操作系统的运行机制

在操作系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序：一种是操作系统内核程序；另一种是用户自编程序或系统外层的应用程序。对操作系统而言，这两种程序作用不同，前者是后者的管理者，因此 “管理程序”要执行一些特权指令，而“被管理程序”出于安全考虑不能执行这些指令。所谓特权指令，是指计算机中不允许用户直接使用的指令，如I/O指令，置中断指令，存取用于内存保护的寄存器等指令。操作系统在具体实现上划分了用户态（目态）和核心态（管态）以严格区分两类程序。

什么是内核

内核，是一个操作系统的核心。是基于硬件的第一层软件扩充，提供操作系统的最基本的功能，是操作系统工作的基础，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。

现代操作系统设计中，为减少系统本身的开销，往往将一些与硬件紧密相关的（如中断处理程序、设备驱动程序等）、基本的、公共的、运行频率较高的模块（如时钟管理、进程调度等）以及关键性数据结构独立开来，使之常驻内存，并对他们进行保护。通常把这一部分称之为操作系统的内核。

Linux 内核简介

让我们一种图来展示Linux操作系统的体系结构。可以从两个层次上来考虑操作系统。

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用户空间（User Space）
这是用户应用程序执行的地方

• 用户程序（User Application）
• 标准C库（CNU C Library）：它提供了连接内核的系统调用接口，还提供了在用户空间应用程序和内核之间进行转换的机制。这点非常重要，因为内核和用户空间的应用程序使用的是不同的保护地址空间。每个用户空间的进程都使用自己的虚拟地址空间，而内核则占用单独的地址空间。

内核空间（Kernel）
Linux 内核可以进一步划分成 3 层

• 系统调用接口（System Call Interface）：实现了一些基本的功能，例如 read 和 write。
• 内核代码（Kernel）：独立于体系结构的内核代码，这些代码是 Linux 所支持的所有处理器体系结构所通用的。
• 依赖于体系结构的代码：构成了通常称为 BSP（Board Support Package）的部分。这些代码用作给定体系结构的处理器和特定于平台的代码。

Linux 内核的主要子系统

Linux内核主要有5个子系统组成：进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口和进程间通信。

进程调度（SCHED)

控制进程对CPU的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是指那些仅等待CPU资源的进程，如果某个进程在等待其他资源，则该进程是不可运行进程。Linux使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。

内存管理 (MM)

允许多个进程共享主内存区域。Linux的内存管理支持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码、数据、堆栈的总量可以超过实际内存的大小，操作系统只是把当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘中。必要时，操作系统只是把当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘中。必要时，操作系统负责在磁盘和内存间交换程序块。

虚拟文件系统 (Virtual File System, VFS)

隐藏了各种硬件的具体细节，为所有的设备提供了同意的接口，VFS提供了多达数十种不同的文件系统。虚拟文件可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指的是 Linux所支持的文件系统，如EXT2，FAT等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。

网络接口 (NET)

提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议负责实现每一种可能的网络传输协议。网络设备驱动程序负责与硬件设备通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

进程间通信 (IPC)

支持进程间各种通信机制。处于中心位置的进程调度，所有其它的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。一般情况下，当一个进程等待硬件操作完成时，它被挂起；当操作真正完成时，进程被恢复执行。例如，当一个进程通过网络发送一条消息时，网络接口需要挂起发送进程，直到硬件成功地完成消息的发送，当消息被成功的发送出去以后，网络接口给进程返回一个代码，表示操作的成功或失败。其他子系统以相似的理由依赖于进程调度。

一张完整的 Linux 内核运行原理图

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