第98篇

极客时间《许式伟的架构课》课程笔记。

软件利用它所依赖的基础架构包括3个，冯·诺依曼计算机体系、编程语言以及操作系统。操作系统与前两者不同。软件都是某种编程语言写成的，而 CPU 和编程语言的能力，统一以语言的语法或者库体现。操作系统则属于基础软件，它和我们编写的软件并不在同一个进程中。

系统调用

• 今天主流的操作系统都是保护模式的，操作系统和软件不在同一个进程
• 软件使用操作系统的能力是通过【中断】机制实现的
• 中断的设计初衷是 CPU 响应硬件设备事件的一个机制。但是 CPU 也提供了指令允许软件触发一个中断，我们把它叫软中断。大部分情况下，操作系统的能力通过软中断向我们写的软件开放，为此还专门引入了一个术语叫 “系统调用（syscall）”

系统调用如何工作？

• 根据与应用的关系，可以把操作系统分为内核与外围。所谓操作系统内核，其实就是指那些会向我们写的应用程序提供系统服务的子系统的集合，它们管理着计算机的所有硬件资源，也管理着所有运行中的应用软件（进程）
• 操作系统内核的执行权限等级，和我们常规的软件进程不同。像 Intel CPU 通常把代码执行权限分为 Ring 0-3 四个等级。操作系统内核通常运行在 Ring 0，而常规的软件进程运行在 Ring 3
• 系统调用所基于的软中断，它很像一次间接的“函数调用”，但是又颇有不同。原因在于，我们的应用程序运行在 Ring 3（我们通常叫用户态），而操作系统内核运行在 Ring 0（我们通常叫内核态）。所以一次中断调用，不只是“函数调用”，更重要的是改变了执行权限，从用户态跃迁到了内核态
• 从虚拟内存机制的视角，操作系统内核和所有进程都在同一个地址空间，也就是，操作系统内核，它是所有进程共享的内存。操作系统内核的代码和数据，不只为所有进程所共享，而且在所有进程中拥有相同的地址

系统调用

编程接口

• 操作系统（内核）有六大子系统：存储管理、输入设备管理、输出设备管理、进程管理、网络管理、安全管理
• 高级语言都实现了操作系统编程接口的封装

编程接口封装

动态库

• 动态库本质上是实现了一个语言无关的代码复用机制。它是二进制级别的复用，而不是代码级别的
• 主流动态库：Windows 的 dll（Dynamic Link Library）；Linux/Android 的 so（shared object）；Mac/iOS 的 dylib（Mach-O Dynamic Library）
• 有了动态库，编程语言的设计者实现其标准库来说就多了一个选择：直接调用动态库的函数并进行适度的语义包装。大部分语言会选择这条路，而不是直接用系统调用

操作系统与编程语言

• 编程语言和操作系统是两个非常独立的演化方向，却又彼此交融，它们有点像是某种“孪生关系”。虽然操作系统的诞生离不开编程语言，但是操作系统和 CPU 一样，是编程语言背后所依赖的基础设施
• 第一个问题：先有编程语言，还是先有操作系统？答案：先有编程语言。
• 第二个问题：编程语言怎么做到自举的？交叉编译：就是在一种 “CPU + 操作系统” 架构下，生成另一种 “CPU + 操作系统” 架构下的软件
• 第三个问题：操作系统能够做到自身迭代本操作系统（自举）么？可以。通常一门新的操作系统开发之初，会用交叉编译技术先干出来，然后等到新操作系统稳定到一定程度后再实现自举，也就是用本操作系统自己来做操作系统的后续迭代开发

结语

中央处理器（CPU）、编程语言、操作系统这三者对应用软件开放的编程接口