王道操作系统，视频链接：1.3.1 操作系统的运行机制

预备知识：程序运行原理

• C语言代码->（编译器编译）->二进制机器指令。（一条高级语言的代码翻译过来可能对应多条机器指令）
• “指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。
• 程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程。
• ps：很多人习惯把Linux、Windows、MacOS的“小黑框”中的命令也称为“指令”，其实这是“交互式命令接口”，需要注意与本节的“指令”区别开来。本节中的“指令”特指二进制机器指令。

内核程序与应用程序：

• 应用程序：普通程序员写的，运行在操作系统之上的程序。
• 内核程序：
  • 负责实现操作系统核心功能的程序称为“内核程序”。
  • “操作系统内核”简称为“内核（kernel）”由很多内核程序组成。
  • 内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分，它直接管理硬件资源（如CPU、内存、硬盘）
  • 可以说, 一个操作系统只要有内核就够了，如：Docker 依赖 Linux 内核（Docker 本身并不是操作系统，它作为容器化引擎依赖于宿主机的 Linux 内核）
  • 操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面
  • 内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：“内存清零指令”。这些指令影响重大，只允许内核使用。
  • CPU在设计生产前就划分了特权指令和非特权指令，因此指令执行前，CPU就能判断其类型。

内核态与用户态：

• 内核态（也称核心态、管态）：处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
• 用户态（也称目态）：处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令
• 拓展：CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”
• 事件例子：
  1. 刚开机时，CPU为内核态，操作系统内核程序先在CPU运行。
  2. 开机完成后，用户可以启动某个应用程序
  3. 操作系统内核程序在合适的时候主动让出CPU，让该应用程序上CPU运行。（操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把PSW的标志位设置为“用户态”）
  4. 应用程序运行在“用户态”
  5. 此时，如果一名黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统
  6. CPU发现接下来要运行的指令为特权指令，但是自己又处于“用户态”，属于非法事件
  7. 这个非法事件会引发一个中断信号。（CPU检测到中断信号后，会立即变成“核心态”，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序）
  8. “中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权
  9. 操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU的使用权交给别的应用程序。
• 内核态和用户态的切换：
  • 内核态->用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
  • 用户态->内核态：由**“中断”**引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权。（除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号，一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号）