深入理解计算机系统

第一章

信息就是位+上下文

区分不同数据对象的方法是这些数据对象的上下文

程序被其他程序翻译成不同的格式

Unix系统上，从源文件到目标文件的转化是由编译器驱动程序完成的

gcc -o hello hello.c

这个编译过程可以分为4个阶段，执行这4个阶段的程序（预处理器、编译器、汇编器和链接器）一起构成了编译系统（compilation system）

王道计算机考研

第一章

1.1

什么是操作系统(Operating System OS)：

是系统资源的管理者：控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调用计算机的工作和资源的分配

提供的功能：处理机管理，储存器管理，文件管理，设备管理

目标：安全，高效
向上层提供方便易用的服务：以提供给用户和其他软件方便的接口和环境

GUI(Graphical User Interface)：图形化用户接口

联机命令接口(=交互式命令接口)：比如Windows的cmd命令行，用户说一句，系统做一个命令

脱机命令接口(=批处理命令接口)：用户说一堆命令，系统执行一堆命令

程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用

有的教材中：系统调用=广义指令

有的教材中l:命令接口和程序接口统称用户接口
是最接近硬件的一层软件：是计算机系统中最基本的系统软件

需要实现对硬件机器的拓展

操作系统的四个特征：并发、共享、虚拟、异步

并发：一段时间上看着像同时运行，但是在某一时刻只有一个运行(并行的某一时刻同时运行)

共享：有互斥共享和同时共享

虚拟：把物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物

（一个程序需要放入内存并分配CPU才能执行）一个游戏需要4G运行内存，其他的程序也需要一些内存，但我的电脑只有4G，可是它们可以同时运行。—-虚拟存储技术中的空分复用技术

单核CPU可以运行多个程序，CPU不是已经被分配给某程序吗—–时分复用技术-微观上处理机在各个小的时间段内交替着为各个进程服务

异步：程序不是一次性执行完的，中间可能多停，以不可预知的速度前进

1.2 OS的发展和分类

分时操作系统不能优先处理一些紧急任务。对每个用户/作业都是公平的

实时操作系统可以优先响应一些紧急任务

硬实时系统、软实时操作系统

1.3

运行机制

CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示内核态，0表示用户态

内核态—->用户态：执行一条特权指令–修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作说明操作系统将注定让出CPU使用权

用户态—>内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU使用权

中断和异常

应用程序请求操作系统内核的服务，会执行一条特殊的指令–陷入指令，会引发内中断

系统调用

应用程序通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

共享资源的操作

操作系统体系结构

变态的过程是有成本的，要消耗时间，频繁地变态会降低系统性能

操作系统引导 boot

主引导记录（MBR）:包含磁盘引导程序和分区表

虚拟机

第一类虚拟机管理程序 Virtual Machine Monitor VMM，直接运行在硬件上，处在内核空间

每个虚拟机的操作系统运行在虚拟内核空间，实际上是运行在用户态的

第二类VMM ，运行在宿主操作。VirtualBox、VMware

第二章

进程控制块（PCB Process Control Block）

PCB是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，操作系统为创建PCB。

实验

实验1

mkdir 新建目录
rmdir 删除目录
	rmdir dir1 //删除目录dir1，但dir1目录下必须为空
	rmdir -r dir1 //全部删除
cp [options] 源文件  目标文件   //复制文件或目录
	-f:强行覆盖已经存在的目标文件
	-i:在强行覆盖已经存在的目标文件时给出提示
	-R:整个目录复制
rm 删除文件
	rm file? //删除文件名有五个字符，且前四个为file
	rm f* //是你出文件名以f为字首的所有文件
touch 新建文件
mv 文件和文件夹的移动和重命名

//编译
gcc -o filename filename.c
//执行
./filename

vim

文件的保存和退出：

实验2

fork() 调用返回两次是因为它在创建新进程时会创建当前进程的一个副本，而这两个副本都将继续执行。下面是详细的解释：

父进程中：

- 在父进程中，fork() 返回新创建的子进程的PID（进程ID）。
- 父进程获得的返回值是非零的，通常是子进程的PID。这样，父进程可以通过返回值判断它是在父进程中执行的代码块。
子进程中：
- 在子进程中，fork() 返回0。
- 子进程的返回值是0，用于区分它是在子进程中执行的代码块。

这样，通过检查 fork() 的返回值，程序可以在父子进程中采取不同的执行路径。这种设计的灵活性使得程序能够在创建新进程后采取适当的行动。

并发执行： fork() 创建了两个相同的进程，它们可以在同一时刻并发执行。这样可以充分利用多核处理器的性能。
独立的执行环境： 父子进程各自拥有独立的地址空间。这意味着它们可以独立地运行，互不影响。子进程的状态（变量值等）不受父进程的影响，反之亦然。
灵活性： 通过在父子进程中检查 fork() 的返回值，程序可以选择在不同的执行路径中采取不同的行动。这是一种创建并发、灵活的方式。

总体来说，fork() 的返回两次是为了让程序能够在父子进程之间进行不同的操作，以实现更灵活和并发的程序设计。

**getpid()**：获取当前进程的PID（进程ID）

**getppid()**：获取当前进程的父进程的PID（父进程ID）

**wait()**：系统调用，用于父进程等待其子进程结束

父子进程相互独立，不会因为父进程结束而子进程结束，但是子进程的父进程ppid改变了

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
 pid_t  pid=fork();
// ② 
if(pid==0)
{
 sleep(3);
 printf("Child: pid=%d, ppid=%d\n", getpid(), getppid());
}
else
{
 printf("Parent: Child=%d, pid=%d, ppid=%d\n", pid, getpid(), getppid());
// wait(NULL);
 printf("After Child ends.\n");
}
printf("In which process?\n");
}

这里父进程先执行完，显示的子进程是8536，自己的进程是8535.

而下面子进程输出的父进程pid改变了，这里先让子进程休眠3秒保证父进程先执行完。

当父进程在执行完并退出后，子进程的父进程 ID (ppid) 就会变为 1，即切换到 init 进程的 ID，但是这里我的输出是1617。

这里查看了pid=1617是什么进程

是systemd进程，然后对其进行了解，systemd是一个系统和服务管理器，是一个系统初始化和管理的主要组件，用于替代传统的init系统

实验3

#include <unistd.h>

int lockf(int fd, int cmd, off_t len);

lockf(1,1,0)和lockf(1,0,0)
#对标准输出进行加锁操作，即试图将标准输出锁定，阻止其他进程写入
#对标准输出进行解锁操作，即释放之前加锁的标准输出，允许其他进程写入

SIGALRM：当使用 alarm 函数设置一个定时器，并且指定了一个计时时间（秒数），当计时时间到达时，操作系统会向进程发送 SIGALRM 信号，这样就触发了定时器的到期事件。

在 C 语言中，可以使用 signal 函数或 sigaction 函数来为 SIGALRM 信号注册一个处理函数，以定义在信号到来时要执行的操作。

1	signal(SIGALRM, alarm_handler);

signal(SIGINT, SIG_IGN) 的作用是将中断信号 SIGINT 的处理方式设置为忽略

一个错误

在 C 语言中，运算符的优先级会影响表达式的求值顺序。在这里，> 运算符的优先级高于 = 运算符，因此在没有明确括号的情况下，条件表达式会先进行 fork() > 0 的比较，然后再将结果赋给 p1 和 p2。

具体来说：

if(p1=fork() > 0) 将先计算 fork() > 0，得到一个布尔值（1 或 0），然后将该布尔值赋给 p1。这样，p1 的值始终是 0 或 1，并不是预期的子进程的 PID。
同理，if(p2=fork() > 0) 也会导致类似的问题。

为了正确地获取子进程的 PID，应该在 fork() 前添加括号，确保先执行 fork()，然后再进行比较，如下所示：

1	if ((p1 = fork()) > 0)

1	if ((p2 = fork()) > 0)

这样就保证了先执行 fork()，然后再将结果赋给 p1 和 p2。

管道

存储管道的文件描述符，fd[0]用于读取，fd[1]用于写入

int fd[2];





//管道写入，读取
write(fd[1],outpipe,50);
//fd[1] 表示管道写入端
//outpipe 存储消息的字符数组
//50 写入的字节数
read(fd[0],inpipe,50);
//fd[0] 表示管道读取端
//outpipe 存储消息的字符数组
//50 读取的字节数

实验4

消息队列

1	msgqid = msgget(MSGKEY, 0777 \| IPC_CREAT);

MSGKEY 是消息队列的关键字，用于唯一标识一个消息队列，通常有开发者指定，并在不同进程间共享，以便它们能访问同一个消息队列
0777是消息队列的权限设置
IPC_CREAT 标识表示如果消息队列不存在就创建一个新的
mdgqid 是一个变量，用于存储获取或创建的消息队列的ID

发送消息

1	msgsnd(msgqid,&msg,1030,0);

msgqid：消息队列的ID，表示将消息发送到哪个消息队列。
&msg：指向存储消息内容的结构体的指针。在这里，msg 应该是一个结构体，其中包含了消息的内容，包括消息类型（mtype）和其他信息。
1030：消息的大小，以字节为单位。这里表示消息的大小为 1030 字节。消息的大小要小于或等于消息队列的限制。
0：消息发送的标志位，通常设为 0 表示阻塞式发送。如果设置为非零值，可以控制发送消息的行为，例如设置为 IPC_NOWAIT 表示非阻塞发送。

接收消息

1	msgrcv(msgqid, &msg, 1030, 0, 0);

msgqid：消息队列的ID，表示从哪个消息队列接收消息。
&msg：指向存储接收到的消息内容的结构体的指针。在这里，msg 应该是一个结构体，用于存储接收到的消息的内容，包括消息类型（mtype）和其他信息。
1030：消息的大小，以字节为单位。这里表示期望接收的消息的最大大小为 1030 字节。实际接收到的消息大小不会超过这个值。
0：消息的类型。如果为 0，表示接收队列中的第一条消息。如果指定了其他值，只有类型匹配的消息才会被接收。
0：接收消息的标志位，通常设为 0 表示阻塞式接收。如果设置为非零值，可以控制接收消息的行为，例如设置为 IPC_NOWAIT 表示非阻塞接收。

阻塞式接收指的是当接收方尝试从消息队列中接收消息时，如果队列为空，接收方会被阻塞（暂停执行），直到队列中有消息可供接收为止。这种方式保证了接收方只有在有消息可以处理的情况下才会继续执行。

释放消息队列

1	msgctl(msgqid, IPC_RMID,0);

msgqid：表示要操作的消息队列的标识符（ID）。
IPC_RMID：表示要执行的操作。在这里，IPC_RMID 表示删除消息队列。
0：通常情况下，这个参数可以不用管，可以设置为 0。

创建或获取一个共享内存标识符

1	shmid = shmget(SHMKEY, 1024, 0777 \| IPC_CREAT);

这段代码使用 shmget 函数创建或获取一个共享内存标识符（Shared Memory Identifier）。具体参数和含义如下：

1	shmid = shmget(SHMKEY, 1024, 0777 \| IPC_CREAT);

SHMKEY：共享内存的键值，是一个整数。在不同的进程之间，通过相同的键值可以访问同一块共享内存。通常，这个键值是一个事先定义好的常数。
1024：表示共享内存的大小，单位是字节。在这里，共享内存的大小为 1024 字节。
0777 | IPC_CREAT：表示创建共享内存区域的访问权限。0777 是八进制表示的权限位，这里表示读、写、执行权限。IPC_CREAT 表示如果没有找到具有给定键值的共享内存，则创建一个新的。
shmid：是 shmget 返回的共享内存标识符，可以用于后续的共享内存操作。

1	shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);

shmid：是由 shmget 返回的共享内存标识符，用于指定要操作的共享内存区域。
IPC_RMID：是 shmctl 的命令参数，表示要执行的操作是删除共享内存区域。
0：是额外的参数，通常设置为 0。

计算机操作系统

第四章存储器管理

页面大小4KB，为什么是B不是b

按字节寻址，每个地址是3位

头歌

课1

文件操作

Linux中创建文件的常用命令是touch，命令格式如下：touch filename

删除文件的命令rm, rm [命令选项] filename

常用命令选项：

-f：强制删除

-r：递归处理，将指定目录下的所有文件与子目录一并处理

-i：删除已有文件或目录之前先询问用户

目录操作

创建文件夹mkdir，mkdir [命令选项] dirname

常用命令选项： -p或--parents 若所要建立目录的上层目录目前尚未建立，则会一并建立上层目录；

删除文件夹：rmdir [命令选项] dirname

常用命令选项：-p或--parents：删除指定目录后，若该目录的上层目录已变成空目录，则将其一并删除；

文件和文件夹的拷贝：cp [命令选项] 源文件目的文件

常见命令选项：

-f：强行复制文件或目录，不论目标文件或目录是否已存在；
-i：覆盖既有文件之前先询问用户；
-p：保留源文件或目录的属性；
-R/r：递归处理，将指定目录下的所有文件与子目录一并处理。

文件和文件夹的移动/重命名：

mv [命令选项] 源文件目标文件

常见命令选项：

-f：强行复制文件或目录，不论目标文件或目录是否已存在；
-i：覆盖既有文件之前先询问用户；
-p：保留源文件或目录的属性；
-R/r：递归处理，将指定目录下的所有文件与子目录一并处理'。

文件查看命令

cat

cat命令用于连接文件并打印到标准输出设备上，有很多叫它“猫咪”命令，但cat命令其实是 concatenate（连续）的缩写，即连续显示文本内容。cat命令常常用于查看内容较少的文件，因为文件太大时，前面的内容就滚出屏幕，看不到了。

head

head命令可用于查看文件的开头部分的内容，有一个常用的参数-n用于显示行数，默认为 10，即显示 10 行的内容。

tail

tail命令和head反过来的，用途是依照要求将指定的文件的最后部分输出到标准设备，通常是终端，通俗讲来，就是把某个档案文件的最后几行显示到终端上，假设该档案有更新，tail会自己主动刷新，确保你看到最新的档案内容。

nl

nl命令将指定的文件添加行号标注后写到标准输出。空行不显示行号。

文件编辑基本命令

对于文件的编辑操作可以使用vi/vim编辑器，vim是vi的升级版，二者操作基本上相同。对于编辑器的基本命令如下： vi filename：打开文件。键盘输入i或者a进行编辑：最底下出现insert就进入编辑模式可以进行编辑了。键盘按Esc键：退出编辑模式。键盘输入:q！：强制退出编辑并不保存。键盘输入:wq或者:x：保存文件并退出。

用户管理

新建用户

useradd [命令参数] 名称 //root用户，否则 sudo

-d<登入目录>：指定用户登入时的启始目录；
-D：查看或变更预设值；
-g<群组>：指定用户所属的群组；
-m：自动建立用户的登入目录；
-M：不要自动建立用户的登入目录；
-s：指定用户登入后所使用的shell。

Linux用户信息保存在**/etc/passwd**文件中

密码设置

passwd 参数用户名 //root

-d 删除密码；
-l 停止账号使用；
-S 显示密码信息。

Linux中用户的密码存放在**/etc/shadow**文件中

用户登录

su命令用于切换当前用户身份到其他用户身份，变更时须输入所要变更的用户帐号的密码。

当使用su命令切换用户后，使用exit命令退出当前身份，返回原有登录用户身份。

注：如果当前用户身份是 root，则使用 su 命令切换到其他用户的时候不需要相应用户的密码。

su 用户名

su命令所有使用者都可以执行。

删除用户

userdel 参数用户名

-f：强制删除用户，即使用户当前已登录；
-r：删除用户的同时，删除与用户相关的所有文件。

文件管理

文件的访问权限分为只读，只写和可执行三种。

只读权限表示只允许读其内容，而禁止对其做任何的更改操作。

只写权限表示允许修改文件的内容。

可执行权限表示允许将该文件作为一个程序执行。

修改文件权限

chmod [who] [+ 或 - 或 =] [mode] 文件名

who参数如下：

u 表示“用户（user）”，即文件或目录的所有者；
g 表示“同组（group）用户”，即与文件属主有相同组ID的所有用户；
o 表示“其他（others）用户”；
a 表示“所有（all）用户”，它是系统默认值。

操作符如下：

+：添加某个权限；
-：取消某个权限；
=：赋予给定权限并取消其他所有权限。

mode如下：

r 可读； = 4
w 可写； = 2
x 可执行。 = 1

1
2
3

chmod a=r filename
chmod a=rw,g=r filename
chmod 754 filaname

课2

外部中断

科3

共享文件夹挂载

VMware虚拟机Ubuntu共享文件夹 (baidu.com)

sudo /usr/bin/vmhgfs-fuse .host:/VMsharedFile /mnt/hgfs -o allow_other -o uid=1000

这个命令使用了 sudo 权限来运行 /usr/bin/vmhgfs-fuse 工具，将.host:/VMsharedFile 挂载到本地目录 /mnt/hgfs 上。

解释这个命令的不同部分的含义：

sudo：以超级用户权限运行命令，因为挂载操作通常需要管理员权限。
/usr/bin/vmhgfs-fuse：vmhgfs-fuse 是一个工具，用于将 VMware 中的共享文件夹挂载到虚拟机的本地文件系统上。
.host:/VMsharedFile：指定要挂载的共享文件夹的路径，.host:是 VMware 中的特殊表示，用于表示主机系统。（**在输入命令的时候.host:/不要变，别用你主机的名称：C:或者D:**）
/mnt/hgfs：指定挂载点的目录，这是一个本地目录，用于将共享文件夹的内容映射到虚拟机中。
-o allow_other：选项用于允许其他用户访问挂载点上的文件。
-o uid=1000：选项指定挂载点上文件的所有者用户ID，这里设置为1000。