学 NJU 操作系统时的一些札记。

第二课。应用视角的 OS

  • 编译器：状态机 .c →\to 状态机 .s ；不改变外部観测行为的解释器都是合法的。

  • 操作系统中的任何程序都是调用 syscall 的状态机！

    • 何以验证？使用一个 strace 的调试工具，追踪应用的系统调用。
    • strace 不关心硬件层面的指令（add, mov 等），而关注 OS 边界的东西

  • 例如，当我们尝试 strace -f gcc hello.c 追踪一个 c 程序的编译过程：

execve("/usr/bin/gcc") # 串联所有命令的编译器
execve("/usr/lib/gcc/x86_6h4-linux-gnu/11/cc1") # 进行编译过程
execve("/usr/bin/as",L"as") # 进行汇编过程
execve("/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/collect2") # 链接预处理
execve("/usr/bin/ld") # 进行链接过程

第三课。硬件视角的 OS

  • CPU 厂商与电脑主板厂商达成的约定：CPU Reset 后的状态（PC 寄存器的值）

  • 厂商为操作系统开发者提供了 Firmware，可以把一个小存储设备的代码加载到内存（如 BIOS）

    • 例如 intel x86 手册里面，EIP 的初值是 0000FFF0H；
    • BIOS 也可以视作一个小“操作系统”，便于厂商配置硬件、加载OS，对应 MBR 的分区格式；
    • 如今的 UEFI 规定了硬件所对应的“驱动”规范，便于硬件管理，对应 GPT 的分区格式；

  • gdb 调试工具十分重要，可以帮助我们理解操作系统的底层原理；

    • 当然，如果可以用一些小工具（例如 Makefile），这个过程会舒服更多；
    • wa 命令可以在内存上打一个 watch point，就可以观察到内存的修改；

  • 操作系统本质上就是硬件上运行的 C 程序。

    • 只要实现若干个指令（如 syscall）就可以了（确信；
    • 要学会借助 AI 工具（ChatGPT 以及 Prompt 的艺术），简化学习复杂度；

第四课。Python视角的OS

  • 回顾：硬件/软件的状态机模型

    • OS：包含了若干进程与文件，每个进程都有 API 访问文件；
    • 硬件：执行指令，从 Reset 状态开始就执行 Firmware 代码；

  • C++ 中面向对象的虚函数在 OS 中是如何调用的？

    • 对于每一个类创造一个虚函数表，动态绑定（运行时根据对象类型确定所调用的函数）；

  • 操作系统中的程序是状态机，那 OS 本身呢？

    • OS 就是状态机集合的管理者，可以创建/调度状态机！
    • 通过在不同状态机之间随机调度，OS 可以制造一种状态机并行的假象；
    • 状态机是线程或进程的抽象：线程可以共享内存、进程有独立的内存；
    • 调度的难点：封存当前状态机的状态，恢复一个被封存的状态机（分时调用）；