第98篇

極客時(shí)間《許式偉的架構(gòu)課》課程筆記厉斟。

軟件利用它所依賴的基礎(chǔ)架構(gòu)包括3個(gè)兼犯，馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系珍语、編程語言以及操作系統(tǒng)锤岸。操作系統(tǒng)與前兩者不同。軟件都是某種編程語言寫成的廊酣，而 CPU 和編程語言的能力能耻，統(tǒng)一以語言的語法或者庫體現(xiàn)。操作系統(tǒng)則屬于基礎(chǔ)軟件亡驰，它和我們編寫的軟件并不在同一個(gè)進(jìn)程中晓猛。

系統(tǒng)調(diào)用

• 今天主流的操作系統(tǒng)都是保護(hù)模式的，操作系統(tǒng)和軟件不在同一個(gè)進(jìn)程
• 軟件使用操作系統(tǒng)的能力是通過【中斷】機(jī)制實(shí)現(xiàn)的
• 中斷的設(shè)計(jì)初衷是 CPU 響應(yīng)硬件設(shè)備事件的一個(gè)機(jī)制凡辱。但是 CPU 也提供了指令允許軟件觸發(fā)一個(gè)中斷戒职，我們把它叫軟中斷。大部分情況下透乾，操作系統(tǒng)的能力通過軟中斷向我們寫的軟件開放洪燥，為此還專門引入了一個(gè)術(shù)語叫 “系統(tǒng)調(diào)用（syscall）”

系統(tǒng)調(diào)用如何工作？

• 根據(jù)與應(yīng)用的關(guān)系乳乌，可以把操作系統(tǒng)分為內(nèi)核與外圍捧韵。所謂操作系統(tǒng)內(nèi)核，其實(shí)就是指那些會(huì)向我們寫的應(yīng)用程序提供系統(tǒng)服務(wù)的子系統(tǒng)的集合汉操，它們管理著計(jì)算機(jī)的所有硬件資源再来，也管理著所有運(yùn)行中的應(yīng)用軟件（進(jìn)程）
• 操作系統(tǒng)內(nèi)核的執(zhí)行權(quán)限等級(jí)，和我們常規(guī)的軟件進(jìn)程不同磷瘤。像 Intel CPU 通常把代碼執(zhí)行權(quán)限分為 Ring 0-3 四個(gè)等級(jí)芒篷。操作系統(tǒng)內(nèi)核通常運(yùn)行在 Ring 0，而常規(guī)的軟件進(jìn)程運(yùn)行在 Ring 3
• 系統(tǒng)調(diào)用所基于的軟中斷采缚，它很像一次間接的“函數(shù)調(diào)用”针炉，但是又頗有不同。原因在于扳抽，我們的應(yīng)用程序運(yùn)行在 Ring 3（我們通常叫用戶態(tài)）篡帕，而操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行在 Ring 0（我們通常叫內(nèi)核態(tài)）。所以一次中斷調(diào)用贸呢，不只是“函數(shù)調(diào)用”赂苗，更重要的是改變了執(zhí)行權(quán)限，從用戶態(tài)躍遷到了內(nèi)核態(tài)
• 從虛擬內(nèi)存機(jī)制的視角贮尉，操作系統(tǒng)內(nèi)核和所有進(jìn)程都在同一個(gè)地址空間，也就是朴沿，操作系統(tǒng)內(nèi)核猜谚，它是所有進(jìn)程共享的內(nèi)存败砂。操作系統(tǒng)內(nèi)核的代碼和數(shù)據(jù)，不只為所有進(jìn)程所共享魏铅，而且在所有進(jìn)程中擁有相同的地址

系統(tǒng)調(diào)用

編程接口

• 操作系統(tǒng)（內(nèi)核）有六大子系統(tǒng)：存儲(chǔ)管理昌犹、輸入設(shè)備管理、輸出設(shè)備管理览芳、進(jìn)程管理斜姥、網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理
• 高級(jí)語言都實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)編程接口的封裝

編程接口封裝

動(dòng)態(tài)庫

• 動(dòng)態(tài)庫本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)語言無關(guān)的代碼復(fù)用機(jī)制沧竟。它是二進(jìn)制級(jí)別的復(fù)用铸敏，而不是代碼級(jí)別的
• 主流動(dòng)態(tài)庫：Windows 的 dll（Dynamic Link Library）；Linux/Android 的 so（shared object）悟泵；Mac/iOS 的 dylib（Mach-O Dynamic Library）
• 有了動(dòng)態(tài)庫杈笔，編程語言的設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)其標(biāo)準(zhǔn)庫來說就多了一個(gè)選擇：直接調(diào)用動(dòng)態(tài)庫的函數(shù)并進(jìn)行適度的語義包裝。大部分語言會(huì)選擇這條路糕非，而不是直接用系統(tǒng)調(diào)用

操作系統(tǒng)與編程語言

• 編程語言和操作系統(tǒng)是兩個(gè)非常獨(dú)立的演化方向蒙具，卻又彼此交融，它們有點(diǎn)像是某種“孿生關(guān)系”朽肥。雖然操作系統(tǒng)的誕生離不開編程語言禁筏，但是操作系統(tǒng)和 CPU 一樣，是編程語言背后所依賴的基礎(chǔ)設(shè)施
• 第一個(gè)問題：先有編程語言衡招，還是先有操作系統(tǒng)篱昔？答案：先有編程語言。
• 第二個(gè)問題：編程語言怎么做到自舉的蚁吝？交叉編譯：就是在一種 “CPU + 操作系統(tǒng)” 架構(gòu)下旱爆，生成另一種 “CPU + 操作系統(tǒng)” 架構(gòu)下的軟件
• 第三個(gè)問題：操作系統(tǒng)能夠做到自身迭代本操作系統(tǒng)（自舉）么？可以窘茁。通常一門新的操作系統(tǒng)開發(fā)之初怀伦，會(huì)用交叉編譯技術(shù)先干出來，然后等到新操作系統(tǒng)穩(wěn)定到一定程度后再實(shí)現(xiàn)自舉山林，也就是用本操作系統(tǒng)自己來做操作系統(tǒng)的后續(xù)迭代開發(fā)

結(jié)語

中央處理器（CPU）房待、編程語言、操作系統(tǒng)這三者對(duì)應(yīng)用軟件開放的編程接口