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OS2023(4)

4. Python 建模操作系统

Changelog & 反馈

• 视频直播/回放：放大黑板/投影区域 + 屏幕录制
• AbstractMachine 代码将随实验一同发布 (请关注课程主页，因紧急背锅，再缓一缓 😂)

背景回顾：在理解了 “软件 (应用)” 和 “硬件 (计算机)” 之后，操作系统就是直接运行在计算机硬件上的程序，它提供了应用程序执行的支撑和一组 API (系统调用)：操作系统内核被加载后，拥有完整计算机的控制权限，包括中断和 I/O 设备，因此可以构造出多个应用程序同时执行的 “假象”。

本讲内容：一个 Python “操作系统玩具” 的设计与实现，帮助大家在更高的 “抽象层次” 上理解操作系统的行为。这个 “玩具” 将贯穿整个课程。

slideshow('4.1')

slideshow('4.2')

demo('model', 'm/os-model')

slideshow('4.3')

model('m/hello.py')

1def hello(s):
2  return f'Hello, {s}\n'
3
4def main():
5  sys_write(hello('OS'))
6  sys_write(hello('World'))
7
8# Outputs:
9# Hello, OS\nHello, World

在我们的操作系统模型中，应用程序 (状态机) 被分为两部分：确定性 (deterministic) 的本地计算，和可能产生非确定性的系统调用 (以 sys 开头的函数)。操作系统提供以下 API：

系统调用/Linux 对应	行为
sys_spawn(fn)/pthread_create	创建共享内存的线程，并且从 fn 开始执行
sys_fork()/fork	创建当前状态机的完整复制
sys_sched()/定时被动调用	切换到随机的线程/进程执行
sys_choose(xs)/rand	返回一个 xs 中的随机的选择
sys_write(s)/printf	向调试终端输出字符串 s
sys_bread(k)/read	读取虚拟设磁盘块 $k$ 的数据
sys_bwrite(k, v)/write	向虚拟磁盘块 $k$ 写入数据 $v$
sys_sync()/sync	将所有向虚拟磁盘的数据写入落盘
sys_crash()/长按电源按键	模拟系统崩溃

我们将会在这个学期的时间里，仔细分析模型和真实操作系统 (Linux) 系统调用的行为，并用它们实现很多有趣的程序。下面展示了一个更复杂的例子：

model('m/mix.py')

 1def Tsum1():
 2  heap.x += 1
 3  sys_sched()
 4  heap.x += 1
 5
 6def Tsum10():
 7  heap.x += 10
 8  sys_sched()
 9  heap.x += 10
10
11def main():
12  heap.x = 0
13  pid = sys_fork()
14  sys_sched()
15  if pid == 0:
16    sys_spawn(Tsum1)
17    sys_spawn(Tsum10)
18  else:
19    heap.x = 100

Take-away Messages

我们可以用 “简化” 的方式把操作系统的概念用可执行模型的方式呈现出来：

• 程序被建模为高级语言 (Python) 的执行和系统调用
• 系统调用的实现未必一定需要基于真实或模拟的计算机硬件
• 操作系统的 “行为模型” 更容易理解

课后习题/编程作业

1. 编程实践

阅读、调试 os-model.py 的代码，观察如何使用 generator 实现在状态机之间的切换。在现代分时操作系统中，状态机的隔离 (通过虚拟存储系统) 和切换是一项基础性的基础，也是操作系统最有趣的一小部分代码：在中断或是 trap 指令后，通常由一段汇编代码将当前状态机 (执行流) 的寄存器保存到内存中，完成状态的 “封存”。

2. 实验作业

开始课程实验：课程实验在在课程网站上发布。实验有一定难度，同时也有实验指导，请大家仔细阅读。

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