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OpenEuler学习笔记（二）：用通俗的道理讲操作系统原理

news 来源：原创 2025/6/9 23:28:15

用通俗的道理讲操作系统原理

  1. 基础概念类比

    • 把OpenEuler操作系统想象成一个大型的工厂，这个工厂有各种各样的部门，每个部门都有自己的职责，共同协作来让整个工厂正常运转。
    • 内核就像是工厂的管理中心，它负责指挥和协调所有的工作。
      在这里插入图片描述

  2. 进程管理

    • 进程就好比是工厂里的工人。每个工人（进程）都有自己的任务和工作状态。
    • 当你在操作系统中运行一个程序，就相当于在工厂里安排一个新的工人开始工作。操作系统内核（管理中心）会记录这个工人（进程）的各种信息，比如这个工人（进程）是在忙碌干活（运行状态），还是在等待材料（阻塞状态），或者是在休息等待安排工作（就绪状态）。
    • 调度器就像是工厂的工长，它决定哪个工人（进程）可以使用机器（CPU）来干活。例如，采用完全公平调度就像是工长按照每个工人的工作时间公平地分配机器使用时间，让每个工人都有机会干活，而不是有些工人一直占用机器，有些工人却没有机会。
    • 进程间通信就像是工人之间的交流方式。比如共享内存就像是工人共用一个大的工作区域来传递工具和材料，消息队列就像是在工作区域设置一个信息板，工人可以在上面留下消息给其他工人，信号机制则像是一个工人通过广播来快速通知其他工人一些紧急情况。
      在这里插入图片描述

  3. 内存管理

    • 物理内存就像是工厂里的实际仓库空间，虚拟内存就像是给每个工人（进程）规划的一个虚拟的仓库空间。
    • 当一个工人（进程）需要存放东西（数据）时，管理中心（内核）会从实际仓库（物理内存）中划分出一块地方或者把东西放到虚拟仓库（虚拟内存）里，并且通过一种记录方式（页表）来知道虚拟仓库里的东西实际放在哪里。
    • 如果实际仓库（物理内存）满了，就像工厂的实际仓库空间不够用了，管理中心（内核）会把一些不常用的东西放到工厂外面的临时仓库（磁盘交换空间），等需要的时候再搬回来。
      在这里插入图片描述

  4. 文件系统管理

    • 文件系统就像是工厂的文件柜，用来存放各种文件（数据）。
    • 虚拟文件系统（VFS）就像是文件柜的总目录，它不管文件柜是木制的（ext4文件系统）还是金属制的（XFS文件系统），它提供一个统一的查找方式。
    • 以ext4文件系统为例，就像是一种特定类型的文件柜，每个文件都有自己的标签（inode），上面记录着文件的各种信息，比如文件大小、什么时候创建的等，文件的数据就像是文件柜里的文件内容，存放在一个个小格子（数据块）里。

  5. 设备驱动管理

    • 设备驱动就像是工厂里的机器操作员。每个机器（硬件设备）都有对应的操作员（设备驱动）。
    • 当有新的机器（硬件设备）进入工厂，机器操作员（设备驱动）会向管理中心（内核）报告，说自己可以操作这个机器，并且告诉管理中心（内核）机器怎么用，需要什么资源。
    • 中断处理就像是机器出现紧急情况时的处理方式。当机器发出警报（中断），管理中心（内核）会暂停正在进行的工作，找到对应的机器操作员（设备驱动）来处理这个紧急情况，处理完后再继续原来的工作。

openeuler操作系统组成原理

在这里插入图片描述

  1. 内核层

    • 进程管理子系统
      • 进程是程序的执行实例，OpenEuler的进程管理负责创建、调度和终止进程。它采用了多进程调度策略，例如完全公平调度（CFS）。CFS基于红黑树结构来管理进程，按照进程的虚拟运行时间来调度。比如，假设有两个进程A和B，A已经运行了一段时间，B刚创建，由于B的虚拟运行时间短，在公平调度下会更优先得到CPU资源，这样保证了系统资源分配的公平性。
      • 进程间通信（IPC）也是进程管理的重要部分。它提供了多种方式，如共享内存、消息队列和信号。共享内存允许不同进程访问同一块物理内存区域，这对于需要大量数据交换的进程很高效。例如，数据库系统中的多个进程可能通过共享内存来共享缓存数据。消息队列则是通过在内存中建立消息队列来实现进程间的消息传递，而信号主要用于进程间的异步通知，比如一个进程可以向另一个进程发送终止信号。
    • 内存管理子系统
      • 采用虚拟内存管理机制，将物理内存和磁盘空间结合。每个进程都有自己独立的虚拟地址空间，通过页表来实现虚拟地址到物理地址的映射。例如，当进程访问一个虚拟地址时，系统会通过多级页表查找对应的物理地址。同时，物理内存管理采用伙伴系统，将物理内存划分为大小为2的幂次方的块，根据内存请求分配和回收这些块。当物理内存不足时，会把部分内存页面交换到磁盘上的交换空间，利用类似LRU（最近最少使用）算法来决定交换哪些页面。
    • 文件系统子系统
      • 虚拟文件系统（VFS）是核心部分，它为不同的文件系统提供统一的接口。不管是ext4、XFS还是其他文件系统，上层应用程序和内核模块都通过VFS来操作文件。例如，当应用程序调用read系统调用时，会先经过VFS，VFS根据文件所在的实际文件系统类型，将操作转发给对应的文件系统驱动。具体的文件系统如ext4，它以inode（索引节点）和数据块来组织文件，inode存储文件的元数据，如大小、权限、创建时间等，数据块存储文件的实际内容。
    • 设备驱动子系统
      • 这是操作系统与硬件设备通信的桥梁。设备驱动模型允许设备驱动向内核注册自己，内核通过设备树来管理这些驱动。当一个新的硬件设备插入系统，设备驱动会检测到并与内核通信，内核根据设备类型分配资源并加载合适的驱动模块。例如，当插入一个USB鼠标时，USB设备驱动会识别这个鼠标，内核会为其分配中断资源，使鼠标能够正常工作。中断处理是设备驱动的重要功能，当硬件设备发出中断信号（如网卡收到数据包），内核的中断处理程序会暂停当前进程，调用相应的设备驱动中断处理函数来处理。

  2. 系统服务层

    • 初始化系统服务：在系统启动过程中，init（或systemd）进程发挥关键作用。它是系统中所有其他进程的祖先，负责启动各种系统服务和守护进程。例如，它会启动网络服务、文件系统挂载服务等。这些服务在后台运行，为系统的正常运行提供支持。
    • 网络服务：包括网络协议栈的实现，如TCP/IP协议栈。它负责处理网络数据包的发送和接收，实现网络通信功能。例如，当用户通过浏览器访问网页时，网络服务会将HTTP请求打包成TCP/IP数据包发送出去，并接收服务器返回的数据包，经过解包等操作后将网页内容显示给用户。
    • 安全服务：提供用户认证、访问控制等功能。通过用户账户和密码机制进行身份验证，只有经过认证的用户才能访问相应的系统资源。访问控制可以根据用户的权限设置，决定用户对文件、目录等资源的操作权限，如读写、执行等权限。

  3. 用户应用层

    • 命令行工具：如ls、cp、mkdir等命令。ls命令用于查看目录下的文件和目录信息，它通过调用系统的文件系统接口来获取信息并显示给用户。cp命令用于复制文件，它会读取源文件的内容，通过文件系统接口将内容写入目标文件。
    • 图形用户界面（GUI）应用程序：如果系统安装了图形界面环境，会有各种GUI应用，如文件管理器、文本编辑器等。文件管理器允许用户通过图形界面方便地浏览、操作文件和目录，它是基于系统的文件系统服务构建的。文本编辑器则用于用户创建和编辑文本文件，在编辑过程中，通过系统调用与内存管理等子系统交互，来存储和处理文本内容。

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