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【操作系统】详解操作系统及其结构

news 来源：原创 2025/6/18 22:56:18

考察频率	难度
40%--60%	⭐⭐

这又是一类面试考察题，是关于操作系统的一些概念问题，很少会单独拎出来作为一个问题进行提问，但却是必须要掌握的。因为如果这个你不会，其他的问题就已经没有回答的必要了。

什么是操作系统？

操作系统（Operating System, OS）是计算机系统中管理硬件和软件资源的中间层系统，屏蔽了硬件的复杂性，并且为用户提供了便捷的交互方式，比如说 Windows、Linux、MacOS 等。

操作系统的功能

负责创建和终止进程。进程是正在运行的程序实例，每个进程都有自己的地址空间和资源。
负责为进程分配资源，比如说内存，并在进程终止时回收内存。
提供创建、删除、读写文件的功能，并组织文件的存储结构，比如说目录。
通过设备驱动程序控制和管理计算机的硬件设备，如键盘、鼠标、打印机等。

如何理解内核态和用户态

先来看一个小故事。

张三是某科技公司的初级Java开发工程师（低权限），目前在15楼办公码代码，公司提供的资源仅有一套电脑（用户态），张三想着这一线的房价，倍感压力山大，于是给自己定下一个目标，一定要做技术总监，在一线扎根，奋斗B张三，奋斗5年终于当上了技术总监（高权限），之后张三搬到30楼，可以随时向资源部（系统调用）申请公司各种资源与获取公司的机密信息（内核态），所谓是走上人生巅峰。

通过这个故事，我们发现，低权限的资源范围较小，高权限的资源范围更大，所谓的「用户态与内核态只是不同权限的资源范围」。

CPU 指令集权限

在说用户态和内核态之前，有必要先说一下 CPU指令集，指令集是 CPU 实现软件指挥硬件执行的媒介，具体来说每一条汇编语句都对应一条 CPU指令集，而非常非常多的 CPU指令集在一起，可以组成一个、甚至多个集合，指令的集合叫 CPU指令集。

同时 CPU指令集有权限分级，大家事项，CPU指令集是可以直接操作硬件的，要是因为指令操作的不规范，造成的错误会影响整个计算机系统。比如你写程序，但是因为对硬件的操作不熟悉，导致操作系统内核及其它所有正在运行的程序，都可能会因为操作失误而造成不可挽回的错误，最后只能重启计算机才行。

而对于硬件的操作是非常复杂的，参数众多，出问题的几率相当大，必须谨慎的进行操作，对开发人员来说是个艰巨的任务，还会增加负担，同时开发人员在这方面也不被信任，所以操作系统内核直接屏蔽开发人员对硬件操作的可能，都不让你碰到这些 CPU指令集。

针对上面的需求，硬件折别商直接提供硬件级别的支持，做法就是对 CPU指令集设置了权限，不同级别权限能使用的 CPU指令集是有限的，

以 Intel C P U 为例，Inter把 CPU指令集操作的权限由高到低划为4级：

ring 0
ring 1
ring 2
ring 3

其中 ring 0 权限最高，可以使用所有 CPU指令集，ring 3 权限最低，仅能使用常规 CPU指令集，不能使用操作硬件资源的 CPU指令集，比如 I O 读写、网卡访问、申请内存都不行，Linux系统仅采用ring 0 和 ring 3 这2个权限。

高情商

ring 0被叫做内核态，完全在操作系统内核中运行
ring 3被叫做用户态，在应用程序中运行

低情商

执行内核空间的代码，具有ring 0保护级别，有对硬件的所有操作权限，可以执行所有CPU指令集，访问任意地址的内存，在内核模式下的任何异常都是灾难性的，将会导致整台机器停机
在用户模式下，具有ring 3保护级别，代码没有对硬件的直接控制权限，也不能直接访问地址的内存，程序是通过调用系统接口(System Call APIs)来达到访问硬件和内存，在这种保护模式下，即时程序发生崩溃也是可以恢复的，在电脑上大部分程序都是在，用户模式下运行的

看到这里，我想大家应该能够理解为什么要设计内核态和用户态了吧！

用户态和内核态

通关了CPU 指令集权限，现在再说用户态与内核态就十分简单了，用户态与内核态的概念就是CPU 指令集权限的区别，进程中要读写 IO，必然会用到 ring 0 级别的 CPU 指令集，而此时 CPU 的指令集操作权限只有 ring 3，为了可以操作ring 0 级别的 CPU 指令集， CPU 切换指令集操作权限级别为 ring 0，CPU 再执行相应的 ring 0 级别的 CPU 指令集（内核代码），执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。

PS：每个进程都有两个栈，分别是用户栈与内核栈，对应用户态与内核态的使用

内核空间：是操作系统内核代码及其运行时数据结构所在的内存区域，拥有对系统所有资源的完全访问权限，如进程管理、内存管理、文件系统、网络堆栈等。
⽤户空间：是操作系统为应用程序（如用户运行的进程）分配的内存区域，用户空间中的进程不能直接访问硬件或内核数据结构，只能通过系统调用与内核通信。

用户态和内核态的空间

在内存资源上的使用，操作系统对用户态与内核态也做了限制，每个进程创建都会分配「虚拟空间地址」

，以Linux32位操作系统为例，它的寻址空间范围是 4G（2的32次方），而操作系统会把虚拟控制地址划分为两部分，一部分为内核空间，另一部分为用户空间，高位的 1G（从虚拟地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF）由内核使用，而低位的 3G（从虚拟地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF）由各个进程使用。

用户态：只能操作 0-3G 范围的低位虚拟空间地址
内核态：0-4G 范围的虚拟空间地址都可以操作，尤其是对 3-4G 范围的高位虚拟空间地址必须由内核态去操作
补充：3G-4G 部分大家是共享的（指所有进程的内核态逻辑地址是共享同一块内存地址），是内核态的地址空间，这里存放在整个内核的代码和所有的内核模块，以及内核所维护的数据

每个进程的 4G 虚拟空间地址，高位 1G 都是一样的，即内核空间。只有剩余的 3G 才归进程自己使用，换句话说就是，高位 1G 的内核空间是被所有进程共享的！

用户态与内核态的切换

相信大家都听过这样的话「用户态和内核态切换的开销大」，但是它的开销大在那里呢？简单点来说有下面几点

保留用户态现场（上下文、寄存器、用户栈等）
复制用户态参数，用户栈切到内核栈，进入内核态
额外的检查（因为内核代码对用户不信任）
执行内核态代码
复制内核态代码执行结果，回到用户态
恢复用户态现场（上下文、寄存器、用户栈等）

实际上操作系统会比上述的更复杂，这里只是个大概，我们可以发现一次切换经历了「用户态 -> 内核态 -> 用户态」。

用户态要主动切换到内核态，那必须要有入口才行，实际上内核态是提供了统一的入口，下面是Linux整体架构图

从上图我们可以看出来通过系统调用将Linux整个体系分为用户态和内核态，为了使应用程序访问到内核的资源，如CPU、内存、I/O，内核必须提供一组通用的访问接口，这些接口就叫系统调用。

库函数就是屏蔽这些复杂的底层实现细节，减轻程序员的负担，从而更加关注上层的逻辑实现，它对系统调用进行封装，提供简单的基本接口给程序员。

Shell顾名思义，就是外壳的意思，就好像把内核包裹起来的外壳，它是一种特殊的应用程序，俗称命令行。Shell也是可编程的，它有标准的Shell语法，符合其语法的文本叫Shell脚本，很多人都会用Shell脚本实现一些常用的功能，可以提高工作效率。

最后来说说，什么情况会导致用户态到内核态切换

系统调用：用户态进程主动切换到内核态的方式，用户态进程通过系统调用向操作系统申请资源完成工作，例如 fork（）就是一个创建新进程的系统调用，系统调用的机制核心使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，如Linux 的 int 80h 中断，也可以称为软中断
异常：当 C P U 在执行用户态的进程时，发生了一些没有预知的异常，这时当前运行进程会切换到处理此异常的内核相关进程中，也就是切换到了内核态，如缺页异常
中断：当 C P U 在执行用户态的进程时，外围设备完成用户请求的操作后，会向 C P U 发出相应的中断信号，这时 C P U 会暂停执行下一条即将要执行的指令，转到与中断信号对应的处理程序去执行，也就是切换到了内核态。如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后边的操作等。