1 什么是操作系统

1.1 操作系统的功能

1.1.1 对硬件进行管理和抽象

1.1.2 为应用提供服务和管理

1.3 操作系统的结构

1.4 操作系统的发展趋势

1.5 操作系统面临的挑战

1.5.1 操作系统的可扩展性

1.5.2 隔离与性能的权衡

1.5.3 安全性挑战

2 操作系统接口

2.1 系统调用接口

2.2 POSIX接口

2.3 领域应用接口

1 什么是操作系统

1.1 操作系统的功能

1.1.1 对硬件进行管理和抽象

1. 将复杂的、具备不同功能的硬件纳入统一的管理

2. 将硬件抽象为不依赖具体硬件特性的资源，并通过易用的接口提供给上层的应用，从而使应用无需关心硬件的具体细节

说明1：内存管理与抽象示例

① 系统中存在多个不连续的、有限的物理内存区域

② 操作系统识别这些区域的起始地址和大小之后，使用物理内存分配器对其进行管理

③ 操作系统向应用程序提供的是一个统一的，近似无限的虚拟地址空间，应用开发者无需关心物理内存硬件的型号、位置和容量

说明2：操作系统的核心功能就是将有限的、离散的资源，高效地抽象为无限的、连续的资源

1.1.2 为应用提供服务和管理

1. 向应用提供各种不同层次、不同功能的接口，以满足应用的需求

2. 提供不同类型的访问控制、应用间交互等服务

3. 对应用的生命周期进行管理，包括应用的加载、启动、切换、调度和销毁等

说明1：操作系统为应用提供的服务

① 为应用提供计算资源的抽象

CPU：进程/线程，数量不受物理CPU的限制

内存：虚拟内存，大小不受物理内存的限制

IO设备：将各种设备统一抽象为文件，提供统一的接口

② 为应用提供线程间的同步

应用可以实现自己的同步原语（e.g. spinlock）

操作系统提供了更高效的同步原语（与线程切换配合，如pthread_mutex）

③ 为应用提供进程间的通信

应用可以通过网络进行进程间通信

操作系统提供了更高效的本地通信机制

说明2：操作系统对应用的管理

① 生命周期的管理

应用的加载、迁移、销毁等操作

② 计算资源的分配

CPU：线程的调度机制

内存：物理内存的分配

IO设备：设备的复用与分配

③ 安全与隔离

应用程序内部：访问控制机制

应用程序之间：隔离机制，包括错误隔离和性能隔离

说明3：操作系统对应用的管理和服务目标可能存在冲突

① 服务的目标：单个应用的运行效率最大化

② 管理的目标：系统的资源整体利用率最大化

e.g. 单纯强调公平性的调度策略王婉资源利用率低，如细粒度的round-robin导致大量的上下文切换

说明4：由于操作系统衔接了硬件和应用，因此当二者发生变化时，操作系统也需要随之改变

① 当前硬件种类越来越多（e.g. 自动驾驶汽车中包含通用处理器、人工智能加速器、高带宽内存、雷达等），操作系统需要对他们进行管理与抽象

② 应用的需求越来越多样化（e.g. 很多应用对时延的要求越来越苛刻），操作系统需要予以满足

说明5：操作系统提供了为每个应用的资源设置配额的机制（e.g. cgroup机制），从而限制一个应用所能使用的资源数量

1.3 操作系统的结构

1. 狭义的操作系统指的是操作系统内核加shell，但是随着硬件种类和应用程序的需求越来越丰富，大量共性功能沉淀到操作系统中

2. 广义的操作系统可以分为操作系统内核和操作系统框架两层，其中

① 操作系统内核负责对硬件资源的管理与抽象，为操作系统框架提供基础的系统服务

② 操作系统框架则基于操作系统内核提供的服务，为不同的应用提供编程接口与运行环境

1.4 操作系统的发展趋势

1. 从封闭到开发，再到封闭

2. 从专用到通用，再到专用

① 传统操作系统不能满足实时、安全、可信等需求

② 从通用计算走向领域计算，各种xPU（GPU、TPU、BPU）不断出现

3. 从简单到复杂，到更复杂

Linux内核代码已超过2000W行，而且还在以每年200W行的速度增加

说明：一个芯片上的OS不再是一个单一OS，而是一组OS

1.5 操作系统面临的挑战

1.5.1 操作系统的可扩展性

假设执行如下代码，不断分配文件描述符

随着CPU核的增加，预期的理想性能应该是逐渐增加的，但是实际性能却是随着CPU核心的增加，处理性能不升反降

导致该问题的原因有2个，

1. 多核中锁的开销

2. 多核之间Cache同步开销，如下图所示，跨L3 Cache访问的耗时巨大

1.5.2 隔离与性能的权衡

1. 隔离必然造成进程间通信，而进程间通信的速度远比函数调用慢

2. 经过对进程间通信持续近30年的优化，IPC依然可占到程序总运行时间的30%

1.5.3 安全性挑战

操作系统还存在各种bug导致的安全隐患，例如对用户态传入的地址检查不够全面

2 操作系统接口

从应用的角度来看，操作系统提供了不同层次的接口，主要包括系统调用接口、POSIX接口和领域应用接口

2.1 系统调用接口

应用程序通过系统调用接口向内核申请服务，以printf函数调用为例（基于ARMv8体系结构）

1. printf函数调用标准库libc中的write函数

2. libc准备好相关参数后，执行svc指令，使得控制流从用户地址空间下陷（trap）到内核地址空间

3. 操作系统内核下陷处理函数根据系统调用传入的系统调用号，识别出该系统调用需要执行的内核函数sys_write并进行调用

说明：使用strace命令，可以查看应用程序使用的系统调用以及处理的信号

2.2 POSIX接口

1. 由于每个操作系统提供的系统调用各不相同，为了同一个应用程序在不同操作系统上的可移植性（源代码层次），逐渐形成了一些可移植性操作系统接口标准，例如POSIX（Portable Operating System Interface for uniX）

2. POSIX标准通常通过C Library（libc）来实现，常见的libc包括glibc、musl、bionic（Android）

3. 应用程序只需要调用libc提供的接口就可以实现对操作系统功能的调用，同时也实现了应用程序在类UNIX操作系统上的可移植性

4. 不同的操作系统也可以通过对libc的移植来支持现有的应用生态

说明：API与ABI

① API是指应用程序编程接口（Application Programming Interface），他定义了两层软件（e.g. libc与Linux内核）之间源码层面的交互接口

② ABI是指应用二进制接口，即在某个特定体系结构下两层软件之间二进制层面的交互接口，包括二进制文件格式（e.g. Linux中的ELF格式）、应用之间的调用约定（e.g. 参数传递与返回值处理）、数据模式（e.g. 大小端模式）等

2.3 领域应用接口

1. 在POSIX或操作系统调用的基础上，还可以封装面向不同领域的领域应用接口

2. 引入领域应用接口，可以提高开发的便捷性（e.g. 更多可复用的功能）

说明：领域应用接口示例

① AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）就是面向汽车领域的应用接口，可以方便汽车电子平台各部件的开发者遵循同一个标准和软件架构

② Android系统框架面向移动平台，为移动应用开发人员定义了应用开发接口；iOS同样也为苹果手机平台定义了应用开发接口

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1.1.2 为应用提供服务和管理

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1.5.1 操作系统的可扩展性

1.5.2 隔离与性能的权衡

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