操作系统原理课程学习记录
南京大学 2025 春季操作系统原理课程学习记录。
课程
第一节课
操作系统是软件和硬件之间的桥梁
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中断解决了当时的什么问题，解决的原理是什么？
中断机制解决了早期计算机「边做饭边看锅」的低效问题。 举个例子：假设你在看书，但需要等水烧开。没有中断时，你必须不停抬头看水壶（这叫轮询），浪费时间；有了中断就相当于水烧开后，水壶会「嘀——」一声提醒你（中断信号），这时你标记书页（保存当前状态），去关火（处理中断），再回来继续看书（恢复原状态）。
原理：外设（如键盘、硬盘）完成工作后，通过电路发送电信号（中断请求），CPU收到后暂停手头任务，快速处理这个紧急事件（如读取输入数据），处理完再无缝衔接回原来的工作。这就像多线程切换，但由硬件主动触发，效率更高。
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现代分时操作系统解决了当时的什么问题，解决的原理是什么？
现代分时操作系统解决了早期计算机「一人用、全员等」的资源浪费问题。
问题：过去计算机一次只能运行一个程序（比如先算完A的工资，再处理B的文件），其他人得排队干等。而计算机的CPU大部分时间闲着，效率极低。原理：
- 时间切片：把CPU时间切成极短片段（比如0.1秒），给每个用户轮流用。
- 快速切换：你在打字时，后台其实在A→B→C用户间飞速轮转（像杂技演员同时抛接多个球）。
- 错觉并行：虽然CPU同一时间只干一件事，但切换速度太快（毫秒级），人类感觉不到卡顿，仿佛所有人同时在用计算机。
效果：
- 你写文档时，同事能同时写代码，服务器还能处理网页请求。
- 计算机从「独木桥」变成「立交桥」，资源利用率飙升。
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分时是不是和中断有点像？
是的，分时系统和中断确实有密切关联，但解决的问题层面不同。用快递站比喻就明白了：
相同点：都通过「快速切换」提升效率
- 中断：就像快递员敲门（中断信号），你暂停看书（当前任务），签收包裹（处理中断），再继续看书。
- 分时：类似快递站同时服务10个客户，每个窗口叫号处理30秒（时间片），超时就换下一个人（任务切换）。
关键区别：
- 触发方式：
- 中断是硬件主动打断（例如键盘输入、硬盘完成读写）。
- 分时是软件计划调度（操作系统用时钟中断强制轮换任务）。
- 目标：
- 中断让CPU及时响应紧急事件（比如网络数据到达）。
- 分时让多个用户公平共享计算资源（你感觉独占电脑，其实是轮流用碎片时间）。
书本：Operating Systems: Three Easy Pieces
第二节课
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计算机是状态机，是什么意思，什么是状态机？
当前状态 + 输入事件 → 切换到新状态
计算机作为「状态机」的核心概念，可以用一个自动售货机来比喻：
状态机： 想象一台自动售货机，它只有三种状态：
- 待机（显示“请投币”）
- 收钱中（显示已投金额）
- 出货（掉出商品，找零）
它的运作规则是：
- 当前状态 + 输入事件 → 切换到新状态 例如：
- 待机时 投币10元 → 变成「收钱中」状态，金额显示10元
- 收钱中 按下可乐按钮 → 变成「出货」状态，掉出可乐，找零2元
计算机同理：
- 状态 = 所有存储数据的当前值（内存内容 + CPU寄存器值 + 硬盘数据等）
- 输入事件 = 执行一条指令（如计算1+1，读取键盘输入）
- 状态转换 = 根据指令修改存储数据，进入下一个状态
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程序的执行就是状态的变化是什么意思？
程序的执行就是状态的变化，可以理解为计算机像一本不断被修改的「流水账本」。用三个关键点解释：
1. 什么是「状态」
状态 = 计算机此刻记住的所有信息，包括：
- 内存中的变量（例如：
账户余额 = 100元） - CPU寄存器的临时数据（类似你心算时的草稿纸）
- 硬盘文件内容（例如：文档从空白变成写满文字）
2. 程序如何改变状态
程序像一套「修改规则」，每一步操作都重写账本：
- 初始状态：
a = 0，b = 0 - 执行
a = 5→ 状态变为a = 5，b = 0 - 执行
b = a + 3→ 状态变为a = 5，b = 8 - 最终账本记录的就是新状态。
3. 类比现实
想象做一道菜：
- 初始状态：生土豆、冷锅、未开火
- 执行削皮 → 状态：土豆去皮
- 执行切块 → 状态：土豆变丁
- 执行炒熟 → 状态：土豆变熟 程序执行就是一步步改变材料的「状态」，直到达成目标。
本质： 程序运行的本质，就是通过无数微小操作（加减乘除、读写数据），让计算机从初始状态一步步「变形」到最终状态，就像多米诺骨牌连环倒下，每一帧都是新状态。
- 内存中的变量（例如：
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gdb 编程是什么编程，和普通的编程有什么不一样？
GDB 编程并不是指「用 GDB 写代码」，而是利用调试工具 GDB 深入分析和控制程序的运行过程，更像是「程序员的显微镜和解剖刀」
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Everything (C 程序) = 状态机，怎么理解这句话？
状态机的核心规则
- 确定性：相同初始状态 + 相同输入 → 必然得到相同结果。 （除非程序有随机数或外部输入干扰）
- 顺序性：状态变化严格按代码逻辑推进，像多米诺骨牌。 （即使有多线程，本质也是多个状态机交替执行）
为什么这个视角重要？
- 调试：程序崩溃时，GDB调试就是查看「崩溃瞬间的状态快照」（变量值、执行位置）。
- 并发问题：多线程竞争本质是多个状态机同时修改共享状态，导致混乱。
- 程序验证：形式化方法通过分析所有可能状态，证明程序无漏洞。
现实类比：棋盘游戏
- 状态：棋盘上棋子的位置、当前玩家回合。
- 规则：玩家移动棋子（输入）→ 棋盘状态更新。
- C程序：代码就是游戏规则，运行时状态就是棋盘每一步的快照。
总结： 说「C程序 = 状态机」，是指它的运行本质是：
- 初始状态（所有变量初始值、代码起点）
- 逐步变形（每执行一行代码，就像按下按钮触发状态转换）
- 终止状态（return的值、输出结果）
这种视角让程序行为变得可预测、可分解
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C 代码总是可以改写成等价的 “SimpleC”，是什么意思？
核心思想是：无论多复杂的语法糖或抽象机制，最终都可拆解为顺序、分支、循环和基础运算的组合。这类似于将乐高复杂模型拆解为基本积木块，虽然外观不同，但底层结构等价。这一原理是编译器设计、程序分析和形式化验证的理论基石。
进程：操作系统上的程序。
应用程序 = 计算 + 操作系统 API
strace (system call trace) 是一个非常重要的命令行工具，帮助我们 “观测” 应用程序和操作系统的边界。实际上，任何程序的执行就是状态机在计算机上的运行，因此 “用合适的方式观测状态机执行” 就是我们理解程序的根本方法。调试器、trace、profiler 提供了不同侧面的理解手段，这三个工具将会在课程中反复出现。
strace 的使用，实操？
第三课
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二进制指令序列是什么？
高级语言(如Python) → 汇编语言 → 二进制指令 → 晶体管开关动作 。
条典型指令由 操作码(opcode)+操作数(operand) 构成
例子：
1
MOV AL, 0x05 ← 汇编表示
对应的二进制编码：
1 2 3 4
TEXT10110000 00000101 └┬─┘ └────┬───┘ │ └── 8位立即数操作数(5) └── 1字节操作码(B0h)：将立即数加载到AL寄存器
硬件根本不知道有没有操作系统。
固件：硬件和操作系统之间的桥梁。加载引导程序。