操作系统的运行机制

知识总览

程序是如何运行的

“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。

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。

内核程序和应用程序

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），但操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面 GUI。

特权指令和非特权指令

内核态和用户态

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

一个故事：

① 刚开机时，CPU 为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU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，让该应用程序上CPU运行。

④ 应用程序运行在“用户态”。

⑤ 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…。

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”。

⑦ 这个非法事件会引发一个中断信号。

⑧ “中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权。（即由用户态转变到内核态）

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。（即由内核态转变为用户态）

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。

注意：

• 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。

• 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。

• 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。

小结

两种指令、两种处理器状态、两种程序

存在问题：

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。

思考：CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？

操作系统的内核

生活经验：我们安装完 Windows 操作系统后，会发现操作系统提供了多种多样的功能，比如“记事本”、“任务管理器”。然而，这些功能并不是必不可少的。即使没有“任务管理器”，我们仍然可以使用计算机。

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。

大内核和微内核

计算机系统的层次结构：

操作系统的体系结构：

类比：

操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。

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。

小结

注意：

• 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。

• 核心态、用户态之间的切换。