本文主要是介绍操作系统的运行机制详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
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
内核程序 & 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）
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 & 非特权指令
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
内核态 & 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
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
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：
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刚开机时， CPU 为“ 内核态 ” ， 操作系统内核程序先上CPU运行
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开机完成后， 用户可以启动某个应用程序
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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 ”
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应用程序运行在“ 用户态 ”
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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…
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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 ”
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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
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“ 中断 ” 使操作系统再次夺回CPU的控制权
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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
两种指令、 两种处理器状态、 两种程序
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。
特殊指令：不允许用户程序使用
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 为用户态， 1 为核心态
用户态：此时CPU只能执行非特权指令
核心态：特权指令、 非特权指令都可执行
内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，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， 普通应用程序只能执行非特权指令， 运行在用户态
操作系统的内核
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。
有的操作系统不把这部分功能归为“ 内核功能 ” 。 也就是说， 不同的操作系统， 对内核功能的划分可能并不一样
比喻：
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。
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
操作系统的体系结构
操作系统的内核
操作系统内核需要运行在内核态
操作系统的非内核功能运行在用户态
计算机系统的层次结构
内核是操作系统最基本、 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
操作系统的体系结构
应用程序想要请求操作系统的服务， 这个服务的处理同时涉及到进程管理、 存储管理、 设备管理
变态的过程是有成本的， 要消耗不少时间， 频繁地变态会降低系统性能
系统调用
系统调用
操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口， 需要向上提供一些简单易用的服务。 主要包括命令接口和程序接口。 其中， 程序接口由一组系统调用组成
“ 系统调用 ” 是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员） 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， 应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务
库和系统调用区别
不涉及系统调用的库函数： 如：“ 取绝对值 ” 的函数
涉及系统调用的库函数： 如 “ 创建一个新文件 ” 的函数
由操作系统内核对共享资源进行统一的管理， 并向上提供“ 系统调用 ” ， 用户进程想要那种共享资源， 只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。 内核会对各个请求进行协调处理
| 普通应用程序 | 可直接进行系统调用，也可使用库函数，有的库函数涉及系统调用，有的不涉及 |
|---|---|
| 编程语言 | 向上提供库函数，有时将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序编程更方便 |
| 操作系统 | 向上提供系统调用，使的上层程序能请求内核的任务 |
| 裸机 |
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。 而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管， 因此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。 这样可以保证系统的稳定性和安全性， 防止用户进行非法操作
系统调用的过程
该中断由陷入指令引发， 因此转入相应的中断处理程序——即 系统调用的入口程序
传递系统调用参数 -> 执行陷入指令（用户态） -> 执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）-> 返回应用程序
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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
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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
中断和异常
中断的作用
“ 中断 ” 会使CPU由用户态变为内核态， 使操作系统重新夺回对CPU的控制权
CPU 上会运行两种程序， 一种是操作系统内核程序( 整个系统的管理者 )， 一种是应用程序
在合适的情况下， 操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序
“ 中断 ” 是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
如 没有“ 中断 ” 机制， 那么一旦应用程序上CPU运行， CPU就会一直运行这个应用程序
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
我有俩把钥匙，一把是共享单车的( 用户态 )，一把是法拉利的 ( 内核态 )，我要速度激情，闪电飘逸就肯定要开法拉利，不可能用共享单车遨游天空把，我开着法拉利可以到富人区，也能到贫民区，开着共享单车就只能在贫民区，要是去富人区，会被打断狗腿，所以，要开法拉利去装*呀
##中断的类型
内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
内中断可以看出家里的媳妇要你去干事，你不能抗拒呀，外中断，就是外面的彩旗要你去做事，你也要去处理
内中断
与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
若当前执行的指令是非法的， 则会引发一个中断信号
如：
试图在用户态下执行特权指令
执行除法指令时发现除数为 0
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
执行“ 陷入指令 ” ， 意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。
“ 系统调用 ” ：通过陷入指令完成的
外中断
当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
每一条指令执行结束时， CPU都会例行检查是否有外中断信号
时钟中断——由时钟部件发来的中断信号
I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号
中断的分类
中断机制的基本原理
不同的中断信号， 需要用不同的中断处理程序来处理。 当CPU检测到中断信号后， 会根据中断信号的类型去查询“ 中断向量表 ” ， 以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置
中断处理程序一定是内核程序， 需要运行在“ 内核态 ”
外面彩旗太多，当有彩旗找你，你肯定要用微信查一下是几号鱼，要不然找到她，都不知道叫什么，然后你要开着法拉利去，不能用共享单车去撩吧。
这篇关于操作系统的运行机制详解的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
