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【翻译】XV6-DRAFT as of September 3,2014 第0章 操作系统接口

操作系统接口 操作系统的任务是让多个程序共享计算机(资源),并且提供一系列基于计算机硬件的但更有用的服务。操作系统管理并且把底层的硬件抽象出来,举例来说,一个文字处理软件(例如word)不需要关心计算机使用的是哪种类型的磁盘。操作系统使得硬件可以多路复用,允许许多程序共同使用计算机并且在同一时间上运行。最后,操作系统为程序间的互动提供受控的方法,因此多个程序可以共享数据、协同工作。 计算机操作系统通过接口向用户程序提供服务。设计一个好的接口是一件困难的事情。一方面,我们希望设计出来的接口足够简单且功能单一(

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为什么会有多线程?什么是线程安全?如何保证线程安全?

显然,线程安全的问题只会出现在多线程环境中,那么为什么会有多线程呢? 最早期的计算机十分原始,还没有操作系统。想要使用计算机时,人们先把计算机可以执行的指令刻在纸带上,然后让计算机从纸带上读取每一条指令,依次执行。这时候的计算机每次只能执行一个任务,是地地道道的单线程。 这种情况下就产生了三个问题: 1. 计算资源的严重浪费 计算机在执行任务时,总少不了一些输入输出操作,比如计算结果的打印等。这时候CPU只能等待输入输出的完成。所以往往一个任务执行下来,可能CPU大部分人时间都是空闲的。而在当时CPU可是一种非常昂贵的资源,于是人们就想怎么能够提高CPU的利用率呢? 2. 任务分配的不公平 现在假如我们有十个任务需要执行,这可是很常见的。而计算机每次只能执行一个任务,直到执行结束,中间不能中断。那么问题来了,是先执行张三给的任务呢?还是先干李四的活呢?张三和李四可能拥有同样的优先级,因此无论怎么分配任务总会有人不满意,觉得不公平。 3. 程序编写十分困难 计算机一次只能执行一个任务,所以编写程序的时候往往要把很多工作集成到一个程序中,这给程序的编写人员带来了极大的挑战。能不能把程序分模块编写,然后让模块之间只进行必要的通信呢? 为了解决这些问题,计算机操作系统应运而生。操作系统就是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。那么操作系统如何同时执行多个任务呢?操作系统给每个任务分配一个进程,然后给进程分配相应的计算资源、IO资源等,这样进程就能执行起来了。操作系统会控制多个进程之间的切换,给每个进程分配一定的执行时间,然后再切换另一个进程,这样多个进程便可以轮流着交替执行。因为轮流的时间很短,用户会觉得仿佛在独占计算机资源来执行自己的任务。 进程虽然一定程度上缓解了我们提到的那三个问题,但是还是会存在问题。给大家举两个例子。一个例子是进程只能干一件事,或者说进程中的代码是串行执行的。这有什么问题吗?当然有。比如我们用软件安装包安装一个程序,安装过程中突然不想安装了,然后点击了取消按钮,结果你发现程序并没有取消安装。为什么呢?因为进程正在执行安装程序的代码,用户的输入只有等待安装程序的代码完成之后才能执行。所以你发现等进程响应了你取消安装的输入时,其实安装程序早已执行完成。用专业术语来说,就是用户接口的响应性太差了,用户的输入不能第一时间响应,甚至出现界面假死现象。另一个例子是现在大部分的处理器是多处理器,比如现在有一个双处理器,而只有一个任务。那么这个任务只能由一个进程来执行,而一个进程只能由一个处理器来执行,那么就有50%的计算资源被浪费了。 这时候,就要说到线程了。线程是进程中实施调度和分派的基本单位。一个进程可以有多个线程,但至少有一个线程;而一个线程只能在一个进程的地址空间内活动。内存资源分配给进程,同一个进程的所有线程共享该进程所有资源。而CPU分配给线程,即真正在处理器运行的是线程。多线程的出现便解决了我们之前提到的三个问题,但是多线程往往会带来许多意想不到的问题,这就是接下来我们要说的线程安全了。

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