计算机系统讲解(下）

1.操作系统管理硬件

真正操纵硬件的是操作系统，操作系统可以看成是应用程序和硬件之间的中间层。所有的应用程序对硬件的操作必须通过操作系统来完成，这样做的目的是：首先，防止硬件被失控的应用程序所滥用；其次，操作系统提供统一的机制来控制这些复杂的底层硬件。

操作系统管理硬件

为了实现操作系统对硬件的操纵，操作系统引入了几个抽象的概念。 文件是对IO设备的抽象、虚拟内存是对内存和磁盘IO的抽象、进程是对处理器、内存及IO设备的抽象 。

操作系统的抽象机制

2.进程的解释

(1).以shell命令行中执行./hello命令为例进行说明，最开始的时候只有shell进程在运行，即shell在等待命令行的输入。

命令输入

(2).当通过shell进程加载hello进程时，shell进程通过系统调用来执行我们的请求。系统调用会将控制权从shell进程传递给操作系统，操作系统保存shell进程的 上下文 。然后，创建一个新的hello进程及其上下文。接着，将控制权转交给新的hello进程。hello进程执行完成后，操作系统会恢复shell进程的上下文，并且将控制权交给shell进程，之后shell进程继续等待下一个命令的输入。

进程上下文切换

上下文：操作系统会跟踪进程运行中所需要的所有状态信息，这种状态(例如：当前PC和寄存器的值、内存中的内容等)称为上下文。

3.线程的解释

现代操作系统中一个进程由多个线程组成，每个线程都运行在进程的上下文中，共享代码和数据。

线程

4.虚拟内存

操作系统为每个进程提供了一个假象，即每个进程都在独自占用整个内存空间。每个进程看到的内存都是一样的，称之为虚拟地址空间。

进程的虚拟地址空间

进程的虚拟地址空间：从下往上，地址是增大的。

第一个区域：用来存放程序的代码和数据的，这个区域的内容是从可执行目标文件中加载而来的。对所有进程来说，代码都是从固定的地址开始的；

第二个区域：堆heap，函数malloc所申请的地址空间就在这个堆中的，堆可以在运行时动态的扩展和收缩；

第三个区域：共享库的存放区域，这个区域存放C语言的标准库和数学库这类共享库的代码和数据；

第四个区域：用户栈，函数调用的本质就是压栈；

第五个区域：为内核保留的区域，应用程序的代码不能读写这个区域的数据，也不能直接调用内核中定义的函数，这个区域对应用程序不可见；

5.文件

Linux中一切皆文件，键盘、鼠标、磁盘、显示器，甚至网络这些都可以看成是文件，系统中所有的输入和输出都可以通过读写文件来完成。

"一切皆文件"