操作系统是如何工作的

无论是电脑操作系统还是手机操作系统，无论是windows还是linux还是手机的工作原理都是一样的。比如在你阅读这篇文章的时候，操作系统是在运行吗？这些问题并不复杂，但它们深入涉及到操作系统的本质。为了彻底理解这些问题，我们需要透彻理解操作系统的行为模型，包括性能、安全和除错等方面的机制。

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 我们以 Linux 为例来帮助你了解操作系统的行为模型，别的系统基本原理也是一样的。在任意给定时刻，某个 CPU 上仅有一个任务处于活动状态。大多数情形下这个任务是某个用户程序，例如你的 Web 浏览器或音乐播放器，但它也可能是一个操作系统线程。可以确信的是它是一个任务，不是两个或更多，也不是零个，就是一个。
​这听上去可能会有些问题，比如你的音乐播放器是否会独占 CPU 而阻止其它任务运行，从而使你不能打开任务管理工具去杀死音乐播放器，甚至让鼠标点击也失效，因为操作系统没有机会去处理这些事件。
此时便轮到中断大显身手了，中断就好比一声巨响或一次拍肩后，神经系统通知大脑去感知外部刺激一般。计算机主板上的芯片组同样会中断 CPU 运行以传递新的外部事件，例如键盘上的某个键被按下、网络数据包的到达、一次硬盘读取的完成等，硬件外设、主板上的中断控制器和 CPU 本身，它们共同协作实现了中断机制。
​中断对于记录我们最珍视的（资源时间）也至关重要。计算机启动过程中，操作系统内核会设置一个硬件计时器以让其产生周期性计时中断，例如每隔 10 毫秒触发一次。每当计时中断到来，内核便会收到通知以更新系统统计信息和盘点如下事项，当前用户程序是否已运行了足够长时间，是否有某个 TCP 定时器超时了，中断给予了内核一个处理这些问题并采取合适措施的机会。这就好像你给自己设置了整天的周期闹铃并把它们用作检查点：我是否应该去做我正在进行的工作？是否存在更紧急的事项？直到你发现 100 年时间已逝去……
​这些内核对 CPU 周期性的劫持被称为滴答tick，也就是说中断让你的操作系统滴答了一下。不止如此中断也被用作处理一些软件事件，如整数溢出和页错误，其中还涉及外部硬件。中断是进入操作系统内核最频繁也是最重要的入口。它们是操作系统赖以运行的机制。
让我们再来看一些实际情形，比如Intel Core i5 系统中的一个网卡中断了，会出现提示，你可以点击它们以获取更为详细的信息，每个设备均被链接到了对应的 Linux 驱动源码。
这是因为首先由于系统中存在众多中断源，如果硬件只是通知 CPU 这里发生了一些事情，然后什么也不做。这会带来难以忍受的冗长等待。因此计算机上电时，每个设备都被授予了一根中断线，这根线被称为 IRQ。这些 IRQ 然后被系统中的中断控制器映射成值介于 0 到 255 之间的中断向量。等到中断到达 CPU，它便具备了一个完好定义的数值，区别于硬件的某些其它行为。
相应地CPU 中还存有一个由内核维护的指针，指向一个包含 255 个函数指针的数组，其中每个函数被用来处理某个特定的中断向量，它被称作中断描述符表（IDT）。 每当中断到来，CPU 会用中断向量的值去索引中断描述符表，并执行相应处理函数。这相当于在当前正在执行任务的上下文中，发生了一个特殊函数调用，从而允许操作系统以较小开销快速对外部事件作出反应。这看上去就像Vim 编辑器直接面向操作系统内核产生了一次神奇的函数调用，但 Vim 还在那里，它的地址空间原封未动在等待着执行流返回，假如Web 服务器在发送数据时，CPU 却间接调用了操作系统函数，可想一下这是多么可怕的一件事情。