操作系统的运行机制详解

操作系统的运行机制

一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令：

“ 指令 ” ：处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程

注：很多人习惯把 Linux、 Windows、 MacOS 的 “ 小黑框 ” 中使用的命令也称为“ 指令 ” ，其实这是“ 交互式命令接口 ” ，注意与本节的 “ 指令 ” 区别开。此 “ 指令 ” 指二进制机器指令

内核程序 & 应用程序

我们普通程序员写的程序就是“ 应用程序 ”

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 ”

由很多内核程序组成了“ 操作系统内核 ” ，或简称“ 内核（Kernel） ”

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说，一个操作系统只要有内核就够了（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

##特权指令 & 非特权指令

应用程序只能使用“ 非特权指令 ” ，如：加法指令、减法指令等

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

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

内核态 & 用户态

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

拓展： 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 ”

别名：内核态 = 核心态 = 管态；用户态 = 目态

内核态、用户态的切换

内核态 -> 用户态：执行一条特权指令——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，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

启动过程：

刚开机时， CPU 为“ 内核态 ” ，操作系统内核程序先上CPU运行
开机完成后，用户可以启动某个应用程序
操作系统内核程序在合适的时候主动让出 CPU，让该应用程序上CPU运行，操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把 PSW 的标志位设置为“ 用户态 ”
应用程序运行在“ 用户态 ”
此时，一位猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统…
CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“ 用户态 ”
这个非法事件会引发一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会立即变为“ 核心态 ” ，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序
“ 中断 ” 使操作系统再次夺回CPU的控制权
操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序

两种指令、两种处理器状态、两种程序

有的指令“人畜无害” 。比如：加、减、乘、除这些普通的运算指令。

有的指令有很高的权限。比如：内存清零指令。如果用户程序可以使用这个指令，就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零，这样做显然是很危险的。

特殊指令：不允许用户程序使用

用程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如 0 为用户态， 1 为核心态

用户态：此时CPU只能执行非特权指令

核心态：特权指令、非特权指令都可执行

内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。

应用程序：为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态

操作系统的内核

内核是计算机上配置的底层软件，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。

有的操作系统不把这部分功能归为“ 内核功能 ” 。也就是说，不同的操作系统，对内核功能的划分可能并不一样

比喻：

内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。

只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令。 用户态、 核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接

大内核：企业初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高；缺点是组织
结构混乱，难以维护。

微内核：随着企业体量越来越大，管理层只负责最核心的一些工作。优点是组织结构清晰，方
便维护；缺点是效率低。

特权指令只能在核心态下执行

内核程序只能在核心态下执行

操作系统的体系结构

操作系统的内核

操作系统内核需要运行在内核态

操作系统的非内核功能运行在用户态

计算机系统的层次结构

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

操作系统的体系结构

应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理

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

系统调用

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成

“ 系统调用 ” 是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

库和系统调用区别

不涉及系统调用的库函数：如：“ 取绝对值 ” 的函数

涉及系统调用的库函数：如 “ 创建一个新文件 ” 的函数

由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供“ 系统调用 ” ，用户进程想要那种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理

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，使程序编程更方便
操作系统	向上提供系统调用，使的上层程序能请求内核的任务
裸机

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、 I/O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