导图分析让你快速了解操作系统的运行机制

操作系统的运行机制

一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令：

“ 指令 ” ：处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程

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 ” 区别开。此 “ 指令 ” 指二进制机器指令

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）

操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面 GUI

应用程序只能使用“ 非特权指令 ” ，如：加法指令、减法指令等

操作系统内核作为 “管理者” ，有时会让CPU执行一些“特权指令” ，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“ 管理者 ” —— 即操作系统内核来使用

在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型

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

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

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

启动过程：

刚开机时， CPU 为“ 内核态 ” ，操作系统内核程序先上CPU运行
开机完成后，用户可以启动某个应用程序
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，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 ”
应用程序运行在“ 用户态 ”
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…
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 ”
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
“ 中断 ” 使操作系统再次夺回CPU的控制权
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