POS - The Principle of Operating System Based on Linux
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Linux基础
- 安装Linux
- Linux哲学
- 基础命令&操作
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操作系统概论
- 处理器调度
- 内存管理
- 文件系统
- 进程管理
- 设备管理
- I/O
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Linux内核
- 内核结构
- 编译内核
Final Project：
编译自己按需定制的内核，配置出个性化的操作系统
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操作系统定义：
The layer of software between applications and the computer hardware that is responsible for managing the computer system.
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操作系统的作用：
- 处理器调度：给不同任务分配系统资源
- 内存管理：对内存空间的管理，分配
- 文件系统：如何科学的组织，管理文件
- 进程管理：如何分配，管理进程以及进程通信
- 设备管理：对于设备的组织和管理
- 输入输出– I/O：操作系统的输入输出管理，磁盘读写&网络
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操作系统课题主要内容
# 处理器调度
# 内存管理
# 文件系统
# 进程管理
# 设备管理
# I/O（Input& Output）
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什么是Linux
Linux是一种自由和开放源代码的类UNIX操作系统。目前运用最广泛使用人数最多的UNIX-Like操作系统。该操作系统的内核由林纳斯·托瓦兹Linus在1991年10月5日首次发布。
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为什么以Linux为例讲解
Linux不像其他封闭系统，它的运行机制是完全可以观察和用户干预的。这一点给演示带来很大的便利。其次类Unix操作系统在科研领域运用广泛，学习好Linux有助于为其他计算机科学方向打好基础。
- 制作安装镜像. 利用dd命令 - Disk Duplicating把镜像复刻入启动设备如U盘
dd if=~/Mint.iso of=/dev/sdb1 - 从启动设备启动（设置BIOS）
- 安装Linux到硬盘 - 注意分区和文件系统格式。
- 重启，第一次配置系统
- Everything is a file ：一切皆文件 Linux之所以如此成功，是因为它的设计**“一切皆文件”：在Linux里所有的信息都是文件，包括了普通的文本文件，配置文件，设备文件等
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大小写敏感
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命令即程序
ls– 显示当前目录下的文件cp– 复制文件mv– 移动/重命名rm– 删除chmod– 改变文件权限clear– 清屏exit– 退出登录poweroff– 关机reboot– 重启less/more/cat– 查看文件
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命令使用：以
ls为例
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**作用：**列出当前目录下的所有文件 - List
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常用参数：
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-l：Long
给出当前目录下的所有文件的详细属性信息
-a：All
列出全部的文件，包括隐藏的．
* 在Unix下隐藏文件以(.)开头
-h：Human-readable
显示使人类可读（容量）
-t：Time
按时间(降序)排列文件
-r：Reverse
反转原先的排列顺序.可以反转时间排序或者是文件名排序
- 以上所有参数都可以组合使用
eg. `ls -l -a` OR `ls -ls`
__不能交换选项位置的情况__:当选项后面紧跟参数时.如
`~$ tar -czf filename source `
则此时f与c,z位置不能随意互换.
- 其他参数用法查阅帮助文档MAN - mannul
命令 `man ls`/ `info ls`
一般来说man的内容更加侧重使用,适合速查;info内容更全面细致.
slfortunecowsaylolcatpv -qLfigletmorsexeyes
Linux下有很多功能单一但是强大的小工具.如何有效的组合使用这些工具是检验实战能力的标准之一. 注意利用好管道&重定向.
Linux shell（比如Bash）接收或发送序列和字符串流stream形式的输入或输出. 每个字符都独立于与之相邻的字符. 字符没有被组织成结构化记录或固定大小的块. 不管实际的字符串流进入或来自文件、键盘、显示窗口或其他 I/O 设备, 都使用文件 I/O 技术来访问流.
stdout是标准输出流，它显示来自命令的输出.它的文件描述符为1
stderr是标准错误流，它显示来自命令的错误输出.它的文件描述符为2
stdin是标准输入流，它为命令提供输入.它的文件描述符为0
输入流通常通过终端击键为程序提供输入.输出流通常向终端输出文本字符.最初的终端是ASCII打字机或显示终端，但现在更多是指图形桌面上的文本窗口.
标准输入在这里暂不涉及,只讲授其用法:从文件读入数据.
两种方法将输出重定向到文件：
1.n > file
将输出从文件描述符n重定向到文件。您必须具有该文件的写权限。如果该文件不存在，将创建它。如果该文件已经存在，通常将覆盖所有现有内容，并且没有任何警告。
2.n >> file
还可以将输出从文件描述符n重定向到一个文件中。这里也一样要求您具有该文件的写权限。如果该文件不存在，将创建它。如果该文件已经存在，输出将附加到现有的内容后面。
*****在n>或n>>中的n引用文件描述符。如果省略它，将执行标准输出。如，ls> log.txt 把原本输出到屏幕的ls信息重定向到一个log.txt的文件。查看这个文件就可以得到ls的输出结果。
*有时候要完全忽略标准输出或标准错误。为此，将选择的流重定向到空文件/dev/null(null是黑洞设备,会丢弃一切写入的数据.)
~$ ls > /dev/null
从ls命令忽略错误输出，同时也使用cat命令显示/dev/null是空的:
~$ cat /dev/null
在两个命令之间使用管道 | 操作符将的一个命令的stdout指向第二个命令的stdin
管道可以被接的很长:添加更多的命令和管道操作符来构造更长的管道线.
任何命令都可能包含选项或参数.
构造由多个命令（每个命令都有特定的功能）组成的长管道线是在Linux和UNIX®中用于完成任务的常见方法。
command1| command2 paramater1
分析一个long-pipeline,例如,
~$ ls -l | cowsay | lolcat
# ls-l的标准输出传入作为cowsay的标准输入;接着cowsay的输出(包含有ls信息的奶牛字符画)作为lolcat的标准输入,加上彩虹色作为最终的输出.
# 这里的-l就是ls命令的parameter(参数/选项).需要说明的是，管道线仅将stdout导向stdin,不能单独导出stderr。如果stderr已被重定向到stdout，那么两个流都会被通过管道导出。也就是说,如果上个例子中ls出错(ls了一个不存在的目录/文件,等等),标准错误信息没有被传到下一个stdin,而是什么都没有传到后者.因此最终的输出不包含NOSUCH FILE OR DIRECTORY之类的错误信息.
对第一个命令使用输入重定向，然后在剩余的管道下中导出该命令的输出。仅需使用**<****操作符**将第一个命令的stdin重定向到需要处理的文件
如
~$ rev < INPUT
# 将文件file的内容读取,**按行**逐个字符颠倒(交换位置),July2017变为7102yluJ .输出结果在终端(屏幕).而
~$ rev < INPUT > OUTPUT
# 如上面一条命令,将文件file的内容读取,逐个字符颠倒(交换位置),最后把结果写入文件OUTPUT.类似地,~ $ rev < INPUT > INPUT作用 如上面一条命令,将文件file的内容读取,逐个字符颠倒(交换位置),最后把结果覆盖源文件INPUT.
~$ rev< CAL | cowsay | lolcat > file
~$ cat file解释: 相当于把文件CAL的内容作为rev的标准输入,再把rev的标准输出作为cowsay的标准输入...以此类推.最后把输出重定向到文件,我们发现,这个pipeline的本质是读取一个文件,对其进行某种加工,最终再写回文件的操作.
~ $ ls | grep Qt
列举所有当前目录下的文件并筛选出文件名包含有Qt的行grep 管道可以帮助筛选,选出所带参数的文本信息
其他类似的用法还有
~ $ ps -aux | grep vim
# 查看所有与vim(一个终端下的文本编辑器)相关的进程信息在正真开始Hard模式之前,我们需要升级一下武器装备.之前的十条命令非常基础非常重要,但第二大板块的内容会需要用到一些更加高级的工具来辅助.
原先提到的less/more/cat是文本查看器,只能查看内容而不能更改内容.
vim是文本编辑器VIiMproved的缩写可以查看+编辑.相较其原先版本,vim跟接近现代的使用方法.
如果存在这个文件则打开;不存在则新建一个.
两种主要的工作模式有着不同的功能available(可用):
命令模式(编辑)vs插入模式(输入)
- 模式判别:
若屏幕左下角有--INSERT--字样说明在编辑模式下;键入冒号,如屏幕左下角有冒号跳出并允许键入命令,则处于命令模式.
- 切换模式:
插入模式下可以对文本内容进行输入;命令模式支持编辑.
*#命令模式→插入模式 :*在命令模式下按i键– Istands for INSERT.
*#**插入模式→ 命令模式 **:*按ESC建.
在任何模式下,一路按ESC都能回到命令模式;此时再按一下 i 键便进入插入模式.
在命令模式键入:q即退出.
如果对文件做了修改modify,则会询问保存否.
:wq # Want to save changes and Quit 存盘并退出
:q! # Quit anyway! 这时候不保存修改.
调度在计算机中是分配工作所需资源的方法.资源可以指虚拟的计算资源，如线程、进程或数据流；也可以指硬件资源，如处理器、网络连接或扩展卡.这里我们以处理器的调度为例进行讲解.
进行调度工作的程序叫做调度器.调度器通常的实现使得所有计算资源都处于忙碌状态（负载均衡），允许多位用户有效地同时共享系统资源，或达到指定的服务质量。调度是计算自身的基础，同时也是编程语言计算模型固有的部分.调度器使得在单处理器上通过多任务处理，从而让执行多个进程成为可能.
调度器可能会针对不同的目标设计，例如：吞吐率最大化、响应时间最小化、最低延迟、或最大化公平.在实践中，这些目标通常是互相冲突的，因此，调度器会实现一个权衡利弊的折中方案，而侧重点则可能是前文提到的任何一种，这取决于用户的需求和目的.
调度也可能是通过一个管理性的后端进行，而任务是通过网络发配到若干远程设备上的.(分布式)
两者属于易混淆概念,学习是注意区分.需要掌握两者异同.
我们以一个例子来了解:(改写自阮一峰的博文)
计算机的核心是CPU,承担了所有的计算任务.这好比一座工厂,时刻在运行.
这座工厂下设许多个车间.但是工厂的供电有限,当一个车间开工时其他必须全部停工.也就是说,单个CPU一次只能运行一个任务.
而进程就好比工厂的车间.在任意时刻,CPU总是只能运行一个进程,其他进程处于非运行状态.
一个车间里可以有很多的工人.他们协同完成一个任务.线程就好比车间里的工人.一个进程可以包含多个线程.
车间的空间是所有工人共享的.一个进程是共享的,每个线程都可以使用这些共享的内存.
但是每个房间的大小不同,有些房间只能容纳一人,比如厕所.当一个线程使用某些共享内存的时候,其他线程必须等待他结束才能使用这一块内存.
一个防止他人进入的简单方法就是给门加锁.先到的人进去,锁上.后来的人看到锁就先排队,等锁打开再进去.这就是互斥锁(MutualExclusion, Mutex),防止多线程同时读写内存某块区域.
有些房间如厨房,可以同时容纳一定人数.多出来的人要在外面等着.某些内存区域只能让固定数目的线程使用.
这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处.后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了.这种做法叫做"信号量"（Semaphore），用来保证多个线程不会互相冲突.
不难看出，mutex是semaphore的一种特殊情况（n=1时.也就是说，完全可以用后者替代前者.但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计.
动态性：进程是程序的执行，同时进程有生命周期。
并发性：多个进程可同存于内存中，能在一段时间内同时执行。
独立性：资源分配和调度的基本单位。
制约性：并发进程间存在制约关系，造成程序执行速度不可预测性，必须对进程的并发执行次序、相对执行速度加以协调。
结构特征：进程由程序块、数据块、进程控制块三部分组成。
- 运行态(running)
当进程得到处理机，其执行程序正在处理机上运行时的状态称为运行状态。
在单CPU系统中，任何时刻最多只有一个进程处于运行状态。在多CPU系统中，处于运行状态的进程数最多为处理机的数目。
- 就绪状态(ready)
当一个进程已经准备就绪，一旦得到CPU，就可立即运行，这时进程所处的状态称为就绪状态。系统中有一个就绪进程队列，处于就绪状态进程按某种调度策略存在于该队列中。
- 等待态（阻塞态）（Wait/ Blocked ）
若一个进程正等待着某一事件发生(如等待输入输出操作的完成)而暂时停止执行的状态称为等待状态。 处于等待状态的进程不具备运行的条件，即使给它CPU，也无法执行。系统中有几个等待进程队列（按等待的事件组成相应的等待队列）。
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以多进程形式，允许多个任务同时运行；
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以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；
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提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。