第一章 03操作系统运行环境（王道）

一、操作系统运行机制

1.1 知识总览

1.2 程序是如何运行的？

• 编译转换：高级语言代码（如C语言）经编译后转换为CPU可执行的二进制机器指令
• 执行本质：程序运行即CPU顺序执行机器指令的过程，如int x=1; x++;可能对应多条机器指令
• 指令定义：让CPU识别和执行的最基本命令，如加法、赋值等底层操作

• 关键区分：
  • 机器指令：二进制形式，CPU直接执行的基本操作（本节重点）
  • 命令接口：如Linux的ls、cd等交互式命令，属于操作系统提供的用户接口

1.3 内核程序与应用程序

• 应用程序：普通程序员开发的程序（如QQ、微信），运行在操作系统之上
• 内核程序：操作系统开发者编写的程序，组成操作系统内核（kernel），最接近硬件的部分
  • 实现系统资源管理，是操作系统最核心的部分（如Docker仅需Linux内核）

1.4 特权指令与非特权指令

• 特权指令：仅内核程序可使用（如内存清零），会影响其他程序运行
• 非特权指令：所有程序可使用（如加减乘除运算指令）

1.5 内核态与用户态（CPU两种状态）

• 状态标识：通过PSW（程序状态字寄存器）的二进制位标记（1-内核态/0-用户态）
• 状态别名：
  • 内核态：核心态/管态
  • 用户态：目态
• 两种状态
  • 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

1.6 内核态和用户态的切换

典型案例：黑客在应用程序植入特权指令→触发中断→CPU切换至内核态执行处理程序

1、刚开机时，CPU处于“内核态”，操作系统内核程序先在CPU上运行

2、开机完成后，用户可以启动某个应用程序

3、操作系统内核程序在合适的时候主动让出CPU，让该程序在CPU中运行

操作系统内核让出CPU之前，会用一条特权指令把程序状态寄存器（PSW）的标志位设置为用户态

4、应用程序运行在“用户态”

5、此时，一位黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图被坏系统…..

6、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“

前面提到的 用户态只能执行非特权指令

7、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

8、“中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权

9、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

对以上内容进行总结：

1.7 操作系统运行机制知识回顾

二、中断和异常

2.1 知识总览

2.2 中断的作用

• 核心功能：中断是操作系统内核重新夺回CPU使用权的唯一途径
• 状态转换：使CPU由用户态变为内核态，实现特权级切换
• 系统意义：
  • 没有中断机制就无法实现多道程序并发
  • 是操作系统得以存在的基础技术支撑
• 运行机制：
  • 内核程序通过特权指令主动让出CPU使用权
  • 通过中断机制强制收回CPU控制权

2.3 中断的类型

2.3.1 内中断（异常、广义中断）

• 本质特征：中断信号来源于CPU内部，与当前执行指令直接相关
• 别称：又称异常（exception），是教材和考试中的标准术语

• 例1：执行特权指令 – 应用程序在用户态尝试执行特权指令
  • 处理流程：
    • CPU检测到非法特权指令
    • 触发中断信号拒绝执行
    • 自动切换至内核态
    • 执行对应的内核处理程序
  • 系统响应：管理者重新获得CPU控制权
• 例2：执行非特权指令 – 执行除法指令时发现除数为0
  • 若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号
• 例3：有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令–陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号
  • 系统调用也就是陷入指令完成

陷入指令拓展

• 特殊指令：陷入指令（trap）引发内中断
  • 指令特性：
    • 非特权指令，用户态可执行
    • 用于主动请求内核服务
  • 应用场景：系统调用的实现基础
  • 处理流程：
    • 应用程序执行陷入指令
    • 产生内部中断信号
    • CPU切换至内核态处理请求

2.3.1 外中断（中断）

例1：时钟中断–由时钟部件发来的中断信号

• 硬件来源：时钟部件定期（如50ms）发送中断信号
• 并发实现：
  • 应用程序1运行50ms后收到中断
  • CPU切换至内核态处理中断
  • 内核调度程序2运行
  • 循环切换实现并发
• 检测机制：CPU在每个指令周期末尾检查外中断

例2：I/O中断–由输入/输出设备发来的中断信号

如打印机打印完成，处理I/O中断的内核程序

2.4 中断机制的基本原理

• 处理流程：
  • CPU检测中断信号
  • 查询中断向量表
  • 定位处理程序入口
• 硬件实现：
  • 内中断：指令执行时立即检查
  • 外中断：指令周期末尾例行检查
• 中断向量表存储各类中断处理程序指针

2.5 中断和异常的知识点回顾

三、系统调用

3.1 知识总览

3.2 什么是系统调用？

• 定义: 系统调用是应用程序请求操作系统内核服务的编程接口，由操作系统向上层提供的一组服务接口组成。
• 作用: 作为用户程序和硬件之间的桥梁，提供简单易用的服务接口，保证系统稳定性和安全性。

3.2 系统调用与库函数的区别

• 层级关系:
  • 系统调用是操作系统直接提供的底层接口
  • 库函数可能封装系统调用(如文件操作)或独立实现(如数学运算)
• 使用场景:
  • 必须使用系统调用的场景：涉及共享资源(设备、文件、内存等)的操作
  • 可不使用系统调用的场景：纯计算类操作(如数学运算)

3.3 应用案例

为什么系统调用是必须的？

• 场景描述: WPS和Word两个进程并发请求打印机资源
• 问题现象: 无系统调用管理时，打印内容会混杂
• 解决方案:
  • 操作系统统一管理打印机资源
  • 进程必须通过系统调用申请资源
  • 内核协调各进程的资源使用顺序
• 核心结论: 共享资源必须通过系统调用来管理，保证互斥访问

3.4 什么功能需要用到系统调用

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。

3.5 系统调用的过程

• 执行流程
  • 用户态程序执行传参指令(参数存入寄存器)
  • 执行陷入指令(trap/访管指令)
  • CPU检测到内中断，转入核心态
  • 执行系统调用入口程序
  • 根据参数调用具体处理程序
  • 处理完成后返回用户态

重点知识：

1、陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态

2、发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行

3.6 系统调用知识点回顾