A — 操作系统概述
操作系统是管理计算机硬件资源、为应用程序提供运行环境的系统软件。它是硬件之上的第一层软件，也是所有其他软件的基础。
操作系统的核心职责
| 职责 | 说明 |
|---|---|
| 资源抽象 | 将物理硬件（CPU、内存、磁盘）抽象为进程、虚拟内存、文件等概念 |
| 资源分配 | 在多个请求者之间公平分配 CPU 时间、内存空间、I/O 带宽 |
| 隔离保护 | 确保进程之间互不干扰，内核空间与用户空间严格隔离 |
| 并发管理 | 协调多进程/多线程的并发执行，保证数据一致性 |
用户态与内核态
现代 CPU 通常提供至少两个特权级别（x86 的 Ring 0 和 Ring 3）：
graph TD A[用户态: Ring 3] -->|"系统调用 (syscall)"| B[内核态: Ring 0] B -->|"返回结果"| A B --> C[直接访问硬件] C --> B
| 层级 | 能做什么 | 不能做什么 |
|---|---|---|
| 用户态 | 执行应用程序代码、调用库函数、通过系统调用请求内核服务 | 直接访问硬件、修改页表、执行特权指令 |
| 内核态 | 访问所有内存地址、执行所有 CPU 指令、管理硬件设备 | (无权限限制) |
用户态程序请求内核服务的方式是系统调用（System Call）。常见系统调用：read、write、open、close、fork、execve、mmap、brk。
中断与异常
操作系统不是”主动管理”硬件的，而是被动响应。CPU 通过中断和异常机制通知内核：
| 类型 | 触发来源 | 举例 |
|---|---|---|
| 硬件中断 | 外部设备 | 键盘按下、网卡数据到达、定时器到期 |
| 软件异常 | CPU 执行指令时 | 缺页中断（page fault）、除零错误、非法指令 |
| 陷入（Trap） | 主动触发 | 系统调用（应用程序主动请求进入内核） |
flowchart TD A["用户态代码正常执行"] --> B{"发生中断/异常/系统调用?"} B -->|是| C["硬件保存上下文（PC, 寄存器）"] C --> D["切换到内核栈"] D --> E["查中断向量表（IVT）"] E --> F["跳转到对应的中断处理函数"] F --> G["硬件恢复上下文"] G --> H["回到用户态，继续执行"] B -->|否| A
中断向量表（IVT）是内核在启动时设置好的一张函数指针表，入口 0 对应除零错误，入口 14 对应缺页中断（x86），入口 0x80 或 syscall 对应系统调用。
内核的类型
| 类型 | 特点 | 代表 |
|---|---|---|
| 宏内核（Monolithic） | 所有服务在内核态运行，高性能但内核庞大 | Linux, BSD |
| 微内核（Microkernel） | 最小化内核，大部分服务跑在用户态，更安全但通信开销大 | Minix, QNX, seL4 |
| 混合内核 | 结合两者优点 | Windows NT, macOS (XNU) |
Linux 是宏内核，但支持可加载内核模块（LKM），允许动态扩展内核功能而不必重新编译。
启动过程
固件（BIOS/UEFI）→ 引导加载器（GRUB）→ 内核加载 → init/systemd → 用户空间
引导加载器将内核映像从磁盘读入内存，设置页表和栈，跳转到内核入口点 _start，内核初始化子系统后启动第一个用户进程（/sbin/init）。