操作系统（一）绪论

第一章 绪论

计算机体系结构

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计算机启动后发生了什么

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  1. 上电自检

    主板的固件（BIOS 或 UEFI）执行硬件检测，检查 CPU、内存、显卡、键盘等设备是否正常

  2. 加载 BIOS 或 UEFI

    1. CPU 开始执行 0xFFFFFFF0 地址处的指令，该地址处是一条 JUMP 指令，这条指令清空了基址寄存器的值，并让指令跳回到 BIOS 开始处（物理地址为 0xF0000，参考上图 0xF0000 处的标识）以执行 BIOS

    2. BIOS 或 UEFI 固件初始化计算机硬件，完成底层配置。

    3. 确认引导顺序（启动顺序），如硬盘、USB 设备或网络启动。

    4. 加载引导程序（Bootloader）的第一部分，通常位于启动设备的引导扇区。

  3. 主引导记录（Master Boot Record, MBR）

    BIOS 从指定的启动设备中读取主引导记录

  4. 启动加载器（Bootloader）

    启动加载器是一个小型程序，负责加载操作系统内核（常用：GRUB多操作系统支持，配置灵活；Windows Boot Manager用于加载 Windows 操作系统）

  5. 内核初始化

    操作系统内核接管硬件的控制。执行真正的根文件系统中的 /sbin/init 进程，即系统的 1 号进程。此后，系统的控制权就全权交给 /sbin/init 进程了

  6. 系统初始化

    /sbin/init 进程是系统其它所有进程的父进程，当它接管了系统控制权后，它会根据 /etc/inittab 文件来执行相应的脚本，从而完成一系列的系统初始化操作

  7. 用户登陆

程序是如何运行的

准备阶段：

  1. 通过shell获取可执行程序地址，参数和环境变量
  2. 通过fork创建子进程
  3. 通过execve替换当前进程的地址空间，使用加载器将程序加载到内存中
  4. shell调用wait 或 waitpid 系统调用等待子进程执行结束

运行阶段：

  1. 读取二进制程序ELF header中的元数据
  2. 从_start段开始运行
  3. 初始化运行时环境（如设置全局变量、构造全局对象）
  4. 准备参数并调用 main 函数

结束阶段：

  1. 程序调用exit系统调用退出或异常终止

用户如何使用系统其他资源（系统调用）

用户态的程序只能使用内存中用户段，不能使用内核段。内核态可以访问任何内存数据。

中断是用户态进入内核态的唯一方法

系统调用的核心：

  1. 用户程序中包含int 0x80指令（中断）的代码
  2. 操作系统写中断处理，获取想调程序的编号(系统调用号)
  3. 操作系统根据编号执行相应代码

函数库的不同加载方式（静态链接和动态链接）

静态链接

在编译时将所有需要的库代码直接打包到可执行文件中

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动态链接

在程序运行时（加载时或执行过程中）将库文件动态加载到内存中，与程序进行绑定。程序只保存对库的引用，而库本身作为共享资源存储在外部文件中（如 .so 或 .dll）。

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对比

特性 静态链接 动态链接
链接时间 编译时 程序运行时
可执行文件大小 较大（包含库代码） 较小（引用外部库）
内存占用 每个程序独立加载库代码，内存占用多 多个程序共享库，节省内存
运行时效率 无需加载外部库，效率高 首次加载外部库稍慢
更新与维护 库更新需要重新编译相关程序 库更新无需修改程序
独立性 无需依赖外部库 依赖外部共享库
灵活性 固定，无法动态更换库 灵活，可在运行时加载或替换库

如何创建子进程（fork）

fork 的拷贝特点

  1. 写时复制 (COW)
  • fork 的内存部分在最初是浅拷贝形式：
  • 父子进程共享相同的物理内存页面（例如代码段、数据段、堆、栈）。
  • 只要父子进程不修改内存，所有页面保持共享。
  • 当父进程或子进程尝试写入某个页面时，操作系统会触发页面级复制：
  • 把要修改的页面复制到新的内存区域，使父子进程各自持有独立的副本。
  • 这种机制避免了创建子进程时立即复制所有内存的高昂成本。
  1. 文件描述符：
  • 子进程复制父进程的文件描述符表。
  • 文件描述符指向同一内核文件表项，因此父子进程共享文件偏移量。
  • 这是一种浅拷贝。
  1. 信号处理设置、环境变量、当前工作目录等：
  • 这些是简单的值拷贝（深拷贝），因为它们不涉及共享资源。