Chapter 5 Intro & Overview¶

1 Intro¶

1. 1 Compiler basics - Behind gcc main.c¶

预处理（preprocess）
- 命令：cpp main.c -o main.i
- 作用：处理源代码中的预处理指令
  - 展开 #include 的头文件（如<stdio.h>）
  - 替换 #define 的宏定义
  - 处理 #if/#ifdef 等条件编译逻辑
  - 最终生成纯C代码的中间文件 main.i
编译（compile）
- 命令：gcc -S main.i -o main.s
- 作用：将 C 代码翻译为汇编语言代码
  - 编译器（gcc）对 main.i 中的C代码进行语法分析、优化后，生成对应硬件架构的汇编指令（如x86或ARM汇编），输出文件 main.s
汇编（assemble）
- 命令：as main.s -o main.o
- 作用：将汇编代码转换为机器码
  - 汇编器（as）把 main.s 中的汇编指令翻译成二进制机器码，生成目标文件 main.o（格式通常为ELF）
  - 目标文件是可重定位的，但还不能直接执行（需解决外部依赖）
链接（Link）
- 命令：ld main.o -o a.out
- 作用：将多个目标文件/库文件合并为可执行文件
  - 链接器（ld）解决符号引用（如函数调用、全局变量），把 main.o 和依赖的库（如标准库 libc）链接起来，最终生成可执行文件 a.out（可直接在操作系统中运行）
C 运行时（crt）
- 是 C 程序运行的基础环境，包含函数、初始化逻辑和启动例程，为程序执行提供底层支撑
- 启动例程（Startup Routines）：在 main 函数执行前自动运行，完成栈初始化、命令行参数解析等工作，为 main 执行铺路
- 简化开发：封装底层启动、参数传递、程序退出等细节，开发者只需关注main函数内的业务逻辑

1. 2 ELF binary basics - What’s a.out¶

核心结构：ELF 头、程序头表（供加载器使用）、段头表（供链接器使用）
关键段功能：
.text：存放可执行代码
.rodata：存放常量等只读数据(如 static const)
.data：存放已初始化的全局变量、静态变量（如 static int x = 10）
.bss：存放未初始化的全局变量、静态变量（如 static int x）

常见命令：
- readelf -S a.out：查看可执行文件 a.out 的所有段（Sections）
- readelf -h a.out：读取并显示 a.out 的文件头（Header）
- objdump -d a.out：对 a.out 进行反汇编（Disassemble）
当操作系统加载并运行 a.out 后，首先会跳转到 __libc_start_main，完成一些准备工作：
- 设置环境：比如设置好环境变量、命令行参数等
- 设置栈：为函数调用分配和初始化栈空间
- 调用 main

1. 3 Running a binary - Behind ./a.out¶

ELF 初始化的分工：
- 内核：将ELF段映射到进程虚拟地址空间；初始化栈（存储参数、环境变量）与堆（动态内存基础）
- 加载器（动态链接场景）：映射依赖库、解析符号、完成重定位

2 Overview¶

2. 1 What is an OS?¶

应用程序与硬件之间的软件层：简化硬件操作，避免用户直接面对复杂硬件
资源抽象器与资源分配器：
- 抽象：将物理资源（CPU、磁盘、RAM）映射为逻辑资源（进程、文件、数组），并定义逻辑资源的操作接口
- 分配：决定哪个运行程序（进程）获取何种资源、获取份额及获取时机

常见误区：OS 是始终运行的程序

内核并非运行中的程序，而是驻留内存的代码

2. 2 Booting and Execution of OS¶

引导程序（bootstrap program）
- 存储位置：非易失性内存（ROM 或闪存）
- 所属层级：系统固件的一部分，负责加载引导加载程序（bootloader）
- 实验工具：使用 OpenSBI（Supervisor Binary Interface）
- 核心功能：初始化硬件、准备系统环境、定位存储介质中的 OS 内核、加载内核至内存、移交控制权给内核
内核启动后流程
- 完成初始化：内存管理、设备驱动、系统服务的设置
- 启动首个用户态进程：Linux 为 /sbin/init（新版本为 systemd）；Mac OS X 为 launchd
- 系统状态：启动后等待事件触发，无事件时处于空闲状态
多道程序设计（Multi-Programming）
- 定义：允许多个作业（运行中的程序）同时驻留内存
- 核心机制：当某个作业需等待（如 I/O 操作）时，OS 切换至另一个作业执行（上下文切换，context-switch）
- 优势：提升系统利用率，解决单用户模式（等待时 CPU 闲置）和批处理（I/O 时 CPU 空闲）的低效率问题
分时系统（Time-Sharing）
- 本质：基于快速上下文切换的多道程序设计
- 特性：作业运行时间受限，响应时间短，支持交互性，每个作业产生“独占系统”的错觉
- 现代概念中，作业称为进程（process），多个进程可并发驻留内存
OS 代码的运行特性
- 内核存储：OS 的代码由引导程序加载后，驻留在内存的指定地址处
- 执行触发：进程可调用 OS 代码段，执行后返回用户程序
- 内存保护：OS 确保进程间内存隔离，防止相互干扰
- 内核本质：非运行中的作业，而是驻留内存、可随时执行的代码，含数据段（data segment）和文本段（text segment），可执行硬件相关的特殊/危险操作
内核大小考量
- 设计内核时需避免占用过多内存，追求精简（lean）和专注（mean）
- 内核内部无内存保护机制，进程非法访问内存时内核会抛出段错误（segmentation fault）提示，开发时需极度谨慎
用户态 vs 内核态（User vs. Kernel Mode）
- 硬件支持：现代处理器至少支持两种执行模式，由控制寄存器中的状态位标识
特权指令（Protected Instructions）
- 定义：仅 OS 可执行的 CPU 指令子集
- 作用：隔离用户程序与系统核心功能，避免误操作或恶意攻击
典型示例
- 直接访问 I/O 设备（打印机、磁盘等）
- 操作内存管理状态
- 操作受保护的控制寄存器（如内核模式、中断级别设置）
- 执行处理器停机指令（halt）
- 模式差异：
  - 用户态：无法执行特权指令，用户程序运行在此模式
  - 内核态：可执行所有指令，OS代码运行在此模式
- 指令检查流程：
  1. CPU 解码指令，判断是否为特权指令
  2. 若为特权指令且当前为用户态，触发陷阱（trap），终止执行
如果系统仅支持一种模式会发生什么？

MS-DOS 系统是为 Intel 8088 处理器编写的，而该处理器没有模式位，故 MS-DOS 系统仅支持一种模式，存在严重的安全隐患：
- 用户程序的漏洞或恶意操作可能摧毁整个系统
- 多个用户程序可能并发写入同一设备，导致系统行为不一致
多模式扩展示例

ARM64 Modes

RISCV Modes

OS Events

控制流（Control Flow）：程序中语句、指令或函数调用的执行顺序
事件（Events）：控制流的异常变化，会停止当前执行、切换运行模式并切换上下文（触发内核代码并执行）
内核为每种事件类型定义专属处理器（handler），即一段在内核态执行的代码
系统启动后，所有内核访问均由事件触发

类型	产生原因	示例
中断（Interrupts）	外部硬件触发	设备控制器通知操作完成
异常/陷阱/故障（Exceptions/Traps/Faults）	指令执行触发（软件生成）	执行特权指令（用户态）、除零错误、段错误

中断响应：CPU 暂停当前操作，立即跳至内核固定地址执行事件处理代码
处理结果：内核执行相应操作、终止用户进程（如段错误）

内核故障会发生什么？

内核自身错误（如空指针解引用、除零）为致命故障，会导致系统崩溃（UNIX的Panic、Windows的蓝屏），最终会导致内核停止运行，系统状态转储到核心转储文件（core file）中，计算机陷入死机状态

系统调用（System Calls）
- 当用户程序需要执行某项特权操作（如创建进程、写入磁盘、从网卡读取数据等）时，会调用系统调用，其本质是一种特殊的陷阱
- 实现机制：
  - ISA 提供系统调用指令（如x86-64的 syscall）
  - 通过寄存器传递系统调用编号（如 mov $0x1, $eax 指定调用编号 1）
  - 保存调用者状态（程序计数器、寄存器、模式），便于后续恢复
定时器（Timers）
- 为了确保 OS 对 CPU 的控制权，防止程序独占 CPU，定时器会定期触发中断
- OS 移交控制权给用户程序前，总会设置定时器，修改定时器的操作也需通过特权指令完成

内核事件处理伪代码

void processEvent(event) {
    Timer.set(1000); // 1000时间单位后触发定时器事件
    switch (event.type) {
        case NETWORK_COMMUNICATION:
            NetworkManager.handleEvent(event);
            break;
        case SEGMENTATION_FAULT:
        case INVALID_MODE:
            ProcessManager.handleEvent(event);
            break;
        case SYSTEM_CALL:
            SystemCallManager.execute(event);
            break;
        case TIMER:
            Timer.handleEvent(event);
            break;
        ...
    }
    return;
}

2. 3 Resource Management in OS¶

2. 3. 1 Process Management¶

进程（Process）是运行中的程序，程序为被动实体，进程为主动实体
OS 核心职责：
- 进程的创建与删除
- 进程的挂起与恢复
- 进程同步机制
- 进程通信机制
- 死锁处理机制

2. 3. 2 Memory Management¶

核心目标：决定内存中存放的内容及时机
内核始终驻留内存
OS核心职责：
- 跟踪内存使用状态（占用区域及所属进程）
- 决定进程（或部分内容）与数据的内存交换（移入/移出）
- 内存空间的分配与释放
操作系统不负责内存缓存（memory caching）、缓存一致性（cache coherency）等功能，这些工作由硬件（如 CPU 缓存控制器）负责管理

2. 3. 3 Storage Management¶

将存储设备的物理特性（如磁盘扇区、内存地址）抽象为逻辑单元（如文件），提供统一视图
OS 负责文件系统管理，核心职责包括：
- 文件与目录的创建、删除
- 文件与目录的操作
- 文件到二级存储的映射
- 文件备份至非易失性介质
- 空闲空间管理、存储分配、磁盘调度

2. 3. 4 I/O Management¶

作用：隐藏硬件设备特性，为用户提供统一接口
OS 核心职责：
- I/O 内存管理：缓冲（数据传输时临时存储）、假脱机（作业输出与输入重叠）等
- 通用设备驱动接口：支持多种设备与同一内核兼容（需满足标准接口）
- 特定硬件设备的驱动程序开发

2. 3. 5 Protection and Security¶

保护（Protection）：控制进程对 OS 定义资源的访问机制
安全（Security）：防御系统内外攻击（如拒绝服务、蠕虫、病毒、身份盗窃等）
OS 核心机制：
- 内存保护、设备保护
- 进程与文件关联的用户 ID（User IDs）
- 用户组 ID（Group IDs）
- 特权级别定义

思考：Which of these instructions should be privileged, and why?

Set value of the system timer
Read the clock
Clear memory
Issue a system call instruction
Turn off interrupts
Modify entries in device-status table
Access I/O device

答案

1.3.5.6.7