操作系统 --基础篇

操作系统的内核（Kernel）和中央处理器（CPU，Central Processing Unit）区别：

1. 操作系统的内核（Kernel）属于操作系统层面，而 CPU 属于硬件。
2. CPU 主要提供运算，处理各种指令的能力。内核（Kernel）主要负责系统管理比如内存管理，它屏蔽了对硬件的操作。

下图清晰说明了应用程序、内核、CPU 这三者的关系。

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用户态和内核态

• 用户态：
  • 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据，拥有较低的权限，当需要执行某些特殊权限的时候，例如读写磁盘，网络通信，就需要向操作系统申请资源权限。
• 内核态：
  • 内核态的权限很大，几乎可以完成对系统的所有操作
  • 操作系统得到指令后，会从用户态转移到内核态，执行对磁盘的操作后将结果返回进程，后转回用户态
  • 虽然拥有更高的权限，但是由于进入内核态时候的上下游调用，开销花费较大，所以要尽量减少进入内核态的次数

用户态： 应用程序，库函数
内核态： 进程管理，网络管理，数据管理，内核管理， 设备管理

为什么要有用户态，只要一个内核态不行吗？

答：

• 内核态：CPU 拥有最高权限，可以访问所有硬件资源（内存、磁盘、网络、IO设备）。操作系统内核在这个模式下运行。
• 用户态：权限受限，只能运行用户程序的指令，不能直接操作硬件，必须通过系统调用进入内核态。

  (1) 安全性

• 如果没有用户态，所有程序都在内核态运行 → 意味着任何一个普通应用都能直接操作磁盘、内存、网络、甚至关机/重启。
• 一旦一个程序写错了代码或带有恶意行为，它就能直接破坏系统。
• 用户态限制了应用程序的权限，避免了用户程序影响系统稳定性。

👉 类比：

• 内核态 = 大楼的管理员，有钥匙可以进所有房间、控制电源。
• 用户态 = 普通住户，只能进自己房间，不能随便动配电箱。

  (2) 稳定性

• 应用程序可能会崩溃，但操作系统必须保证稳定。
• 如果所有程序都在内核态运行，一个用户程序崩溃可能导致整个系统蓝屏。
• 用户态 + 内核态的隔离让 “程序挂了 ≠ 系统挂了”。

  (3) 多用户/多任务管理

• 现代操作系统是多用户、多任务的。
• 内核态负责：
  • 进程/线程调度
  • 内存保护
  • 文件系统管理
  • 网络与外设访问
• 用户程序必须通过 系统调用（syscall） 请求内核服务 → 这样操作系统才能管理资源分配，保证不同用户之间互不干扰

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3. 如果只有内核态会怎样？

• 缺点：
  • 安全隐患巨大（任何应用都有最高权限）。
  • 容错性差（一个程序出 bug，全系统崩溃）。
  • 难以支持多用户、多任务的隔离。
• 优点：
  • 切换开销小（因为没有用户态和内核态的切换）。
  • 性能可能更高。

👉 实际上，早期的单任务操作系统（DOS、CP/M） 就基本只有“内核态”，应用程序能直接访问硬件。
但这在多用户、多任务和联网时代是无法接受的。

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用户态和内核态是怎么切换的？

系统调用（System Call）

• 最常见方式。
• 用户程序无法直接访问硬件，需要通过内核提供的“服务接口”。
• 用户程序执行一条特殊指令（如 int 0x80、syscall、sysenter），触发软中断/陷入内核，CPU 切换到内核态。
• 内核完成操作后，再返回用户态。

👉 举例：

write(1, "hello", 5);  // 用户态调用

底层会触发系统调用号 → 内核进入内核态 → 写入文件描述符 → 返回结果。

异常（Exception / Trap）

• 用户态执行过程中出现错误/特殊情况，由 CPU 硬件触发异常，自动进入内核态的异常处理程序。
• 常见异常：
  • 除零错误（Divide by zero）
  • 缺页异常（Page Fault，用于虚拟内存机制）
  • 非法指令（Illegal Instruction）
• 操作系统在内核态捕获并处理这些异常，比如缺页异常时分配物理页，然后再恢复用户态执行

👉 举例：
访问一个未在内存中的虚拟地址 → 触发缺页异常 → 内核处理 → 返回用户态。

外部中断（Hardware Interrupt）

• 外部设备向 CPU 发中断信号时，CPU 暂停当前用户态执行，切换到内核态中断服务程序。
• 常见外设中断：
  • 键盘输入
  • 网络数据到达
  • 硬盘读写完成
• 内核态中断处理完毕后，再恢复到用户态继续执行。

👉 举例：
你在打字时 → 键盘发出中断 → CPU 切换到内核态，执行键盘中断处理程序 → 把输入放入缓冲区 → 返回用户态。

总结举例：

• 系统调用是程序主动请求，就像是 ”我打电话找警察“
• 异常是程序被动请求，就像是“ 我犯罪了警察打电话找我 ”
• 中断是外部硬件设备打断CPU，就像是“ 有人按门铃，事件是警察来了（外部事件）”

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系统调用的过程

1. 用户态调用

比如用户程序调用：
write(1, "hello\n", 6);
这是一个 库函数调用（glibc 的 write()），但本质上它需要内核帮忙往文件描述符 1（标准输出）写数据。

1. C 库封装 → 触发陷入指令

• glibc 中的 write() 会准备好系统调用号和参数（比如 fd=1，buf=”hello”，len=6）。
• 然后执行一条特殊的 CPU 指令，使 CPU 从 用户态切换到内核态：
  • 早期 Linux 用 int 0x80（触发软件中断）。
  • 新的 CPU 用更高效的 syscall 或 sysenter 指令。

👉 这一步叫 陷入（trap）。

1. 内核态入口（系统调用处理器）

• CPU 自动切换到 内核态，并跳到 系统调用入口（内核预先注册好的中断向量表/IDT）。

• 内核从寄存器里取出系统调用号（比如 SYS_write），找到对应的内核函数。

  1. 内核处理

• 内核执行对应的系统调用实现函数（比如 sys_write）。

• 在这个过程中，内核可以直接操作硬件驱动（比如把字符串写到终端设备）。

• 这里的操作都是内核态代码，有最高权限。

  1. 返回用户态

• 内核处理完后，把结果（比如写了多少字节）放到寄存器里作为返回值。

• 然后通过 iret 或 sysret 指令返回到用户态，继续执行用户程序。

  流程总结（简化版）

用户态调用 → C库封装 → 触发陷入指令 → CPU切换到内核态 → 内核查系统调用号 → 执行内核服务 → 返回结果 → 回到用户态

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图示类比

[用户态]
   应用程序 (write)
        |
        v
   C库封装 (glibc)
        |
        v
   特殊指令 (syscall/int 0x80)
        |
------------------- CPU 切换 -------------------
[内核态]
   系统调用入口
        |
   系统调用分发 (根据号找到 sys_write)
        |
   内核函数执行 (写文件/设备)
        |
        v
   返回用户态 (sysret)