程式設計師視角的計算機系統 1.7 作業系統管理硬體
回顧我們的你好程式的例子。當外殼程式載入和執行你好程式時，當你好程式列印了它的訊息
的時候，程式根本沒有直接讀取鍵盤，顯示器，磁碟，記憶體中的任何乙個。然而，它們依賴操作
系統提供的服務。我們能夠認為作業系統介於應用程式和硬體之間的一層軟體，如圖1。10所示
乙個應用程式要操作硬體的所有的嘗試必須通過作業系統。
作業系統有兩個主要的目標，1是保護硬體避免執行的應用的誤操作。2是為應用提供乙個簡單
和統一的操作機制，儘管底層的硬體裝置是各種各樣的。作業系統通過 基礎的抽象實現了這
兩個目標。如圖1。11所示：
程序，虛擬記憶體，和檔案。正如 這個圖所示，檔案是輸入與輸出裝置的抽象，虛擬記憶體是記憶體與
磁碟輸入與輸出裝置的抽象，程序是處理器，記憶體和輸入與輸出裝置的整體性的抽象 。我將
乙個乙個地輪流討論它們。
1.7.1 程序
在乙個現代的系統上，當乙個程式例如你好在執行時，作業系統提供了乙個假相，程式是執行在
系統上的唯一的乙個。程式似乎獨佔了處理器，記憶體，和輸入輸出裝置。處理器似乎執行了程式
中的指令，一條接一條指令，沒有中斷。程式中的**和資料似乎是系統的記憶體中的唯一的物件。
程序的概念提供了這些假相，在電腦科學中，這是最重要和成功的思想之一。
對於乙個執行中的程式，乙個程序是作業系統為它進行的抽象。多個程序能夠併發地執行在同乙個
系統中，每個程序似乎獨佔硬體的使用權。通過併發，我們意味著乙個程序的指令與另乙個程序的
指令交織在一起。在大多數的系統中，程序數比執行它們的處理器的數量更多。傳統的系統在乙個時刻
僅能執行乙個程式，然而，最新的多核處理器，能夠同時執行多個程序。在每乙個情況下，乙個單獨的
**處理器似乎能夠併發地執行多個程序，通過處理器在多個程序之間進行切換。作業系統執行這個機制
上的交織，叫做上下文切換。為了簡化這個討論的其它部分，我們認為乙個單處理器的系統僅包含乙個
處理器。在1.9.1部分中我們將再討論多處理器的系統。
為了執行程序，作業系統保持了對程序需要的所有的狀態資訊的跟蹤。這個狀態，叫做上下文，包括了
資訊，例如程式計數器的當前的值，暫存器檔案，記憶體的內容等。在任何乙個時間點，乙個單處理器僅
能夠執行乙個單獨的程序的**。當作業系統決定把控制權從乙個程序轉移到其它的程序時，它執行乙個
上下文的切換，這個切換的操作是儲存當前的程序的上下文，恢復新的程序的上下文，然後把控制權給
新的程序。當新的程序離開時，它也是如此精確地操作。如圖1.12的顯示，我們的例子你好的基本的思想。
在我們的例子中，有兩個併發的程序存在：外殼程序和你好程序。剛開始時，外殼程序單獨地執行著，等待
命令列上的輸入。當 我們要求它執行你好程式時，外殼執行了我們的請求，它是通過乙個特定的函式，這
個特殊的函式，叫做系統呼叫，它把控制權交給了作業系統。作業系統儲存了外殼的上下文，建立了乙個
新的你好程序和它的上下文，然後把控制權交給了新的你好程序。你好終止執行之後，作業系統恢復了外殼
程序的上下文，把控制權交給了外殼程序，外殼程序繼續等待著下乙個命令列的輸入。
實現程序的抽象需要底層的硬體與作業系統的軟體進行密切的配合。在第8章中，我們
將探索這是如何工作的，應用如何能夠建立和控制它們自己的程序。
1.7.2 執行緒
儘管我們常常認為乙個程序作為乙個單獨的控制流，但是在乙個現代的系統中，乙個程序實際上
能夠由多個執行單元組成，這種執行單元叫做執行緒，每個執行緒執行於程序的上下文之中，它們分享
相同的**和全域性的資料。因為網路伺服器的並行的需求，因為在多執行緒之間比多程序之間更容易
分享資料，因為執行緒一般比程序更加地高效，執行緒成為一種日益重要的程式設計模型。當多個處理器可
供使用之時，多執行緒也是使得程式執行更快的一種方法，在1.9.1部分中，我們將討論這個內容。
在第12章中，你將學習並行的基本的概念，包括如何寫執行緒的程式。
1.7.3 虛擬記憶體
虛擬記憶體是乙個抽象，它提供給每個程序乙個假相，讓程序以為是獨佔記憶體的使用權。每個程序
對於記憶體有乙個相同的統一的視角，這就是虛擬位址空間。對於linux的程序而言，虛擬位址空間
如圖1.13所示(其它的unix系統使用了相似的布局) 在linux中，位址空間的最頂層區域在為了在
作業系統中的對所有的程序而言共同的資料和**保留的。位址空間的更低的區域儲存了使用者的
程序的**和資料。注意的是，在圖中的位址的增長是從底部向上的。
每個程序看到的虛擬位址空間由一系列的定義好的區域組成，每個都有特殊的目的。在本書中，
你將學習到關於這些區域的更多的知識，但你在每個部分都簡單地看一下是有幫助的，從最低的
位址開始，向上看：
程式的**和資料：對於所有的程序，**開始於相同的固定的位址，它緊隨著全域性c變數的資料
位址。在我們的你好例子中，從可執行的目標檔案直接地初始化為**和資料區域。在第7章中，
當我們學習和研究鏈結和載入時，你將學習關於位址空間的部分的更多的知識。
堆 **和資料直接緊隨著執行時的堆。不像**和資料區，一旦程序開始執行，有固定的大小，
在執行時，堆的大小動態地增長和收縮，正如呼叫c標準**庫的程式malloc,free的結果 。在
第9章中，我們學習管理虛擬記憶體時，我們將在細節上研究堆的使用。
共享**庫 在位址空間的中端附近是乙個區域，它儲存共享**庫的資料和**，例如c標準
**庫和數學庫。乙個共享的**庫的概念是乙個強有力的但是稍微有點難度的概念。在
第7章中，我們學習動態鏈結時，我們將學習它們是如何工作的。
棧 在使用者的虛擬位址空間的頂層是使用者的棧，編譯器用它來實現函式呼叫，像堆一樣，隨著
程式的執行，使用者的棧的大小動態的增長和收縮。在特定的情況下，我們每次呼叫函式，棧都
增長。我們每次從乙個函式返回，棧都收縮。在第3章中，你能學習到編譯器是如何使用棧的。
核心虛擬記憶體 記憶體是作業系統 的一部分，它常駐記憶體。位址空間的頂層是為記憶體預留的區域。
應用程式不能讀寫這個區域的內容，或者是直接呼叫在定義在核心**中的函式。
對於虛擬記憶體的工作，乙個在硬體與作業系統 之間要求複雜的互動操作，包括由處理器生成
的每個位址的硬體上的翻譯。在磁碟上，乙個處理器的虛擬記憶體的儲存內容的基本思想，然後
使用記憶體作為磁碟的緩衝。在第9章中，解釋了這是如何工作的，對於現代的系統而言，這種
操作是為什麼如何重要。
1.7.4 檔案
乙個檔案是位元組們的序列，什麼也不多，什麼也不少。每個輸入輸出裝置，包括磁碟，鍵盤，
顯示器，甚至是網路，都被建模為乙個檔案。在系統中的所有的輸入和輸出都通過讀寫檔案
來執行，使用系統呼叫的乙個很小的集合，叫做unix 輸入與輸出。
乙個檔案的簡單的優雅的表示毫無疑問是非常強有力的，因為它提供給應用關於在系統中包括
的各種不同的輸入與輸出裝置的乙個統一的視角。例如，應用程式的程式設計師來操縱 乙個磁碟的
內容，可以不用關心特定的磁碟技術。進而，相同的程式將執行在不同的作業系統上，可以使用
不同的硬碟技術。在第10章中，你將學習到unix的輸入與輸出技術。
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