读书笔记之应用程序与操作系统之间的关系——《操作系统之真相还原》

妖狐艹你老母 2022-09-25 15:23 66阅读 0赞

这个知识点很好的解释了为什么一些程序不能跨平台使用，比如windows与linux之间的应用程序一般不能通用，底层库不同，可执行程序的格式也不同，后面章节中作者也点明了这个问题。此问题可见知乎上的讨论：主要的原因是格式不同和API不同，前者更重要一些。http://www.zhihu.com/question/24369805，另外有个东西也可以了解下wine——Wine （“Wine Is Not an Emulator” 的[递归缩写][Link 1]）是一个能够在多种 POSIX-compliant [操作系统][Link 2]（诸如 Linux，Mac OSX 及 BSD 等）上运行 Windows 应用的兼容层。关于Wine的真正含义，有人对“Wine Is Not an Emulator”的说法表示质疑，认为”非模拟器“的解释不过是一种娱乐性的说法，Wine的真实意思应当是是Windows Environment的缩写，即WinE。

问题：应用程序是什么，和操作系统是如何配合到一起的？

应用程序是软件（似乎是废话，别急，往后看），操作系统也是软件。CPU会将它们一视同仁，甚至，CPU不知道自己在执行的程序是操作系统，还是一般应用软件，CPU只知道去cs：ip寄存器中指向的内存取指令并执行，它不知道什么是操作系统，也无需知道。

操作系统是人想出来的，为了让自己管理计算机方便而创造出来的一套管理办法。

应用程序要用某种语言编写，而语言又是编译器来提供的。其实根本就没有什么语言，有的只是编译器。是编译器决定怎样解释某种关键字及某种语法。语言只是编译器和大家的约定，只要写入这样的代码，编译器便将其翻译成某种机器指令，翻译成什么样取决于编译器的行为，和语言无关，比如说C语言的printf函数，它的功能不是说一定要把字符打印到屏幕上，这要看编译器对这种关键字的处理。

编译器提供了一套库函数，库函数中又有封装的系统调用，这样的代码集合称之为运行库。C语言的运行库称为C运行库，就是所谓的CRT（C Runtime Library）。

应用程序加上操作系统提供功能才算是完整的程序。由于有了操作系统的支持，一些现成的东西已经摆在那了，但这些是属于操作系统的，不是应用程序的，所以咱们平时所写的应用程序只是半成品，需要调用操作系统提供好的函数才能完整地做成一件事，而这个函数便是系统调用。

用户态与内核态是对CPU来讲的，是指CPU运行在用户态（特权3级）还是内核态（特权0级），很多人误以为是对用户进程来讲的。

用户进程陷入内核态是指：由于内部或外部中断发生，当前进程被暂时终止执行，其上下文被内核的中断程序保存起来后，开始执行一段内核的代码。是内核的代码，不是用户程序在内核的代码，用户代码怎么可能在内核中存在，所以“用户态与内核态”是对CPU来说的。

当应用程序陷入内核后，它自己已经下CPU了，以后发生的事，应用程序完全不知道，它的上下文环境已经被保存到自己的0特权级栈中了，那时在CPU上运行的程序已经是内核程序了。所以要清楚，内核代码并不是成了应用程序的内核化身，操作系统是独立的部分，用户进程永远不会因为进入内核态而变身为操作系统了。

应用程序是通过系统调用来和操作系统配合完成某项功能的，有人可能会问：我写应用程序时从来没写什么系统调用的代码啊。这是因为你用到的标准库帮你完成了这些事，库中提供的函数其实都已经封装好了系统调用，你需要跟下代码才会看到。其实也可以跨过标准库直接执行系统调用，对于Linux系统来说，直接嵌入汇编代码“int 0x80”便可以直接执行系统调用，当然要提前设置好系统调用子功能号，该子功能号用寄存器eax存储。

会不会有人又问，编译器怎么知道系统调用接口是什么，哈哈，您想啊，下载编译器时，是不是要选择系统版本，编译器在设计时也要知道自己将来运行在哪个系统平台上，所以这都是和系统绑定好的，各个操作系统都有自己的系统调用号，编译器厂商在代码中已经把宿主系统的系统调用号写死了，没什么神奇的。

来看下什么是用户态与内核态：

用户态（user mode）在计算机结构指两项类似的概念。在CPU的设计中，用户态指非特权状态。在此状态下，执行的代码被硬件限定，不能进行某些操作，比如写入其他[进程][Link 3]的存储空间，以防止给[操作系统][Link 4]带来安全隐患。在[操作系统][Link 4]的设计中，用户态也类似，指非特权的执行状态。[内核][Link 5]禁止此状态下的代码进行潜在危险的操作，比如写入系统配置文件、杀掉其他用户的[进程][Link 3]、重启系统等。

只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备. 占用CPU的能力被剥夺, CPU资源可以被其他程序获取

**内核态:** CPU可以访问内存所有数据, 包括外围设备, 例如硬盘, 网卡. CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。

为什么会有用户态和内核态？

由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级 -- 用户态 和 内核态。

**用户态与内核态的切换**

所有用户程序都是运行在用户态的, 但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情, 例如从硬盘读取数据, 或者从键盘获取输入等. 而唯一可以做这些事情的就是操作系统, 所以此时程序就需要先操作系统请求以程序的名义来执行这些操作.

这时需要一个这样的机制: 用户态程序切换到内核态, 但是不能控制在内核态中执行的指令

这种机制叫**系统调用**, 在CPU中的实现称之为**陷阱指令**(Trap Instruction)

他们的工作流程如下:

1.  用户态程序将一些数据值放在寄存器中, 或者使用参数创建一个堆栈(stack frame), 以此表明需要操作系统提供的服务.
2.  用户态程序执行陷阱指令
3.  CPU切换到内核态, 并跳到位于内存指定位置的指令, 这些指令是操作系统的一部分, 他们具有内存保护, 不可被用户态程序访问
4.  这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler). 他们会读取程序放入内存的数据参数, 并执行程序请求的服务
5.  系统调用完成后, 操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果

前面提到了用户进程陷入内核，这个好解释，如果把软件分层的话，最外圈是应用程序，里面是操作系统，如图0-1所示。

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▲图0-1 陷入内核

应用程序处于特权级3，操作系统内核处于特权级0。当用户程序欲访问系统资源时（无论是硬件，还是内核数据结构），它需要进行系统调用。这样CPU便进入了内核态，也称管态。看图中凹下去的部分，是不是有陷进去的感觉，这就是“陷入内核”。

[Link 1]: http://baike.baidu.com/view/5034635.htm
[Link 2]: http://baike.baidu.com/subview/880/4940471.htm
[Link 3]: http://baike.baidu.com/view/19746.htm
[Link 4]: http://baike.baidu.com/view/880.htm
[Link 5]: http://baike.baidu.com/view/1366.htm
[.._15-1444 _0001.tif]: http://write.epubit.com.cn/api/storage/getbykey/screenshow?key=160291ca24e08b490974