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操作系统OS入门

article 2024/10/8 14:47:15

一、操作系统如何发挥作用

当一个编译好的可执行文件（如.exe）在机器上运行时，操作系统（OS）会发挥关键作用。尽管可执行文件已经被编译为机器语言（机器代码），它仍然依赖操作系统来管理和协调执行。这是因为操作系统负责提供许多核心服务，如内存管理、进程调度、I/O操作、权限控制等。以下是OS在这个过程中起作用的几个关键步骤：

1. 加载和执行（Loading and Execution）

当你在操作系统中运行一个.exe文件时，操作系统负责将可执行文件加载到内存中并启动执行。具体过程包括：

文件加载器（Loader）：操作系统的加载器负责读取可执行文件，将其内容加载到内存的适当位置。它会分配内存空间，并根据需要将程序和数据加载到内存中。加载器还会设置好程序的初始状态，如堆栈指针和程序计数器（Program Counter）。
动态链接（Dynamic Linking）：许多可执行文件并不是完全独立的，它们可能依赖一些动态链接库（如DLL文件）。操作系统负责在运行时解析这些库的依赖，将库加载到内存并链接它们。

2. 进程管理

操作系统将你的.exe文件作为一个进程来管理。一个进程是一个独立的执行环境，OS为其分配了资源并控制其执行。

进程调度：操作系统使用调度算法来管理进程的执行。如果有多个进程在运行，操作系统会决定哪些进程在CPU上运行、什么时候切换进程（上下文切换）。
多任务处理：操作系统通常允许多任务并发运行。尽管从用户的角度看，你的程序可能在独占地运行，但实际上操作系统在背后快速地在多个进程之间切换。

3. 内存管理

即使你的程序已经被编译成了机器语言，它依然依赖操作系统进行内存管理。

虚拟内存：操作系统通过虚拟内存管理让每个进程都像拥有独立的内存空间，即使物理内存不够大。操作系统通过分页或分段技术实现这一点。
地址空间隔离：操作系统通过为每个进程提供独立的虚拟地址空间来保护进程，使它们不能直接访问或修改其他进程的内存。这提供了安全性和稳定性，防止程序意外或恶意破坏系统中的其他程序。

4. I/O管理

操作系统负责所有的输入/输出操作，包括文件读写、网络通信、显示输出等。

当你的程序试图访问文件、写入数据、与网络设备通信或进行其他I/O操作时，它不会直接与硬件通信。相反，它会调用操作系统提供的API或系统调用（如read(), write()）。操作系统会处理具体的硬件交互细节，为程序提供一个更高层次的抽象接口。
权限控制：操作系统负责管理对设备和文件系统的权限。不同的进程可能具有不同的权限来访问文件和设备，操作系统负责确保每个进程只能访问它有权限访问的资源。

5. 中断和异常处理

在程序执行期间，可能会遇到硬件中断（如I/O完成）或异常（如除零错误、访问非法内存等）。操作系统负责处理这些事件：

中断处理：硬件中断通常是由外部设备触发的（如硬盘、网络适配器）。当发生中断时，操作系统会暂停当前进程的执行，处理中断事件，然后继续进程的执行。
异常处理：如果你的程序遇到了非法操作（如除以零、非法的内存访问），操作系统会捕获异常并处理，可能会终止程序或提供错误处理机制。

6. 系统调用（System Calls）

当程序需要执行特权操作（如文件操作、进程控制、网络通信等），它不能直接访问这些资源，而是通过系统调用来请求操作系统执行这些任务。常见的系统调用包括：

文件操作：open(), read(), write(), close()等
进程管理：fork(), exec(), exit()
内存管理：mmap(), malloc(), free()

系统调用的作用是将特权操作委托给操作系统，由操作系统来管理和执行。操作系统作为硬件资源的管理员，确保这些操作安全、有序地进行。

二、内核空间（Kernel Space）

内核空间（Kernel Space）是操作系统内核运行的专有内存区域，负责管理系统硬件和提供底层服务。与此相对的是用户空间（User Space），这是应用程序运行的地方。内核空间和用户空间的分离是操作系统实现安全性、稳定性和资源管理的基础。

1. 内核空间的定义

内存区域：内核空间是操作系统在物理内存中专门保留给内核和内核模块使用的部分。它通常包含操作系统的核心功能，比如进程管理、内存管理、设备驱动、文件系统、网络栈等。
特权模式：内核运行在处理器的特权模式下（例如，在x86架构上称为Ring 0），这意味着它可以直接访问硬件资源并执行所有指令，包括那些被禁止给用户进程的指令。与此相对，用户空间运行在处理器的非特权模式下（例如Ring 3），限制了它们对系统资源的访问。

三、内存管理单元（Memory Management Unit，MMU

内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）**是计算机系统中的一个关键硬件组件，负责管理系统的内存资源。MMU 的主要功能是实现虚拟内存管理、地址转换和内存保护。以下是 MMU 的详细介绍：

1. 虚拟内存管理

MMU 使得操作系统可以使用虚拟内存，使得程序能够使用比物理内存更大的内存空间。虚拟内存的主要优点包括：

地址空间隔离：每个进程都有自己独立的虚拟地址空间，进程间不能直接访问彼此的内存。这种隔离增强了系统的安全性和稳定性。
节省内存：虚拟内存允许操作系统仅将部分程序加载到物理内存中，其他部分可以存储在磁盘上（如交换区或页面文件）并按需加载。这减少了物理内存的压力，提高了资源利用率。
内存扩展：虚拟内存机制允许程序使用比实际物理内存更大的地址空间，方便运行大规模应用程序。

2. 地址转换

MMU 的核心功能之一是地址转换。它将程序中的虚拟地址转换为物理地址。这个过程通常通过以下几个步骤进行：

页表（Page Table）：MMU 使用页表来存储虚拟地址到物理地址的映射。每个进程都有一个独立的页表，其中包含虚拟页与物理页框的映射关系。
页表项：每个页表项包含有关虚拟页面的信息，如对应的物理页面地址、访问权限、是否在内存中（有效位）、是否已修改（脏位）等。
地址转换过程：
1. 当程序访问虚拟地址时，MMU 根据虚拟地址中的页号查找页表。
2. MMU 获取对应的物理页框号，并结合偏移量计算出实际的物理地址。
3. 如果虚拟页不在内存中（缺页异常），操作系统会将其从磁盘加载到内存。

3. 内存保护

MMU 还负责实现内存保护，以防止进程访问未授权的内存区域。保护机制包括：

访问权限控制：MMU 在页表中存储每个页面的访问权限（如只读、读写等），确保进程不能以不当方式访问内存。
异常处理：当进程试图访问未授权的内存区域时，MMU 会触发异常（如段错误或缺页异常），操作系统可以捕获此异常并采取适当措施（如终止进程或返回错误）。

4. 高速缓存

为了提高性能，MMU 通常与**缓存（Cache）**结合使用，减少内存访问延迟。MMU 会缓存最近使用的页表项，减少频繁的内存访问和转换开销。

5. 支持的地址空间布局

MMU 还支持不同的地址空间布局，如段式管理、分页管理等。常见的管理方式包括：

分页（Paging）：将虚拟地址空间分为固定大小的页，物理内存分为同样大小的页面框。虚拟地址通过页表转换为物理地址。
分段（Segmentation）：将虚拟地址空间分为不同大小的段（如代码段、数据段、堆等），每个段有独立的基地址和限制。

6. MMU 结构

MMU 通常由以下几个部分组成：

地址转换单元：负责执行虚拟地址到物理地址的转换，包括查找页表和缓存的操作。
页表寄存器：存储当前进程的页表基址，MMU 通过该寄存器快速访问页表。
控制逻辑：管理 MMU 的操作，执行地址转换、异常处理、权限检查等任务。

内存管理单元（MMU）是现代计算机系统中不可或缺的组成部分，负责虚拟内存管理、地址转换和内存保护。它通过页表管理进程的虚拟地址空间，实现了内存的高效利用和安全控制。MMU 的功能使得操作系统能够以高效的方式管理内存，支持多任务处理，提高系统的稳定性和安全性。

四、中断（Interrupt）

**中断（Interrupt）**是计算机系统中一种重要的机制，用于响应异步事件并打断当前执行的程序，以便处理某些特定任务或事件。中断的存在使得计算机能够高效地处理外部和内部事件，提高系统的响应能力和资源利用率。以下是关于中断的详细介绍：

1. 中断的基本概念

定义：中断是由硬件或软件发出的信号，通知处理器需要暂停当前的执行流程，转而执行特定的中断处理程序（Interrupt Handler 或 Interrupt Service Routine，ISR）。
异步事件：中断可以由外部设备（如键盘、鼠标、硬盘等）产生，也可以由程序内部的条件（如除零、内存访问错误等）触发。

2. 中断的类型

中断通常可以分为几种主要类型：

硬件中断（Hardware Interrupt）：由外部设备或内部硬件生成的中断信号。例如，当用户按下键盘上的某个键，键盘控制器会向处理器发送硬件中断信号，通知其有输入数据可读。
软件中断（Software Interrupt）：由程序内部执行的指令引发的中断，通常用于触发系统调用或处理异常情况。例如，某些操作系统使用INT指令来发出软件中断。
定时中断（Timer Interrupt）：由系统定时器生成的中断，用于实现时间片轮转调度、多任务处理等。定时中断使得操作系统能够控制各个进程的运行时间。
异常中断（Exception Interrupt）：由程序运行中发生的错误或特殊条件引起的中断，如除以零、访问非法内存等。处理器会检测这些异常并触发中断处理程序。

3. 中断的处理流程

中断处理的基本流程通常如下：

中断发生：当一个中断事件发生时，当前执行的程序会被打断，处理器会停止执行当前指令。
保存上下文：处理器会保存当前进程的状态（上下文），包括程序计数器（PC）、寄存器内容等，以便在中断处理完成后能够恢复。
中断识别：处理器根据中断向量表（Interrupt Vector Table）识别中断源，并找到相应的中断处理程序的地址。
执行中断处理程序：处理器跳转到中断处理程序执行特定的任务。例如，读取输入数据、处理错误、更新系统状态等。
恢复上下文：中断处理程序完成后，处理器会恢复先前保存的上下文信息，继续执行被中断的程序。

4. 中断优先级和嵌套

在系统中可能会发生多个中断请求。为了处理这些情况，系统通常会采用中断优先级机制：

中断优先级：中断有不同的优先级，优先级高的中断可以打断优先级低的中断处理。例如，如果一个硬件中断正在处理，而又有一个更高优先级的中断发生，系统可以中断当前的处理程序，转而处理优先级更高的中断。
中断嵌套：高优先级的中断可以在低优先级的中断处理程序运行期间发生，这种机制称为中断嵌套。嵌套允许系统更快地响应紧急事件，但也会增加系统的复杂性和上下文切换的开销。

5. 中断向量表

中断向量表是一个重要的数据结构，用于存储中断处理程序的入口地址。每个中断都有一个对应的向量，处理器通过这个向量快速定位并调用相应的中断处理程序。

6. 中断管理

操作系统负责中断管理，控制中断的使能与禁用，设置中断优先级，并处理各种中断请求。中断管理的关键任务包括：

中断使能和禁用：操作系统可以选择性地启用或禁用某些中断，以防止在关键操作期间被打断。
中断请求处理：操作系统监控并处理来自不同设备的中断请求，确保各个设备的正常操作。
中断服务程序（ISR）的编写：开发人员需要编写中断服务程序，确保能够正确响应中断并处理相应任务。

7. 中断的优缺点

优点：
- 提高了系统的响应速度：中断允许系统在有事件发生时立即响应，而不是周期性轮询设备。
- 优化了资源利用率：中断处理使得CPU能够高效地处理多任务，提高了系统的性能。
缺点：
- 复杂性：中断管理增加了系统的复杂性，需要开发人员对中断的处理和管理有深入理解。
- 中断开销：频繁的中断和上下文切换会导致性能下降，影响系统的效率。

五、系统调用（System Call）

系统调用（System Call）**是应用程序与操作系统内核之间的接口，允许应用程序请求操作系统执行特权操作或访问系统资源。系统调用是实现用户空间程序与内核空间之间交互的主要机制。以下是关于系统调用的详细介绍：

1. 系统调用的定义

概念：系统调用是一种特殊的函数调用，用户程序通过它请求操作系统执行特定操作，如文件操作、内存管理、进程控制等。系统调用的实现允许用户程序访问操作系统提供的服务，同时确保安全性和稳定性。
功能：系统调用提供了对底层硬件和系统资源的抽象，使得应用程序能够不直接操作硬件，而是通过系统调用接口与操作系统进行交互。

2. 系统调用的类型

系统调用通常可以分为以下几类：

文件操作：与文件系统相关的操作，如创建、打开、读取、写入、关闭文件等。
- 示例：open(), read(), write(), close()
进程管理：涉及进程的创建、终止、等待、同步等操作。
- 示例：fork(), exec(), wait(), exit()
内存管理：动态分配和管理内存的操作，如分配和释放内存块。
- 示例：mmap(), munmap()
设备管理：与设备驱动程序交互，进行输入/输出操作。
- 示例：ioctl(), read(), write()
网络操作：与网络协议栈进行交互，进行数据传输和网络通信。
- 示例：socket(), bind(), connect(), send(), recv()
信息管理：获取系统状态、信息和环境变量等。
- 示例：getpid(), getuid(), sysinfo()