关键问题：如何将资源虚拟化

我们将在本书中回答一个核心问题：操作系统如何将资源虚拟化？这是关键问题。
为什么操作系统这样做？ 这不是主要问题，因为答案应该很明显：它让系统更易于使用。
因此我们关注如何虚拟化：操作系统通过哪些机制和策略来实现虚拟化？操作系统如何有效地实现虚拟化？需要哪些硬件支持？

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4 - 进程

关键问题：如何提供有许多CPU的假象？

虽然只有少量的物理的CPU可用，但是操作系统如何提供几乎有无数个CPU可用的假象？
操作系统通过虚拟化CPU提供这种假象。通过让一个进程只运行一个时间片，然后切换到其他进程，操作系统提供了存在多个虚拟CPU的假象。这就是时分共享(time sharing)CPU技术，允许用户如愿运行多个并发进程。潜在的开销就是性能损失，因为如果CPU必须共享，每个进程的运行就会慢一点。

机制与策略

机制是一些低级方法或协议，实现了所需的功能。
策略是在操作系统内做出某种决定的算法。

分离策略和机制

在许多操作系统中，一个通用的设计范式是将高级策略与低级机制分可。你可以将机制堪称系统的"如何(how)"问题功能答案。操作系统如何执行上下文切换？策略为"哪个(which)"问题提供答案。
例如，操作系统现在应该运行哪个进程？
++将两者分开可以轻松改变策略，而不必重新考虑机制，因此这是一种模块化(modularity)的形式，一种通用的软件设计原则++

系统系统的基本的抽象 — 进程。
进程就是运行中的程序。

操作系统如何启动并运行一个程序？进程创建实际如何进行?

操作系统运行程序必须做的第一件事是将代码和所有静态数据(例如初始化变量)加载到内存中，加载到进程的地址空间中。
将代码和静态数据加载到内存后，操作系统在运行此进程之间还需：为程序的运行时栈(run-time stack或stack)分配一些内存，C程序使用栈存放局部变量、函数参数和返回地址。
操作系统也可能为程序的堆(heap)分配一些内存。在C程序中，堆用于显式请求的动态分配数据。malloc()/free()；数据结构(如链表、散列表、树和其他有趣的数据结构)需要堆。起初堆很小，随着程序运行，通过malloc()库API请求共呢个多内存。
操作系统还将执行一些其他初始化任务，特别是与输入/输出(I/O)相关的任务。例如UNIX系统中，默认情况下每个进程都有3个打开的文件描述符，用于标准输入、输出和错误。

通过上述工作，OS终于为程序执行搭好了舞台。然后执行最后一项任务：启动程序，在入口处运行，即main()。通过跳转到main()例程，OS将CPU的控制权转移到创建的进程中，从而程序开始执行。

5 - 进程API

关键问题：如何创建并控制进程？

操作系统应该提供怎样的进程来创建及控制接口？如何设计这些接口才能既方便又实用？

• fork()
  子进程并不是完全拷贝了父进程。具体来说，虽然它拥有自己的地址空间(即拥有自己的私有内存)、寄存器、程序计数器等，但是它从fork()返回的值是不同的。父进程获得的返回值是新创建子进程的PID，而子进程获得的返回值是0.
  CPU调度程序(scheduler)决定了某个时刻哪个进程被执行，由于CPU调度程序非常复杂，所以我们不能假设哪个进程会先运行。 事实表明，这种不确定性(non-determinism)会导致一些很有趣的问题，特别是在多线程程序(multi-threaded program)。
• wait()
  用于父进程等待子进程执行完毕。
• exec()
  这个系统调用可以让子进程执行与父进程不同的程序。调用fork()，这只是在你想运行相同程序的拷贝时有用。

给定可执行程序的名称(如wc)及需要的参数后，exec()会从可执行程序中加载代码和静态数据，并用它覆写自己的代码端(以及静态数据)，堆、栈及其他内存也会被重新初始化。然后操作系统就执行该程序，将参数从高argv传递给该进程。因此，它并没有创建新进程，而是直接将当前运行的程序替换为不同的运行程序。对exec()的成功调用永远不会返回。

分离fork()及exec()的作用
给shell在fork之后exec之前运行代码的机会，这些代码可以在运行新程序前改变环境，从而让一系列有趣的功能很容易实现。

6 - 进制：受限直接执行

在构建虚拟化时存在的挑战

• 如何在不增加系统开销的情况下实现虚拟化?
• 有效地运行如何有效地运行进程，同时保留对CPU的控制？
  控制权对于操作系统尤为重要，因为操作系统负责资源管理。如果没有控制权，一个进程可以简单地无限制运行并接管机器，或访问没有权限的信息。

关键问题：如何高效、可控地虚拟化CPU

操作系统必须以高性能的方式虚拟化CPU，同时保持对系统的控制。为此，需要硬件和操作系统支持。操作系统通常会明智地利用硬件支持，以便高效地实现其工作。

受限直接运行

直接执行：只需直接在CPU上运行程序即可，当OS希望启动程序运行时，它会在进程列表中为其创建一个进程条目，为其分配一些内存，将程序代码(从磁盘)加载到内存中，找到入口点，跳转到哪里，并开始运行用户代码，并在稍后回到内核。

存在问题：

问题1：如果我们只运行一个程序，操作系统怎么能确保程序不做任何我们不希望它做的事，同时仍然高效地运行它？
增加受限制操作

关键问题：如何执行受限制的操作

一个进程必须能够执行I/O和其他一些受限制的操作，又不能让进程完全控制系统。操作系统和硬件如何写作实现这一点？

采用受保护的控制权转移

硬件通过提供不同的执行模式来协助操作系统。在用户模式(user mode)下，应用程序不能完全访问硬件资源。在内核模式(kernel mode)下，操作系统可以访问机器的全部资源。还提供了陷入(trap)内核和从陷阱返回(return-from-trap)到用户模式程序的特别说明，以及一些指令，让操作系统高速硬件陷阱表(trap table)在内存中的位置。

执行陷阱时，硬件需要小心，因为它必须确保存储足够的调用者寄存器，以便在操作系统发出从陷阱返回指令时能够正确返回。

补充：为什么系统调用看起来像过程调用

你可能知道，为什么对系统调用的调用(如open() read())看起来完全就像C中的典型过程调用。也就是说，如果它看起来像一个过程调用，系统如何知道这是一个系统调用，并做所有正确的事情？原因很简单：它是一个过程调用，但隐藏在过程调用内部的是著名的陷阱指令。更具体地说，当你调用open()时，你正在执行对C库的过程调用。其中，无论时对于open()还是提供的其他系统调用，库都使用与内核一致的调用约定来将参数放在众所周知的位置(例如，在栈中或特定的寄存器中)，将系统调用号也放入一个众所周知的位置(同样，放在栈或寄存器中)，然后执行上述的陷阱指令。库中陷阱之后的代码准备好返回值，并将控制权返回给发出系统调用的程序。因此，C库中进行系统调用的部分是用于汇编手工编码的，因为它们需要仔细遵守约定，以便正确处理参数和返回值，以及执行硬件特定的陷阱指令。现在你知道为什么你自己不必写汇编来陷入操作系统了，因为有人已经为你写了这些汇编。

陷阱如何知道在OS内运行哪些代码

显然，发起调用的过程不能指定要跳转到的地址(就像你在进行过程调用时一样)，这样做让程序可以跳转到内核中的任意位置，这显然是一个糟糕的主意。
内核通过在启动时设置陷阱表(trap table)来实现。当机器启动时，它在特权(内核)模式下执行，因此可以根据需要自由配置机器硬件。操作系统做的第一件事，就是告诉硬件在发生某些异常事件时要运行哪些代码。例如，当发生硬盘终端，发生键盘中断或程序进行系统调用时，应该运行哪些代码？操作系统通常通过某种特殊的指令，通知硬件这些陷阱处理程序的位置。

问题2：当我们运行一个进程时，操作系统如何让它停下来并却换到另一个进程，从而实现虚拟化CPU所需的时分共享？
在进程之间切换

关键问题：如何获取CPU的控制权

操作系统如何获得CPU的控制权(regain control),以便它可以在进程之间切换？

• 协作方式：等待系统调用
  过去某些系统采用的一种方式，在这种风格下，操作系统相信系统的进程会合理运行。运行事件过长的进程被假定会定期放弃CPU，以便操作系统可以决定运行其他任务。
  大多数进程通过进行系统调用，将CPU的控制权转移给操作系统。

  提示：处理应用程序的不正当行为
  操作系统通常必须处理不正当行为，这些程序通过设计(恶意)或不小心(错误)，尝试做某些不应该做的事情。在现代系统中，操作系统试图处理这种不当行为的方式是简单地终止犯罪者。
  如果应用程序执行了某些非法操作，也会将控制转移给操作系统(如除0操作)。
  这种方式存在问题：如果某个进程进入无限循环，并且从不进行系统调用，会发生什么情况？

• 非协作方式：操作系统进行控制
  事实证明，没有硬件的额外帮助，如果进程拒绝进行系统调用(也不出错)，从而控制权将无法交还给操作系统，那么操作系统无法做任何事情。只能重启计算机。

  关键问题：如何在没有写作的情况下获得控制权？

  即使进程不协作，操作系统如何获得CPU的控制权？操作系统可以做什么来确保流氓进程不会占用机器？
  答案：时钟中断
  时钟设备可以编程为每隔几毫秒产生一次中断。产生中断时，当前正在运行的进程停止，操作系统中预先配置的中断处理程序会运行。此时，操作系统重新获得CPU的控制权。

请注意，在此协议中，有两种类型的寄存器保存/恢复。第一种是发生时钟中断的时候。在这种情况下，运行进程的用户寄存器由硬件隐式保存，使用该进程的内核栈。第二种是当操作系统决定从A切换到B。这种情况下，内核寄存器被软件(即OS)明确地保存，但这次被存储在该进程的进程结构的内从中。后一个操作让系统从好像刚刚由A陷入内核，变成好像刚刚由B陷入内核。