读书笔记之应用程序与操作系统之间的关系
2017-12-22 15:53
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这个知识点很好的解释了为什么一些程序不能跨平台使用,比如windows与linux之间的应用程序一般不能通用,底层库不同,可执行程序的格式也不同,后面章节中作者也点明了这个问题。此问题可见知乎上的讨论:主要的原因是格式不同和API不同,前者更重要一些。http://www.zhihu.com/question/24369805,另外有个东西也可以了解下wine——Wine
(“Wine Is Not an Emulator” 的递归缩写)是一个能够在多种
POSIX-compliant 操作系统(诸如
Linux,Mac OSX 及 BSD 等)上运行 Windows 应用的兼容层。关于Wine的真正含义,有人对“Wine Is Not an Emulator”的说法表示质疑,认为”非模拟器“的解释不过是一种娱乐性的说法,Wine的真实意思应当是是Windows Environment的缩写,即WinE。
问题:应用程序是什么,和操作系统是如何配合到一起的?
应用程序是软件(似乎是废话,别急,往后看),操作系统也是软件。CPU会将它们一视同仁,甚至,CPU不知道自己在执行的程序是操作系统,还是一般应用软件,CPU只知道去cs:ip寄存器中指向的内存取指令并执行,它不知道什么是操作系统,也无需知道。
操作系统是人想出来的,为了让自己管理计算机方便而创造出来的一套管理办法。
应用程序要用某种语言编写,而语言又是编译器来提供的。其实根本就没有什么语言,有的只是编译器。是编译器决定怎样解释某种关键字及某种语法。语言只是编译器和大家的约定,只要写入这样的代码,编译器便将其翻译成某种机器指令,翻译成什么样取决于编译器的行为,和语言无关,比如说C语言的printf函数,它的功能不是说一定要把字符打印到屏幕上,这要看编译器对这种关键字的处理。
编译器提供了一套库函数,库函数中又有封装的系统调用,这样的代码集合称之为运行库。C语言的运行库称为C运行库,就是所谓的CRT(C Runtime Library)。
应用程序加上操作系统提供功能才算是完整的程序。由于有了操作系统的支持,一些现成的东西已经摆在那了,但这些是属于操作系统的,不是应用程序的,所以咱们平时所写的应用程序只是半成品,需要调用操作系统提供好的函数才能完整地做成一件事,而这个函数便是系统调用。
用户态与内核态是对CPU来讲的,是指CPU运行在用户态(特权3级)还是内核态(特权0级),很多人误以为是对用户进程来讲的。
用户进程陷入内核态是指:由于内部或外部中断发生,当前进程被暂时终止执行,其上下文被内核的中断程序保存起来后,开始执行一段内核的代码。是内核的代码,不是用户程序在内核的代码,用户代码怎么可能在内核中存在,所以“用户态与内核态”是对CPU来说的。
当应用程序陷入内核后,它自己已经下CPU了,以后发生的事,应用程序完全不知道,它的上下文环境已经被保存到自己的0特权级栈中了,那时在CPU上运行的程序已经是内核程序了。所以要清楚,内核代码并不是成了应用程序的内核化身,操作系统是独立的部分,用户进程永远不会因为进入内核态而变身为操作系统了。
应用程序是通过系统调用来和操作系统配合完成某项功能的,有人可能会问:我写应用程序时从来没写什么系统调用的代码啊。这是因为你用到的标准库帮你完成了这些事,库中提供的函数其实都已经封装好了系统调用,你需要跟下代码才会看到。其实也可以跨过标准库直接执行系统调用,对于Linux系统来说,直接嵌入汇编代码“int 0x80”便可以直接执行系统调用,当然要提前设置好系统调用子功能号,该子功能号用寄存器eax存储。
会不会有人又问,编译器怎么知道系统调用接口是什么,哈哈,您想啊,下载编译器时,是不是要选择系统版本,编译器在设计时也要知道自己将来运行在哪个系统平台上,所以这都是和系统绑定好的,各个操作系统都有自己的系统调用号,编译器厂商在代码中已经把宿主系统的系统调用号写死了,没什么神奇的。
来看下什么是用户态与内核态:
用户态(user
mode)在计算机结构指两项类似的概念。在CPU的设计中,用户态指非特权状态。在此状态下,执行的代码被硬件限定,不能进行某些操作,比如写入其他进程的存储空间,以防止给操作系统带来安全隐患。在操作系统的设计中,用户态也类似,指非特权的执行状态。内核禁止此状态下的代码进行潜在危险的操作,比如写入系统配置文件、杀掉其他用户的进程、重启系统等。
只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备. 占用CPU的能力被剥夺, CPU资源可以被其他程序获取
内核态: CPU可以访问内存所有数据,
包括外围设备, 例如硬盘, 网卡. CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
为什么会有用户态和内核态?
由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据,
或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级 -- 用户态 和 内核态。
用户态与内核态的切换
所有用户程序都是运行在用户态的, 但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情, 例如从硬盘读取数据, 或者从键盘获取输入等. 而唯一可以做这些事情的就是操作系统, 所以此时程序就需要先操作系统请求以程序的名义来执行这些操作.
这时需要一个这样的机制: 用户态程序切换到内核态, 但是不能控制在内核态中执行的指令
这种机制叫系统调用, 在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)
他们的工作流程如下:
用户态程序将一些数据值放在寄存器中, 或者使用参数创建一个堆栈(stack frame), 以此表明需要操作系统提供的服务.
用户态程序执行陷阱指令
CPU切换到内核态, 并跳到位于内存指定位置的指令, 这些指令是操作系统的一部分, 他们具有内存保护, 不可被用户态程序访问
这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler). 他们会读取程序放入内存的数据参数, 并执行程序请求的服务
系统调用完成后, 操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果
前面提到了用户进程陷入内核,这个好解释,如果把软件分层的话,最外圈是应用程序,里面是操作系统,如图0-1所示。
▲图0-1 陷入内核
应用程序处于特权级3,操作系统内核处于特权级0。当用户程序欲访问系统资源时(无论是硬件,还是内核数据结构),它需要进行系统调用。这样CPU便进入了内核态,也称管态。看图中凹下去的部分,是不是有陷进去的感觉,这就是“陷入内核”。
(“Wine Is Not an Emulator” 的递归缩写)是一个能够在多种
POSIX-compliant 操作系统(诸如
Linux,Mac OSX 及 BSD 等)上运行 Windows 应用的兼容层。关于Wine的真正含义,有人对“Wine Is Not an Emulator”的说法表示质疑,认为”非模拟器“的解释不过是一种娱乐性的说法,Wine的真实意思应当是是Windows Environment的缩写,即WinE。
问题:应用程序是什么,和操作系统是如何配合到一起的?
应用程序是软件(似乎是废话,别急,往后看),操作系统也是软件。CPU会将它们一视同仁,甚至,CPU不知道自己在执行的程序是操作系统,还是一般应用软件,CPU只知道去cs:ip寄存器中指向的内存取指令并执行,它不知道什么是操作系统,也无需知道。
操作系统是人想出来的,为了让自己管理计算机方便而创造出来的一套管理办法。
应用程序要用某种语言编写,而语言又是编译器来提供的。其实根本就没有什么语言,有的只是编译器。是编译器决定怎样解释某种关键字及某种语法。语言只是编译器和大家的约定,只要写入这样的代码,编译器便将其翻译成某种机器指令,翻译成什么样取决于编译器的行为,和语言无关,比如说C语言的printf函数,它的功能不是说一定要把字符打印到屏幕上,这要看编译器对这种关键字的处理。
编译器提供了一套库函数,库函数中又有封装的系统调用,这样的代码集合称之为运行库。C语言的运行库称为C运行库,就是所谓的CRT(C Runtime Library)。
应用程序加上操作系统提供功能才算是完整的程序。由于有了操作系统的支持,一些现成的东西已经摆在那了,但这些是属于操作系统的,不是应用程序的,所以咱们平时所写的应用程序只是半成品,需要调用操作系统提供好的函数才能完整地做成一件事,而这个函数便是系统调用。
用户态与内核态是对CPU来讲的,是指CPU运行在用户态(特权3级)还是内核态(特权0级),很多人误以为是对用户进程来讲的。
用户进程陷入内核态是指:由于内部或外部中断发生,当前进程被暂时终止执行,其上下文被内核的中断程序保存起来后,开始执行一段内核的代码。是内核的代码,不是用户程序在内核的代码,用户代码怎么可能在内核中存在,所以“用户态与内核态”是对CPU来说的。
当应用程序陷入内核后,它自己已经下CPU了,以后发生的事,应用程序完全不知道,它的上下文环境已经被保存到自己的0特权级栈中了,那时在CPU上运行的程序已经是内核程序了。所以要清楚,内核代码并不是成了应用程序的内核化身,操作系统是独立的部分,用户进程永远不会因为进入内核态而变身为操作系统了。
应用程序是通过系统调用来和操作系统配合完成某项功能的,有人可能会问:我写应用程序时从来没写什么系统调用的代码啊。这是因为你用到的标准库帮你完成了这些事,库中提供的函数其实都已经封装好了系统调用,你需要跟下代码才会看到。其实也可以跨过标准库直接执行系统调用,对于Linux系统来说,直接嵌入汇编代码“int 0x80”便可以直接执行系统调用,当然要提前设置好系统调用子功能号,该子功能号用寄存器eax存储。
会不会有人又问,编译器怎么知道系统调用接口是什么,哈哈,您想啊,下载编译器时,是不是要选择系统版本,编译器在设计时也要知道自己将来运行在哪个系统平台上,所以这都是和系统绑定好的,各个操作系统都有自己的系统调用号,编译器厂商在代码中已经把宿主系统的系统调用号写死了,没什么神奇的。
来看下什么是用户态与内核态:
用户态(user
mode)在计算机结构指两项类似的概念。在CPU的设计中,用户态指非特权状态。在此状态下,执行的代码被硬件限定,不能进行某些操作,比如写入其他进程的存储空间,以防止给操作系统带来安全隐患。在操作系统的设计中,用户态也类似,指非特权的执行状态。内核禁止此状态下的代码进行潜在危险的操作,比如写入系统配置文件、杀掉其他用户的进程、重启系统等。
只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备. 占用CPU的能力被剥夺, CPU资源可以被其他程序获取
内核态: CPU可以访问内存所有数据,
包括外围设备, 例如硬盘, 网卡. CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
为什么会有用户态和内核态?
由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据,
或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级 -- 用户态 和 内核态。
用户态与内核态的切换
所有用户程序都是运行在用户态的, 但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情, 例如从硬盘读取数据, 或者从键盘获取输入等. 而唯一可以做这些事情的就是操作系统, 所以此时程序就需要先操作系统请求以程序的名义来执行这些操作.
这时需要一个这样的机制: 用户态程序切换到内核态, 但是不能控制在内核态中执行的指令
这种机制叫系统调用, 在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)
他们的工作流程如下:
用户态程序将一些数据值放在寄存器中, 或者使用参数创建一个堆栈(stack frame), 以此表明需要操作系统提供的服务.
用户态程序执行陷阱指令
CPU切换到内核态, 并跳到位于内存指定位置的指令, 这些指令是操作系统的一部分, 他们具有内存保护, 不可被用户态程序访问
这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler). 他们会读取程序放入内存的数据参数, 并执行程序请求的服务
系统调用完成后, 操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果
前面提到了用户进程陷入内核,这个好解释,如果把软件分层的话,最外圈是应用程序,里面是操作系统,如图0-1所示。
▲图0-1 陷入内核
应用程序处于特权级3,操作系统内核处于特权级0。当用户程序欲访问系统资源时(无论是硬件,还是内核数据结构),它需要进行系统调用。这样CPU便进入了内核态,也称管态。看图中凹下去的部分,是不是有陷进去的感觉,这就是“陷入内核”。
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