操作系統

啟動過程

通電 -> bios uefi 工作 -> 自檢 -> 到硬盤固定位置加載bootloader -> 讀取可配置信息 -> CMOS

CMOS 用來存儲可以配置的信息，需要通電才能存儲信息，主板上有塊電池給它通電。

鴻蒙

操作系統：一遍管理硬件，一般對外暴露接口，管理應用。


內核管理硬件。應用程序屬于外圍程序。
如未特殊說明，后面我們提到的都是Linux操作系統。

推薦一本書《Linux內核設計與實現》，是介于源碼分析和應用中間的一本書，比較淺顯、平實的語言勾勒出Linux內核的原理。

Kernel 內核

1、微內核 - 彈性部署 5G IoT
2、宏內核 - PC phone
3、外核 - 科研 實驗中 為應用定制操作系統 (多租戶 request-based GC JVM)

宏內核
相關的程序都放在一塊內存里

微內核
萬物互聯：不同的占用的資源是不一樣的，有的內存大，有的內存小…
鴻蒙是面向萬物互聯的操作系統，智能家居這樣的小設備都不支持原始宏內核那樣超級大的內核存在，所以使用可插拔式的微內核設計。（類似于微服務的概念）。只要有一個控制器對所有的智能家居進行控制。
部署起來特別靈活，所以叫彈性部署。

外核
針對應用定制自己的操作系統。是一個僅存在于實驗室的概念，沒有應用。
類似于，如果你給JVM寫了一個專門針對WebServer的垃圾回收器，一個Request分配一個獨立內存，Request接收之后直接將這塊內存刪掉（阿里正在做的多租戶的GC的JVM）

VMM

由于硬件資源發展迅速，在硬件資源過剩的情況下，做出一個虛擬層（VMM：Virtual machine monitor，虛擬資源監控器），在虛擬層上面虛擬出幾個操作系統，共享同一套硬件資源。

用戶態、內核態

Intel CPU 分為三級：0，1，2，3三個級別
Linux 只使用了0，3兩個級別。內核訪問Ring 0級，應用程序只能訪問Ring 3級。
linux內核跑在Ring 0級， 用戶程序跑在Ring 3。
用戶想要讀硬盤、寫硬盤、寫網卡等，對于系統的關鍵訪問，需要經過kernel的同意，切換到Ring 0級，保證系統健壯性。

內核執行的操作： 提供了200多個系統調用，例如 sendfile read write pthread fork等對外暴露的函數。
JVM ：站在操作系統老大的角度，JVM就是個普通程序

內核空間：只有內核能訪問的空間。用戶是不可能將這塊內存干掉的。
用戶空間：用戶可以直接操作的空間。
用戶態的程序要和內核態的程序打交道，需要通過系統調用。
正是因為這樣的分層，使得現在的Linux，Windows非常健壯，不會輕易被程序搞崩。

系統調用的執行過程

系統調用 是用戶空間訪問內核的唯一手段，除 異常 和 陷入 外，它是內核的唯一合法入口。

系統調用表及源碼鏈接 https://filippo.io/linux-syscall-table/

• Linux 的系統調用，作為 C 庫的一部分提供
• 用戶空間進程 用 系統調用號 來指明執行哪個系統調用。
• 進行系統調用的步驟：
• 用戶空間應用程序把 系統調用號 放入 eax 寄存器中，外部參數 放在另外的 5 或 6 個寄存器中
• 應用程序通過 int $0x80 觸發 軟中斷（異常），系統切換到內核態，執行 128 號異常處理程序，即 system_call() 系統調用處理程序
• system_call() 運行，從 eax 寄存器中得到 系統調用號，檢查其有效性，然后 執行相應的系統調用
• 內核在執行系統調用的時候，處于 進程上下文。在進程上下文中，內核 可以休眠，并且 可以被搶占
• 系統調用返回 的時候，system_call() 負責 切換回用戶空間，并讓用戶進程繼續執行 int $0x80 的下一條指令

匯編示例：

# Simple program that exits and returns a status code back to the Linux kernel ./section .data # 以.為開頭的名稱不會被翻譯為機器指令，而是作為一種匯編提示告知匯編器 ，這個形式直接被稱為 “匯編指令” 或 ”偽操作“ ./section .text # .text 段位保存代碼， 是只讀和可執行的。后面的指令都是屬于 .text 段。 .globl _start # 告訴編譯器，_start 這個符號就像c程序中的main函數一樣，是整個程序的入口 _start : # 是一個符號，符號在匯編中表示一個地址，可以再指令中 ，匯編程序經過匯編器的處理后， 所有的符號都被替換成為它所代表的地址值。（通俗說，c語言中的函數變量名都屬于符號） # movl 是一條數據傳送指令，要求CPU內部產生一個long數字1并保存到eax寄存器中。 # 1表示在CPU內部產生 ，稱為立即數，立即數在前面要加個$ ,寄存器就加個% movl $1 ,%eax # eax 寄存器用來指定系統調用號 movl $4 ,%ebx # _ebx 的值是傳給 _exit 的參數，表示退出狀態。_exit 的系統調用號為1。 int $0x80 # int 指令中的立即數 0x80 是一個參數，可以用于執行系統調用

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java程序员需要掌握的计算机底层知识（二）：操作系统、内核、用户态与内核态、系统调用的执行过程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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