MIT 6.s081前置xv6教材和课程总结——第二章 操作系统架构

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MIT 6.s081前置xv6教材和课程总结——第一章 操作系统接口
MIT 6.s081前置xv6教材和课程总结——第二章 操作系统架构

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概述

操作系统必须满足三个要求：多路复用、隔离和交互。即使进程比硬件处理器多，操作系统也必须确保所有进程都有机会执行。操作系统还必须安排进程之间的隔离。也就是说，如果一个进程有错误和故障，它不应该影响不依赖于有错误的进程的进程。然而，完全隔离又太过头了，进程之间应当可以进行刻意为之的交互；

1. 抽象系统资源

为什么要抽象系统资源?如果没有操作系统去抽象系统资源，那么应用程序就会直接与硬件交互，最重要的一点就是无法实现多路复用和内存隔离。

多路复用的意思就是同一时间CPU只能运行一个应用程序，为了不变成一个恶意程序，程序在发现自己运行了一段时间之后，需要让别的程序也有机会能运行。这种机制有时候称为协同调度（Cooperative Scheduling）。但是程序中的某个函数有一个死循环，那么程序永远也不会释放CPU，进而其他的应用程序也不能够运行，甚至都不能运行一个第三方的程序来停止或者杀死Shell程序。所以这种场景下，我们基本上得不到真正的multiplexing（CPU在多进程同分时复用）。

内存隔离则是如果应用程序直接读写内存，没有界限，会导致相互影响彼此的数据。

为了实现强隔离， 最好禁止应用程序直接访问敏感的硬件资源，而是将资源抽象为服务。例如fork将抽象了cpu资源，exec抽象了内存资源，file抽象了磁盘资源。

2. 用户态，核心态，以及系统调用

为什么要有不同模式的区分？因为操作系统需要考虑防御性（Defensive）。即应用程序有可能是恶意的，会去打破强隔离从而进入内核，控制所有的系统资源。主要的硬件支持包括两个：第一部分是user/kernel mode，kernel mode在RISC-V中被称为Supervisor mode但是其实是同一个东西；第二部分是page table或者虚拟内存（Virtual Memory）。

RISC-V有三种CPU可以执行指令的模式：机器模式(Machine Mode)、用户模式(User Mode)和管理模式(Supervisor Mode)。
机器模式：执行的指令具有完全特权，主要用于配置计算机
管理模式：CPU被允许执行特权指令
用户模式：应用程序只能执行用户模式的指令
如果在应用程序用户模式下执行特权指令，cpu会切换至管理模式，并且中止应用程序

               用户态=用户模式=目态

               核心态=管理模式=管态

此外，当一个用户空间的应用程序想要调用一个系统调用，例如read/write，并不是直接进入内核调用，在RISC-V中，有一个专门的指令用来实现这个功能，叫做ECALL。ECALL接收一个数字参数，当一个用户程序想要将程序执行的控制权转移到内核，它只需要执行ECALL指令，并传入一个数字。这里的数字参数代表了应用程序想要调用的System Call。
而在内核中，有一个syscall函数专门检查ECALL的参数，去找到对应的系统调用。

3. 内核组织

宏内核（monolithic kernel）：整个操作系统都驻留在内核中，这样所有系统调用的实现都以管理模式运行，整个操作系统以完全的硬件特权运行。

优点：操作系统的不同部分更容易合作。

缺点：是操作系统不同部分之间的接口通常很复杂，在宏内核中，一个错误就可能是致命的，因为管理模式中的错误经常会导致内核失败。如果内核失败，计算机停止工作，因此所有应用程序也会失败。计算机必须重启才能再次使用。

微内核：最大限度地减少在管理模式下运行的操作系统代码量，并在用户模式下执行大部分操作系统。作为进程运行的操作系统服务被称为服务器，这就是客户/服务器（Client/Server）模式。

微内核和宏内核的效率是不一样的，例如一个应用程序要和文件系统交互，在宏内核下，文件系统就在内核空间中，所以只需要一次用户空间和内核空间的交互；但在微内核当中，文件系统以服务的形式存在于用户空间，需要应用程序-内核-文件系统，文件系统-内核-应用程序，共两次交互。