操作系统

一、操作系统基础知识

1.1 用户态和内核态

1.1.1 定义：什么是用户态和内核态？

Kernel 运行在超级权限模式（Supervisor Mode）下，所以拥有很高的权限。按照权限管理的原则，多数应用程序应该运行在最小权限下。因此，很多操作系统，将内存分成了两个区域：

• 内核空间（Kernal Space），这个空间只有内核程序可以访问；

• 用户空间（User Space），这部分内存专门给应用程序使用。

1.1.2 用户态和内核态

用户空间中的代码被限制了只能使用一个局部的内存空间，我们说这些程序在用户态（User Mode） 执行。

内核空间中的代码可以访问所有内存，我们称这些程序在内核态（Kernal Mode） 执行。

系统调用过程
如果用户态程序需要执行系统调用，就需要切换到内核态执行。下面我们来讲讲这个过程的原理。

如上图所示：内核程序执行在内核态（Kernal Mode），用户程序执行在用户态（User Mode）。当发生系统调用时，用户态的程序发起系统调用。因为系统调用中牵扯特权指令，用户态程序权限不足，因此会中断执行，也就是 Trap（Trap 是一种中断）。

发生中断后，当前 CPU 执行的程序会中断，跳转到中断处理程序。内核程序开始执行，也就是开始处理系统调用。内核处理完成后，主动触发 Trap，这样会再次发生中断，切换回用户态工作。

1.2 中断

1.2.1 中断机制的产生

早期计算机各个程序只能串行执行、系统资源利用低。为了解决上述问题，人们就发明了操作系统，引入了中断机制，实现了多道程序的并发执行，提高了系统资源的利用率。

中断是多程序并发执行的前提条件。

(1) 以两个进程并发运行为例，进程1在用户态运行了一段时间后，CPU会接收到计时部件（操作系统内核的时钟管理部件）发出的中断信号，表示进程1已经用完了一个时间片，CPU会切换到内核态，把CPU的使用权限交还给操作系统，操作系统内核就会对刚才的中断进行处理，操作系统知道进程1的时间片用完，就需要切换进程，在完成切换进程的一系列工作后，操作系统又会将CPU的使用权交还给用户进程。
(2) 接着进程2拿到CPU执行权就会在用户态下执行，进程2执行一段时间后，进程2发出系统调用（内中断信号），请求输出，主动要求操作系统介入工作，CPU会立即切换到内核态，把权限交还给操作系统，操作系统内核接管进程2系统调用请求，调用IO设备开始输出工作，然后操作系统交还CPU执行权，IO设备也会并行执行，进程2需要等待IO操作完成，所以进程1拿到CPU执行权开始运行。当执行一段时间后，IO操作完成，IO设备向CPU发送一个中断信号，此时CPU由用户态再次转换为内核态，对刚才的中断信号处理，由于IO操作完成，所以操作系统知道进程2可以恢复运行了，以完成后续工作，所以操作系统再次交还CPU执行权，让进程2再次运行。

(1) 当中断发生时，CPU立即进入内核态。
(2) 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进程处理。
(3) 对于不同的中断信号，会进行不同的处理。

1.2.2 中断的本质

发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。
当发生了中断，就意味着需要操作系统的介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（**如进程切换、分配IO设备）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转换为核心态。**中断就可以使CPU从用户态转换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。因此，有了中断，才能实现多道程序并发执行。
用户态到核心态的转换就是通过中断机制实现的，并且中断是唯一途径。
核心态到用户态的切换时通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）标志位设置为用户态。

1.2.3 中断的分类

1.2.3.1 内中断和关中断

中断可以分为：内中断和外中断。
内中断：内中断的信号来源于CPU内部、与当前执行的指令有关。如整数除0。

• 除数为零、操作数溢出等算术异常：简单处理，报告用户；也可以由用户编写中断续元程序处理

• 非法指令、用户态使用特权指令、地址越界、非法存取等指令异常：终止进程

• 终止进程指令：终止进程

• 虚拟地址异常：调整内存后重新执行指令

  外中断：外中断的信号来源于CPU外部、与当前执行的指令无关。如用户强制结束一个进程、IO设备完成操作发生的中断信号。

• 由外围设备发出的信号引起的中断事件

  • 时钟中断、间隔时钟中断：记时与时间片处理
  • 设备报到与结束中断：调整设备表
  • 键盘/鼠标信号中断：根据信号做出相应反映
  • 关机/重启动中断：写回文件，停止设备与CPU

1.2.3.2 开中断和关中断

​ 关中断和开中断其实就是像我们生活中的开关一样。 关中断是为了保护一些不能中途停止执行的程序而设计的，计算机的CPU进行的是时分复用，即每个时钟周期内，CPU只能执行一条指令。在多道程序设计的环境下（就是我们通常所说的多个程序同时运行时），CPU是不断地交替地将这些程序的指令一条一条的分别执行，这样从宏观上看我们就感觉多个程序是在同时执行，但从微观上看则是CPU在不同的时间段（极短）内执行着不同程序的单条指令。而CPU在这些指令之间的切换就是通过中断来实现的。

​ 关中断就是为了让CPU在一段时间内执行同一程序的多条指令而设计的，比如在出现了非常事件后又恢复正常时，CPU就会忙于恢复非常事件出现之前计算机的工作环境（通常叫做恢复现场），在恢复现场的时候，CPU是不允许被其他的程序打扰的，此时就要启动关中断，不再相应其他的请求。当现场恢复完毕后，CPU就启动开中断，其他等待着的程序的指令就开始被CPU执行，计算机恢复正常。

1.2.4 中断的处理过程

• 情况一：对于某些中断，在处理完毕后，直接返回刚刚被中断的进程

• 情况二：对于其他一些中断，要中断当前进程的运行，调整进程队列，启动进程调度，选择下一个执行的进程并恢复其执行

  (1) 执行完每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号。
  (2) 如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器、各种通用寄存器）。
  (3) 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序。
  (4) 恢复进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行。

【中断屏蔽】

• 当计算机检测到中断时，中断装置通过中断屏蔽位决定是否响应已发生的中断
• 有选择的响应中断

【中断优先级】

• 当计算机同时检测到多个中断时，中断装置响应中断的顺序
• 有优先的的响应中断
• 一种可能的处理次序
  • 处理机硬件故障中断事件、自愿性中断事件、程序性中断事件、时钟中断等外部中断事件、输入输出中断事件、重启动和关机中断事件
• 不同类型的操作系统有不同的中断优先级

【中断的嵌套处理】

• 当计算机响应中断后，在中断处理过程中，可以再响应其他中断
• 操作系统是性能攸关程序，且中断响应处理有硬件要求，考虑系统效率和实现代价问题，中断的嵌套处理应限制在一定层数内，如3层
• 中断的嵌套处理改变中断处理次序，先响应的有可能后处理

【多中断的响应与处理】

• 决定中断处理次序的因素
  • 中断屏蔽可以使中断装置不响应某些中断
  • 中断优先级决定了中断装置响应中断的次序
  • 中断可以嵌套处理，但嵌套的层数应有限制
  • 中断的嵌套处理改变了中断处理的次序

【多重中断处理-1】

• X、Y两个中断同时发生
• 先响应X
• 因Y被屏蔽，继续处理X
• 再响应并处理Y

【多重中断处理-2】

• X、Y两个中断同时发生
• 根据中断优先级，先响应X
• 因未屏蔽Y，再响应并处理Y
• Y处理完成后，再处理X

1.2.5 中断、异常和系统异常区别

• 狭义的中断来源于处理器之外的中断事件，即与当前运行指令无关的中断事件，如I/O中断、时钟中断、外部信号中断等
• 异常（来源于CPU内部的中断事件，和狭义共同构成广义的中断）指当前运行指令引起的中断事件，如地址异常、算术异常、处理器硬件故障等
• 系统异常与硬件无关，系统异常指执行陷入指令而触发系统调用引起的中断事件，如请求设备、请求I/O、创建进程等

1.2.5 总结

(1) 中断是为了实现多道程序并发执行而引入的一种技术。
(2) 中断的本质就是发生中断时需要操作系统介入开展管理工作。
(3) 发生CPU会立即进入核心态，针对不同的中断信号，采取不同的处理方式。
(4) 中断是CPU从用户态进入核心态的唯一途径。
(5) 中断分为内中断和外中断。
(6) 进程中断时，操作系统会保存CPU的运行环境，如程序状态字（PSW）、程序计数器、各种通用寄存器，这是为了当进程再次运行时可以从中断的状态处继续运行。