操作系统结构¶

本章问题：程序调用一次“读文件”，怎样跨过权限边界，让内核安全地完成请求？

学习顺序：

1. 区分应用接口、语言库和真正的系统调用。
2. 追踪用户态进入内核再返回的完整路径。
3. 理解参数检查、内核结构与策略／机制。
4. 分清编译、链接、装载、整机启动和虚拟化。

一次读取怎样进内核¶

• 先补三个词。
• 寄存器是CPU内少量、快速的存储位置，执行指令时保存地址、操作数等；
• 程序计数器保存下一条要执行的指令位置；
• 陷入是通过受控入口把执行转交给内核的一类方式。
• 用户态与内核态是CPU权限状态，同一个线程也能在两种权限下先后执行。

flowchart TB
    A["用户态：应用调用读取API"] --> B{"语言库已有所需数据？"}
    B -->|"有"| C["直接返回库缓冲内容"]
    B -->|"无，需要内核服务"| D["准备系统调用编号和参数"]
    D --> E["执行受控入口指令，进入内核态"]
    E --> F["检查参数、权限，执行读取"]
    F --> G{"需要等待设备？"}
    G -->|"无需等待"| H["原线程返回用户态"]
    G -->|"需要等待"| I["原线程阻塞，CPU可运行其他线程"]
    I --> J["设备完成：原线程就绪"]
    J -->|"再次得到CPU"| H

图中“进入内核态”改变权限；“阻塞后运行另一线程”才改变执行身份。这两个动作可能接连发生，也可能只发生前者。

应用要读文件，先调用语言库提供的接口（API）。API是程序员看到的函数约定，系统调用是进入内核请求服务的边界。

例如库里已有缓冲数据时，读取可以直接在用户态返回；缓冲为空时，才可能触发内核读取。

一次API调用与一次系统调用没有固定的一对一关系，printf也可能先格式化并缓冲文字。

• 真正进入内核时，应用准备调用编号和参数，执行体系结构规定的陷入指令。
• CPU保存返回信息并转到内核入口；
• 内核识别请求、检查参数与权限，完成操作后返回结果和执行位置。
• 数据已就绪时，同一个线程可以立即返回；
• 等待设备时才可能阻塞并让出CPU。
• 跨权限边界不等于换运行任务。

练习 1¶

参数为什么要检查¶

参数可放在寄存器、内存参数块中，或通过栈传递。这只决定“怎样取参数”，不保证参数可信。内核必须检查地址范围、读写权限、长度以及运算是否溢出。

• 常见系统调用可以按用途记：创建或等待进程；
• 打开、读写文件；
• 控制设备；
• 查询时间和系统信息；
• 进程通信；
• 设置访问权限。
• 命令行解释器（shell）读取并解释命令，通常通过创建进程和执行程序完成工作；
• 它本身一般也是用户态程序。
• 系统工具、库、内核和硬件因此组成不同服务层。

内核内部怎样组织¶

决定“下一个运行谁”是策略；提供保存现场、恢复现场的方法是机制。把两者分开，替换调度策略时就不必重写整套切换代码。

把文件服务移到用户态后，一条读路径可能变成“应用→内核消息机制→文件服务→内核驱动→设备→回复应用”。服务出错更难直接破坏其他地址空间，但依赖它的应用仍可能读失败或等待。

结构名称不能单独证明性能或可靠性。

练习 2¶

程序与系统怎样启动¶

• 编译把源代码转成机器代码；
• 链接把多个目标文件拼接起来，并解决“调用的函数在哪”等符号引用；
• 装载给程序建立运行时地址空间和初始状态。
• 三者分别回答“指令是什么、依赖在哪里、运行时放在哪”。

flowchart LR
    S["源代码"] -->|"编译"| O["目标文件"]
    O -->|"链接库并解析符号"| E["可执行文件"]
    E -->|"装载和建立映射"| P["进程开始执行"]

动态链接允许部分库在装载或运行时解析；它仍需完成相应符号与地址处理。整机引导则在操作系统尚未运行时把内核带入执行，和普通应用装载处于不同阶段。

源文件先编译成目标文件，再由链接器组合代码与数据，解决符号引用，得到可执行文件。装载器建立运行需要的地址映射与初始状态，再转入入口。

动态链接还会装入依赖库；ELF中的程序入口 e_entry 与指定解释器的 PT_INTERP 有不同用途，不能把所有入口都称为动态加载器。

整机启动要先有固件或引导程序初始化必要硬件、装入内核，再转入内核初始化，建立内存管理、驱动和初始进程。

构建配置决定哪些功能被编入、作为模块或禁用；Makefile描述目标、依赖和生成规则，改变依赖后才知道应重建什么。

今年Lab 0把这些角色放在同一条链上：Docker提供工具运行环境，交叉编译器在宿主环境产生RISC-V代码，QEMU模拟目标机器，内核在其中启动。

GDB利用带符号的 vmlinux 调试；实验用的 Image 与它承担的文件用途不同。Lab 1则接着观察引导和时钟中断。

这里先认清角色，具体运行证据来自实际实验。

虚拟机增加了哪一层¶

虚拟机监控器（hypervisor）把CPU、内存与设备呈现为虚拟硬件，客户操作系统在这套硬件视图上运行。监控器可直接位于硬件之上，也可依托宿主操作系统。

容器通常共享宿主内核，隔离进程环境，与每台都运行客户内核的虚拟机不同。

虚拟CPU仍要被安排到物理CPU上。忽略同时多线程硬件，2个物理核心最多同时执行2条指令流；两台虚拟机各宣称2个vCPU，也不能让4条计算任务同时占有4个物理核心。

虚拟化提供资源视图和隔离，实际吞吐仍受硬件与调度约束。

练习 3¶

记忆要点¶