操作系统基础知识篇用户态和核心态

前言

本文梳理操作系统的基础知识，建立起对操作系统的整体认识。

操作系统概念、功能和目标

操作系统定义

操作系统(Operating System，OS)是控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理的组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其它软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

操作系统的功能和目标

作为系统资源的管理者
CPU管理、存储器管理、文件管理、设备管理
目标是安全和高效。
作为用户和计算机硬件之间的接口，向用户提供服务
- 命令接口：允许用户直接使用
  - 联机命令接口(交互式命令接口)：用户说一句，系统做一句
    操作系统里的terminal
  - 脱机命令接口(批处理命令接口)：用户说一堆，系统做一堆
    shell脚本
- 程序接口：只允许用户通过程序间接使用，由一组系统调用组成
- GUI：图形用户界面。
作为最接近硬件的层次
实现对硬件机器的拓展

操作系统的特征

操作系统四个特征：并发、共享、虚拟、异步。
并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件。

并发

并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。
操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
操作系统和程序并发是一起诞生的。

共享

共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

有两种资源共享方式：
- 互斥共享方式
  系统中的某些资源，一个时间段内只允许一个进程访问该资源。
- 同时共享方式
  系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程同时对他们进行访问。
  分时共享，微观上对该资源交替访问。
并发和共享互为存在条件
并发性是指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是用户感受到的。

实现虚拟的技术
- 时分复用技术：如CPU
- 空分复用技术：如内存

异步

异步是值在多进程情况下，由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

操作系统运行体制和体系结构

运行机制

指令就是CPU能识别、能执行的最基本命令。
有两种指令：特权指令和非特权指令
有两种CPU状态：用户态和核心态。
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位用户态，1位核心态。
用户态只能执行非特权指令
核心态可以执行特权指令和非特权指令
有两种程序：内核程序和应用程序。
内核程序是操作系统的核心，是系统的管理者，它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，只能执行非特权指令，运行在用户态。

操作系统内核

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。

时钟管理：实现计时功能
中断处理：负责实现中断机制
原语：
是一种特殊程序
处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
这种程序运行具有原子性
运行时间较短，调用频繁
对系统资源进行管理的功能
进程管理
存储器管理
设备管理

操作系统的体系结构

大内核：将操作系统的主要功能模块作为系统内核，运行在核心态
- 优点：高性能
- 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
微内核：只把最基本的功能保留在内核
- 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
- 缺点：需要频繁的在核心态和用户态之间切换，性能低

中断和异常

中断的概念和作用

概念：
中断是外部设备向处理器发起的请求事件，中断的本质是处理器对外开放的实时受控接口，是有高优先级或者突发的事件，需要在一定时间内响应。
发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。
作用
当中断发生时，CPU立即进入核心态
当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
对于不同的中断信号，会进行不同的处理
用户态和核心态的切换
用户态切换成核心态是通过中断实现的。并且中断是唯一的途径。
核心态到用户态是通过执行一个特权指令，将程序状态字PSW的标志位设置为用户态。

中断的分类

中断分为内中断和外中断。

内中断和外中断的本质区别是中断信号的来源是否来自CPU内部。
内中断的信号来源：CPU内部与当前执行的指令相关
外中断的信号来源：CPU外部与当前执行的指令无关
内中断(也称异常、例外、陷入)
- 自愿中断：指令中断，如系统调用时使用的访管指令(又叫陷入指令、trap指令)
- 强迫中断
  - 硬件故障，如缺页中断
  - 软件中断，如整数除0
外中断
- 外设请求，如I/O操作完成发出的中断信号
- 人工干预，如用户强制终止一个进程

外中断的处理过程

step1：CPU执行完每个指令之后，都要检查当前是否有外部中断信号
step2：如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境(如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器等)
step3：根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
step4：根据原进程的CPU环境退出中断，返回原进程继续往下执行

系统调用

什么是系统调用

系统调用是操作系统提供给应用程序(程序员)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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务，操作系统会对各个请求进行协调管理。
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌握。
因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作(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提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户非法操作。
系统调用相关处理需要执行一些特权指令，系统调用的相关处理需要在核心态下进行。
系统调用的分类(按功能分)
- 设备管理：完成设备的请求/释放/启动等功能
- 文件管理：完成文件的读/写/创建/删除等功能
- 进程控制：完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能
- 进程通信：完成进程之前的消息传递/信号传递等功能
- 内存管理：完成内存的分配/回收等功能
系统调用和库函数
有的库函数是对系统调用的进一步封装；
应用程序可以直接进行系统调用，也可以使用库函数。
有的库函数涉及系统调用，有的不涉及。

系统调用内部过程

传递系统调用参数 -> 执行陷入指令(用户态) -> 执行系统调用相应服务程序(核心态) -> 返回用户程序

注意
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，从而CPU进入核心态；
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；
陷入指令是唯一一个只能在用户态执行、而不可在核心态执行的指令；