机
2.非协作方式，操作系统控制
正在运行的进程停止，操作系统中预先配置的中断处理进程就会运行，操作系统重新获得CPU的控制权，停止当前进程，启动另一个进程
上下文切换context switched 为当前正在执行的进程保存一些寄存器的值，并为即将执行的进程恢复一些寄存器的值
【重启】可以让软件回到已知状态，很可能是经过更多测试的状态，可以回收旧的或泄露的资源，否则将很难处理。
工作负载workload假设
操作系统中运行的进程，有假设：
1.每个工作运行相同时间
2.所有工作同时到达
3.一旦开始，每个工作保持运行直到完成
4.所有工作只用CPU，不执行IO操作
5.每个工作运行时间已知
调度算法
1.先进先出FIFO
2.最短任务优先SJF
3.最短完成时间优先STCF
4.轮转Round-Robin在一个十九篇（time slice调度量子scheduling quantum）内运行一个工作，然后切换到运行队列中下一个任务，反复执行直到所有任务完成
时间片长度必须为时钟中断周期的倍数，需要衡量其长度，以便摊销上下文切换成本，也不会让系统不及时响应
5.多级反馈队列MLFQ
用历史经验预测未来，如果工作有明显的阶段性行为
基本规则：
1）如果A优先级>B优先级，运行A
2）如果A优先级=B优先级，轮转运行A和B
3）工作进入系统时，放在最高优先级
4.1）工作用完整个时间片后降低其优先级
4.2）如果工作在其时间片内主动释放CPU，优先级不变
缺点：饥饿starvation问题
系统有太多交互型工作，会不断占用CPU，使长时间的工作永远得不到CPU
愚弄调度程序game the scheduler用卑鄙手段欺骗调度程序，让它给你远超公平的资源
如运行99%的时间片就主动放弃一次CPU，这样可以几乎独占CPU
计算密集的进程可能在某段时间表现为交互型进程
5）经过一段时间S就将系统中重新加入最高优先级
解决了饿死问题，但是S值的设定成为巫毒常量voo-doo constant，太高长时间工作会饿，太低交互型工作得不到合适CPU比例
4）工作用完某一层的时间配额，就降低其优先级
6.比例份额/公平份额调度程序：目标是确保每个工作获得一定时间比例的CPU时间，而不是优化周转时间和响应时间
彩票调度lottery scheduling：每隔一段时间，都举行一次彩票抽奖，决定接下来运行哪个程序
彩票书表示进程占据某个资源的份额。不断定时抽取彩票，从概率上获得份额比例。利用随机性，可靠又简单。
优点：
①可以避免奇怪的边角情况
②轻量，不需要记录任何状态
③很快，在运行速度要求高的地方适用
彩票转让ticket transfer一个进程可以临时将自己的彩票交给另一个进程
彩票膨胀ticket inflation一个进程可以临时提升或降低自己拥有的彩票数量
7.步长调度stride scheduling，确定性公平分配算法
选目前有最小行程值的进程，在运行之后将该进程的行程值增加一个步长（每个进程的步长可能不一样）
彩票调度不需要对每个进程记录全局状态，只需用新进程的票数更新全局的总票数，而步长是需要的！
8.多处理器调度
和单CPU的区别在于对硬件缓存cache的使用，和多处理器间共享数据的方法
有多级的硬件缓存一般会让处理器更快地执行程序。
缓存：小但快的存储设备，有内存中最热的数据备份
内存：大且有所有的数据，访问速度慢
缓存基于局部性locality，包括时间和空间。
时间局部性：一个数据被访问后，可能不久后会被再次访问
空间局部性：程序访问地址为x的数据，可能会紧接着访问x周围的数据
缓存一致性cache coherence，通过监控内存访问，硬件可以保证获得正确的数据，并保证共享内存的唯一性。
跨CPU访问如写入共享数据或数据结构时，需要用互斥原语比如锁，才能保证其正确性，没有锁时，即使有底层一致性协议，并发从队列增加或删除元素，依然不会得到预期结果
需要用锁保证数据结构状态更新的原子性
缓存亲和度：一个进程在某个CPU上运行时，会在该CPU的缓存中维护许多状态
9.单队列多处理器调度SQMS
简单，无需太多修改就可以把原有策略用于多歌CPU
缺点：缺乏可扩展性scalability，同步开销有限
10.多队列多处理器调度MQMS，如一个CPU一个队列，队列数量会随CPU增加而增加，缩合缓存争用不是大问题
但是，有负载不均load imbalance问题
让工作移动，叫做迁移migration，工作跨CPU迁移，可实现真正的负载均衡
系统决定发起迁移的技术叫工作窃取work stealing：工作量较少的队列不定期偷看其他队列是不是比自己工作多，如果目标队列比源队列更满，就从目标队列窃取一个或多个工作，实现负载均衡。
缺点：频繁检查其他队列，就会带来较高的开销，可扩展性不好。
也许目标不是找到最好的解决方法，而是为了避免灾难。 ——Lampson
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