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操作系统绪论

操作系统的定义

实际上操作系统没有普遍接受的定义

操作系统 （Operating System,OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。

操作系统的功能和目标

作为系统资源的管理者

提供的功能

  • 处理机管理

  • 存储器管理

  • 文件管理

  • 设备管理

目标

安全、高效

向上层提供方便易用的服务

GUI

(Graphical User Interface) 图形化用户接口

CLI

(Command Line Interface) 命令行接口

  • 联机命令接口=交互式命令接口
  • 脱机命令接口=批处理命令接口

程序接口

可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。

软件和程序员才能使用程序接口

Info

封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可

作为最接近硬件的层次

目标：实现对硬件机器的拓展

没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器

通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之虚拟机

操作系统的特征

并发

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的

操作系统的并发性：计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的。

操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。

注意（重要考点）：单核 CPU 同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行多核 CPU 同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行

共享

共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

互斥共享方式

系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源

同时共享方式

系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问

所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）

Info

并发 和 共享 的关系是相互依存，不可分割的

如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义;

如果失去共享性，则不同的程序不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

空分复用技术

如虚拟存储器技术

时分复用技术

如虚拟处理器

Info

并发 和 共享 的关系是相互依存，不可分割的

如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性

异步

异步指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

操作系统的发展和分类

手工操作阶段

主要缺点：

用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低

批处理阶段

引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出，通过外围机把程序提前存到磁带里

目标是追求吞吐量，提高资源利用率。

脱机

在主机以外的设备上进行输入/输出操作，需要时再送主机处理。

批处理 bash

后端运行的作业，开始运行之后就不再需要任何交互。由于无法交互控制程序，所以还不算真正意义上的操作系统。

单道批处理系统

也叫简单批处理系统。已经出现操作系统的一些特征：

  • 用户态、内核态（monitor）
  • 时钟

主要优点：

缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

主要缺点：

内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。

CPU 有大量的时间是在空闲等待 1/0 完成。资源利用率依然很低。

没有人机交互功能。

多道程序设计

多道程序的运行环境比单道程序等更加复杂。

特点：

  • 多道——计算机内存中同时存放多道相互独立的程序
  • 宏观上并行
  • 微观上串行
  • 非封闭、非顺序——引入多道程序后，程序的执行就失去了封闭性和顺序性
  • 相互制约——程序执行因为共享资源以及相互协同的原因相互制约
  • 断续性——考虑到竞争的公平性，程序的执行是断续的

多道程序设计的实现需要解决如下问题：

  • 处理机的分配
  • 多道程序的内存分配
  • I/O 设备的分配
  • 如何组织和存放大量的程序和数据，以方便用户使用并保证一致性和安全性
  • 一定需要实现虚拟存储吗？——不一定，早期多道批处理操作系统将所有进程数据全部调入主存

这些问题的处理也会增加系统开销。

多道程序设计开始引入中断，目的是使CPU 和 I/O 设备并行运行，提高资源利用率。

多道批处理系统（操作系统开始出现）

在批处理系统中采用多道程序设计就形成了多道批处理系统。

每次往内存中读入多道程序，操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行。

主要优点：

多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU 和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。

主要缺点：

用户响应时间长，仍然没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

分时操作系统

计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

目标是追求时延（latency）

主要特征：

  • 同时性、也叫多路性
  • 交互性
  • 独立性
  • 及时性

主要优点：

用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

主要缺点：

不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

实时操作系统

主要优点：

能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性

硬实时系统

必须在绝对严格的规定时间内完成处理

eg: 导弹控制系统、自动驾驶系统

软实时系统

能接受偶尔违反时间规定

如：12306 火车订票系统

网络操作系统

是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。（如：Windows NT 就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）

分布式操作系统

主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。

个人计算机操作系统

eg: windows、macos

操作系统服务

  • 资源分配
  • 记账
  • 日志服务

内核

内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分

甚至可以説，一个操作系統只要有内核就够了（eg:Docker->仅需 Linux 内核）

操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面 GUI

由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核、（Kernel）”

内核程序——运行在内核态

微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“内核程序”。操作系统内核作为“管理者”，有时会让 CPU 执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”——即操作系统内核来使用

普通程序员写的程序就是“应用程序”，应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等

Info

在 CPU 设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此 CPU 执行一条指令前就能判断出其类型

CPU 中有一个寄存器叫 程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1 表示“内核态”，0 表示“用户态”

内核态——运行内核程序

CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态”。处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令

Info

内核态 = 核心态 = 管态；用户态 = 目态

内核态和用户态的切换 (变态)

变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能

内核态 -> 用户态

执行一条特权指令一一修改 PSW 的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出 CPU 使用权

用户态 -> 内核态

由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回 CPU 的使用权。除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，旦凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

系统调用

对象 与系统调用、库函数的关系
普通应用程序 可直接进行系统调用，也可使用库函数。 有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
编程语言 向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便。
操作系统 向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务
裸机

不涉及系统调用的库函数.eg

  • “取绝对值”的函数

涉及系统调用的库函数.eg

  • “创建一个新文件”的函数

按功能分类

  • 设备管理——完成设备的 请求 / 释放 / 启动 等功能
  • 文件管理——完成文件的 读 / 写 / 创建 / 删除 等功能
  • 进程控制——完成进程的 创建 / 撒销 / 阻塞 / 唤醒 等功能
  • 进程通信——完成进程之间的 消息传递 / 信号传递 等功能
  • 内存管理——完成内存的 分配 / 回收 等功能

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、1/0 操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

系统调用过程

  1. 传递系统调用参数
  2. 寄存器传递参数
  3. 内存中存储在块或表中的参数，以及作为参数在寄存器中传递的块地址
    • linux 和 solaris 采用这种方式
  4. 由程序放置或推送到堆栈上并由操作系统弹出堆栈到参数

Info

块和堆栈的方式传递参数大小不受限制

  1. 执行陷入指令（用户态）
  2. 执行相应的内请求核程序处理系统调用（内核态）
  3. 返回应用程序

Info

陷入指令 = trap 指令 = 访管指令

Warning

陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使 CPU 进入内核态

发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在内核态下进行

计算计组成原理相关基础概念

中断和异常

参考这个

Warning

没有中断就没有并发，也就没有操作系统

中断是让操作系统内核夺回 CPU 使用权的唯一途径，使 CPU 由用户态变为内核态

通用概念 产生 原因 AArch64 x86-64
中断 硬件 异步 异步异常 (重置/中断) 中断 (可屏蔽/不可屏蔽)
异常 软件 同步 同步异常 (终止/异常指令) 异常 (Fault/Trap/Abort)

中断

（广义上的中断包括）Interrupt Handlers used in all 3 scenarios :

  • HW -> CPU -> Kernel: Classic HW Interrupt (狭义上的中断)
  • User -> Kernel: SW Interrupt
  • CPU -> Kernel: Exception

其他类型(非狭义)中断

  • SW Interrupt
  • Interrupts caused by the execution of a software instruction: INT<interrupt_number>
  • Used by the system call interrupt()
  • Initiated by the running (user level) process
  • Cause current processing to be interrupted and transfers control to the corresponding interrupt handler in the kernel
  • Exceptions
  • Initiated by processor hardware itself
  • Example: divide by zero
  • Cause a transfer of control to the kernel to handle the exception (like a software interrupt)

Linux 系统的中断

  • 在中断处理中做尽量少的事
  • 推迟非关键行为

结构：

  • Top half ：马上做，找到 handler

  • 最小的、公共行为

    • 保存寄存器、屏蔽其他中断
    • 恢复寄存器，返回原来场景

    最重要:调用合适的由硬件驱动提供的中断处理 handler

    因为中断被屏蔽，所以不要做太多事情(时间、空间)

    使用将请求放入队列，或者设置标志位将其他处理推迟到 bottom half

    现代处理器中，多个 I/O 设备共享一个 IRQ 和中断向量 v 多个 ISR (interrupt service routines)可以结合在一个向量上 调用每个设备对应该 IRQ 的 ISR

  • Bottom half :推迟处理 (softirq, tasklets, 工作队列，内核线程)

  • 提供一些推迟完成任务的机制

  • softirqs

  • tasklets (建立在 softirqs 之上)
  • 工作队列
  • 内核线程

这些工作可以被中断

linux中断

Warning

中断处理没有进程上下文！

中断(和异常相比)和具体的某条指令无关

也和中断时正在跑的进程、用户程序无关

中断处理 handler 不能睡眠!

中断处理的一些约束条件：

  • 不能睡眠
  • 或者调用可能会睡眠的任务
  • 不能调用 schedule()调度
  • 不能释放信号或调用可能睡眠的操作
  • 不能和用户地址空间交换数据

中断向量表

每一个处理器有一个中断向量表，由操作系统内核建立，指向处理不同时间的中断处理程序入口

结构：

中断向量表

需要中断的场景举例

Hardware devices may need asynchronous and immediate service. For example:

  • Timer interrupt: Timers and time-dependent activities need to be updated with the passage of time at precise intervals
  • Network interrupt: The network card interrupts the CPU when data arrives from the network
  • I/O device interrupt: I/O devices (such as mouse and keyboard) issue hardware interrupts when they have input (e.g., a new character or mouse click)

多核系统上的中断

Howareinterruptshandledonmulticoremachines?

  • On x86 systems each CPU gets its own local Advanced Programmable Interrupt Controller (APIC). They are wired in a way that allows routing device interrupts to any selected local APIC.
  • The OS can program the APICs to determine which interrupts get routed to which CPUs.
  • The default (unless OS states otherwise) is to route all interrupts to processor 0

陷入指令

执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将 CPU 控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的

I/O (输入输出系统)

BUS (总线)

并行系统

多核处理器

多处理器系统

又称并行系统、紧耦合系统

Warning

区分 多处理器系统 和 多核系统 ，实际计算机往往既是多核的也是多处理器的

多核和多处理器系统都用于加速计算过程。多核包含在单个 CPU 中的多个核或处理单元。多处理器由多个 CPU 组成。多核处理器不需要像多处理器那样复杂的配置。相反，多处理器更可靠并且能够运行许多程序。

三个优点一个缺点？？？

老师出的作业题 😅 难道本来是想问多道批处理系统？而且那个也是单处理器系统啊）

  • 增加吞吐量，并行处理？
  • 规模经济，降低成本，比多核处理器便宜？
  • 增加可靠性？
  • ？？？

非对称多处理器系统 (AMP)

非对称多处理是指一种计算机结构，其中有多个处理器，但它们并不都是一样的。这意味着，一个 CPU 可能正在处理操作系统代码，而另一个 CPU 正在执行输入和输出工作。它使用两个或更多的处理器由一个主处理器处理。所有的 CPU 都是相互连接的，但不是自我调度的。它用于根据任务的优先级和重要性将特定任务安排到一个 CPU。

Info

非对称处理器的应用场景：被用于嵌入式系统，在这些系统中，特定任务需要并发执行，但系统不需要像对称多处理系统那样的通用计算能力

对称多处理器系统 (SMP)

SMP（Sysmmetric Multi-Processor System，对称多处理器），它由多个具有对称关系的处理器组成。所谓对称，即处理器之间没有主从之分。SMP 架构使得一台计算机不再由单个 CPU 组成，而是由两个或更多的处理器连接到一个共享的主存储器上，并能够共同执行任务。这些处理器通常是相同的，能够运行分配给它们的任何任务。这可以提高性能，因为任务可以在处理器之间分配，使其更快完成。

对称多处理将多个 CPU 应用于一个任务，以并行和更快的方式完成。因此，在对称多处理系统中，两个或更多的 CPU 被连接到一个共享的主存储器。同时，所有这些 CPU 都可以完全访问输入和输出设备。在对称多处理系统中，操作系统认为所有的处理器都是平等的。

Info

对称处理器 (SMP) 架构同时也是 UMA 架构

SMP 是一个紧密耦合的多处理器系统，它有一组独立运行的相同的 CPU。每个 CPU 处理不同的程序，执行不同的数据集。对称多处理系统共享公共资源，如输入设备、输出设备、内存等。

问题

所有处理器相同，没有考虑不同任务要求处理器的差异性

多处理器环境的 3 种内存共享模型

UMA

UMA（Uniform Memory Access，一致性存储器访问)，实际上就是 SMP 。其中，*一致性指的就是在任意时刻，多个处理器只能为内存的每个数据保存或共享一个唯一的数值。它的结构特征就是多处理器共享一个集中式存储器*，每个处理器访问存储器所需的时间一致，工作负载能够均匀的分配到所有可用处理器上，极大地提高了整个系统的数据处理能力。但是，如果多个处理器同时请求访问共享资源时，就会引发资源竞争，需要软硬件实现加锁机制来解决这个问题。

因此，这样的架构设计无法拥有良好的处理器数量扩展性，因为共享内存的资源竞态总是存在的，处理器利用率最好的情况只能停留在 2 到 4 颗。

NUMA

NUMA（Non-Uniform Memory Access，非一致性存储器访问）架构优化了 SMP 架构扩展性差以及存储器带宽窄的问题。采用了分布式存储器，将处理器和存储器划分为不同的节点（NUMA Node），每个节点都包含了若干的处理器与内存资源。多节点的设计有效提高了存储器的带宽和处理器的扩展性。

另一方面，NUMA 节点的处理器可以访问到整体存储器。按照节点内外，内存被分为：

  • 节点内部的本地内存
  • 节点外部的远程内存

当处理器访问本地内存时，走的是内部总线，当处理器访问远程内存时，走的是主板上的 QPI 互联模块。访问前者的速度要远快于后者，NUMA（非一致性存储器访问）因此而得名。

问题

各个处理器访问自己的内存速度很快，但如果出现需要跨处理器访存，即访问另一处理器的内存时会非常缓慢

COMA

Cache-only Memory Access (COMA) 是 ccNUMA(Cache Coherent NUMA, 缓存一致性 NUMA) 的一种演变。COMA 可以看成是专用的 NUMA，将 NUMA 中的分布式内存用高速缓存来取代。全局地址空间由高速缓存组成。访问远端的高速缓存借助分布式高速缓存目录进行。

集群系统

类似多处理系统，集群系统时多个机器，每台机器有自己的操作系统，并行工作。

  • Usually sharing storage via a storage-area network (SAN)

  • Provides a high-availability service which survives failures

  • Asymmetric clustering has one machine in hot-standby mode

  • Symmetric clustering has multiple nodes running applications, monitoring each other

  • Some clusters are for high-performance computing (HPC)

  • Applications must be written to use parallelization

  • Some have distributed lock manager (DLM) to avoid conflicting operations

操作系统的结构

不同结构操作系统举例：

  • 大内核/宏内核/单内核： Windows、Android、iOS、UNIX、Linux、MacOS
  • 微内核：Windows NT、Mach、Fuchsia、鸿蒙
  • 模块化：Solaris
操作系统体系结构 区别 优点 缺点
大内核 / 宏内核 / 单内核 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态 高性能 内核代码庞大，结构混乱，难以维护
微内核 只把最基本的功能保留在内核 内核功能少，结构清晰，方便维护 需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低
特性、思想 优点 缺点
分层结构 内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接 1. 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证 1. 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界
2. 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长 2. 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长
模块化 将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作。内核 = 主模块 ＋ 可加载内核模块 1. 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发 1. 模块间的接口定义未必合理、实用
主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管 2. 支持动态加载新的内核模块（如：安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核），增强 OS 适应性 2. 模块间相互依赖，更难调试和验证
可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核 3.任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高
宏内核(大内核) 所有的系统功能都放在内核里（大内核结构的 OS 通常也采用了"模块化”的设计思想） 性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用 1. 内核庞大功能复杂，难以维护
2. 大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个 系统崩溃
微内核 只把中断、原语、进程通信等最核心的功能放入内核。进程管理、文件管理、设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态 1. 内核小功能少、易于维护，内核可靠性高 1. 性能低，需要频繁的切换 用户态/核心态。用户态下的各功能模块不可以直接相互调用，只能通过内核的"消息传递"来间接通信
2. 内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统 崩溃 2. 用户态下的各功能模块不可以直接相互调用，只能通过内核的"消息传递"来间接通信
外核(exokernel) 内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全 1. 外核可直接给用户进程分配"不虚拟、不抽象"的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件 1. 降低了系统的一致性
2. 减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率 2. 使系统变得更复杂

非内核功能（如 GUI）

操作系统的非内核功能运行在用户态

(大) 内核

内核是操作系统最基本、最核心的部分。

实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

操作系统内核需要运行在内核态

对系统资源进行管理的功能

大内核结构中运行在内核态，所以大内核结构操作系统变态不那么频繁

微内核结构中运行在用户态，所以微内核结构操作系统变态更加频繁

进程管理
存储器管理
设备管理等功能

(微内核)

时钟管理

实现计时功能

中断处理

负责实现中断机制

原语（设备驱动、CPU 切换等）

是一种特殊的程序，具有如下特点：

  • 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
  • 这种程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成，不可中断
  • 运行时间较短、调用频繁

操作系统的引导

操作系统引导过程

操作系统引导过程

  1. CPU 从一个特定主存地址开始，取指令，执行 ROM 中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）
  2. 将磁盘的第一块——主引导记录 读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
  3. 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
  4. 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作
  5. 加载内核
    • BIOS
    • UEFI，逐渐取代 BIOS，加载更简洁
    • GRUB，更加复杂，可以选择加载不同的内核
  6. 启动系统守护进程（在内核之外提供的服务）
  7. 启动内核中断驱动（硬件和软件）
    1. 启动设备的硬件中断
    2. 启动软件中断（异常或陷阱）
      • 软件错误（例如，除零）
      • 操作系统服务请求-系统调用
      • 故障处理：其他进程问题包括无限循环、进程相互修改,甚至修改操作系统；

不同体系结构下，不同 OS 启动也有不同：

x86 需要兼顾“历史包袱”，需要兼容 32 位

ARM

Info

完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）可在根目录下找到

Eg : windows 操作系统完整的开机初始化程序在 根目录/Windows/Boot 下

双/多 模式操作

双模式操作

即经典的内核态、用户态两个模式

多重模式操作

两模式扩展到多模式，典型场景是虚拟化；

支持虚拟化技术的 CPU 有一种单独模式，用于表示虚拟机管理器 VMM；

这种模式的特权多于用户，但少于内核；

多重模式执行

虚拟机

虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化多台虚拟机器（Virtual Machine, VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统

同义术语：

  • 虚拟机管理程序
  • 虚拟机监控程序
  • Virtual Machine Monitor
  • Hypervisor

当源 CPU 类型不同于目标类型（例如 PowerPC 到 Intel x86）时使用仿真

当计算机语言未编译本机代码时进行解释

第一类 VMM

直接运行在硬件上

第一类VMM

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是一种基于硬件虚拟化扩展的完全虚拟化技术。使用 KVM，虚拟机可以在真实硬件上运行，并获得对硬件的直接访问。每个 KVM 虚拟机都被视为一个独立的虚拟计算机，具有自己的虚拟硬件，包括虚拟的 CPU、内存、磁盘和网络接口等。

WSL（Windows Subsystem for Linux）是一项由 Microsoft 开发的技术，旨在在 Windows 操作系统上运行本地的 Linux 环境。WSL 提供了一个兼容层，允许在 Windows 上运行原生的 Linux 二进制文件（如命令行工具、实用程序和应用程序）。在 WSL 中，并没有采用传统的虚拟化技术来创建完全虚拟化的虚拟机。相反，WSL 利用 Windows 操作系统的内核功能，通过在用户模式和内核模式之间进行转换，提供了对 Linux 系统调用的兼容支持。

第二类 VMM

运行在宿主操作系统上

第二类VMM.png

LXC（Linux Containers）是一种操作系统级虚拟化技术，也被称为容器化。使用 LXC，虚拟机实际上是在宿主机的操作系统内运行的，共享宿主机的内核。这些虚拟机被称为容器，它们与宿主机共享相同的内核和一些系统资源。相比于 KVM，LXC 提供了更轻量级的虚拟化解决方案，更适合运行基于 Linux 的应用程序。

VMware：完全虚拟化

VirtualBox：“半虚拟化”

Info

PVE 中的虚拟机就是 KVM 技术实现，而容器 CT 就是 LXC 技术实现

两类 VMM 的对比

第一类 VMM 第二类 VMM
对物理资源的控制权 直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资 源 运行在 Host OS 之上，依赖于 Host OS 为其分配物理资源
资源分配方式 在安装 Guest OS 时，VMM 要在原本的硬盘上自行分配存储空间，类似于“外核”的分配方式，分配未经抽象的物理硬件 GuestOS 拥有自己的虚拟磁盘，该盘实际上是 Host OS 文件系统中的一个大文件。GuestOS 分配到的内存是虚拟内存
性能 性能更好 性能更差，需要 HostOS 作为“中介"
可支持的虚拟机数量 更多，不需要和 Host OS 竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机 更少，Host OS 本身需要使用物理资源，Host OS 上运行的其他进程也需要物理资源
虚拟机的可迁移性 更差 更好，只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台 HostOS 上，商业化应用更广泛
运行模式 第一类 VMM 运行在最高特权级（Ring O），可以执行最高特权的指令；上层操作系统内核运行在次高特权级（Ring 1）；上层操作系统非内核程序程序运行在次高特权级（Ring 1） 第二类 VMM 部分运行在用户态、部分运行在内核态。GuestOS 发出的系统调用会被 VMM 截获，并转化为 VMM 对 HostOS 的系统调用