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news 来源：原创 2025/9/6 21:18:18

目前常见的操作系统内核都是基于 C 语言的，为何要推荐 Rust 语言？

C 语言的指针灵活且易于使用，但不保证安全性，且缺x少有效的并发支持。这导致内存和并发漏洞成为当前基于 C 语言的主流操作系统的噩梦。
Rust 语言具有与 C 一样的硬件控制能力，且大大强化了安全编程和抽象编程能力。从某种角度上看，新出现的 Rust 语言的核心目标是解决 C 的短板，取代 C 。所以用 Rust 写 OS 具有很好的开发和运行体验。

什么是指令集? 什么是指令集架构？

指令集：处理器能够理解和执行的所有指令的集合；每条指令由操作码和操作数组成

指令集架构：包含 指令集、寄存器架构、内存模型、寻址模式、异常与中断处理

目前常见的指令集架构是 x86 和 ARM ，为何要推荐 RISC-V ？

目前为止最常见的指令集架构是 x86 和 ARM ，由于它们的通用性和向后兼容性需求，需要支持非常多（包括几十年前实现）的软件系统和应用需求，导致这些指令集架构越来越复杂。
新出现的 RISC-V 更简单，更易于学习

什么是操作系统？

一个操作系统（OS）是一个软件，它帮助用户和应用程序使用和管理计算机的资源。操作系统可能对最终用户不可见，但它控制着底层设备

OS塑造和构建了我们访问计算机及其外围设备的交互方式

OS提供了应用程序的软件执行环境

OS主要做两件事：

向下管理并控制计算机硬件和各种外设
向上管理应用软件并提供各种服务

操作系统的主要组成包括:

操作系统内核：操作系统的核心部分，负责控制计算机的硬件资源并为用户和应用程提供服务
系统工具和软件库：为操作系统提供基本功能的软件，包括工具软件和系统软件库等
用户接口：是操作系统的外壳，是用户与操作系统交互的方式。用户接口包括图形用户界面（GUI）和命令行界面（CLI）

操作系统内核，主要组成部分：

进程/线程管理：内核负责管理系统中的进程或线程，创建、销毁、调度和切换进程或线程
内存管理：内核负责管理系统的内存，分配和回收内存空间，并保证进程之间的内存隔离
文件系统：内核提供文件系统接口，负责管理存储设备上的文件和目录，并允许应用访问文件系统
网络通信：内核提供网络通信接口，负责管理网络连接并允许应用进行网络通信
设备驱动：内核提供设备驱动接口，负责管理硬件设备并允许应用和内核其他部分访问设备
同步互斥：内核负责协调多个进程或线程之间对共享资源的访问
- 同步功能主要用于解决进程或线程之间的协作问题
- 互斥功能主要用于解决进程或线程之间的竞争问题
系统调用接口：内核提供给应用程序访问系统服务的入口，应用程序通过系统调用接口调用操作系统提供的服务，如文件系统、网络通信、进程管理等

操作系统对计算机硬件重要组成的抽象和虚拟化，这样会有助于应用程序开发。应用程序员只需访问统一的抽象概念（如文件、进程等），就可以使用各种复杂的计算机物理资源（处理器、内存、外设等）：

文件 (File) 是外设的一种抽象和虚拟化。特别对于存储外设而言，文件是持久存储的抽象。
地址空间 (Address Space) 是对内存的抽象和虚拟化。
进程 (Process) 是对计算机资源的抽象和虚拟化。而其中最核心的部分是对 CPU 的抽象与虚拟化

进程

站在应用程序自身的角度来看，进程 (Process) 的一个经典定义是一个正在运行的程序实例。当程序运行在操作系统中的时候，从程序的视角来看，它会产生一种“幻觉”：即该程序是整个计算机系统中当前运行的唯一的程序，能够独占使用处理器、内存和外设，而且程序中的代码和数据是系统内存中唯一的对象。

然而，这种“幻觉”是操作系统为了便于应用的开发且不损失安全性刻意为应用程序营造出来的，它具体表现为“进程”这个抽象概念。站在计算机系统和操作系统的角度来看，并不存在这种“幻觉”。事实上，在一段时间之内，往往会有多个程序同时或交替在操作系统上运行，因此程序并不能独占整个计算机系统。具体而言，进程是应用程序的一次执行过程。并且在这个执行过程中，由“操作系统”执行环境来管理程序执行过程中的 进程上下文 – 一种控制流上下文。这里的进程上下文是指程序在运行中的各种物理/虚拟资源（寄存器、可访问的内存区域、打开的文件、信号等）的内容，特别是与程序执行相关的具体内容：内存中的代码和数据，栈、堆、当前执行的指令位置（程序计数器的内容）、当前执行时刻的各个通用寄存器中的值等

进程上下文如下图所示：

我们知道，处理器是计算机系统中的硬件资源。为了提高处理器的利用率，操作系统需要让处理器足够忙，即让不同的程序轮流占用处理器来运行。如果一个程序因某个事件而不能运行下去时，就通过进程上下文切换把处理器占用权转交给另一个可运行程序。进程上下文切换如下图所示：

基于上面的介绍，我们可以给进程一个更加准确的定义：一个进程是一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。操作系统中的进程管理需要采用某种调度策略将处理器资源分配给程序并在适当的时候回收，并且要尽可能充分利用处理器的硬件资源

地址空间

地址空间 (Address Space) 是对物理内存的虚拟化和抽象，也称虚存 (Virtual Memory)。它就是操作系统通过处理器中的内存管理单元 (MMU, Memory Management Unit) 硬件的支持而给应用程序和用户提供一个大的（可能超过计算机中的物理内存容量）、连续的（连续的地址空间编址）、私有的（其他应用程序无法破坏）的存储空间。这需要操作系统将内存和外存（即持久存储，硬盘是一种典型的外存）结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器，并且需要操作系统为应用程序分配内存空间，使用户存放在内存中的程序和数据彼此隔离、互不侵扰。操作系统中的虚存管理与处理器的 MMU 密切相关,在启动虚存机制后，软件通过 CPU 访问的每个虚拟地址都需要通过 MMU 转换为一个物理地址来进行访问

下面是虚拟的地址空间与物理内存和物理磁盘映射的图示：

文件

文件 (File) 主要用于对持久存储的抽象，并进一步扩展到为外设（比如硬盘、光盘、U盘等）的抽象，方便应用程序和用户读写的数据。以磁盘为代表的持久存储介质的数据访问单位是一个扇区或一个块，而在内存中的数据访问单位是一个字节或一个字。这就需要操作系统通过文件来屏蔽磁盘与内存差异，尽量以内存的读写方式来处理持久存储的数据。当处理器需要访问文件中的数据时，可通过操作系统把它们装入内存。文件管理的任务是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作

下面是文件对磁盘的抽象映射图示：

从一个更高和更广泛的层次上看，各种外设虽然差异很大，但也有基本的读写操作，可以通过文件来进行统一的抽象，并在操作系统内部实现中来隐藏对外设的具体访问过程，从而让用户可以以统一的文件操作来访问各种外设。这样就可以把文件看成是对外设的一种统一抽象，应用程序通过基本的读写操作来完成对外设的访问

文件 (File) 是外设的一种抽象和虚拟化。特别对于存储外设而言，文件是持久存储的抽象。
地址空间 (Address Space) 是对内存的抽象和虚拟化。
进程 (Process) 是对计算机资源的抽象和虚拟化。而其中最核心的部分是对 CPU 的抽象与虚拟化。
进程/线程管理：内核负责管理系统中的进程或线程，创建、销毁、调度和切换进程或线程
内存管理：内核负责管理系统的内存，分配和回收内存空间，并保证进程之间的内存隔离
文件系统：内核提供文件系统接口，负责管理存储设备上的文件和目录，并允许应用访问文件系统
网络通信：内核提供网络通信接口，负责管理网络连接并允许应用进行网络通信
设备驱动：内核提供设备驱动接口，负责管理硬件设备并允许应用和内核其他部分访问设备
同步互斥：内核负责协调多个进程或线程之间对共享资源的访问
- 同步功能主要用于解决进程或线程之间的协作问题
- 互斥功能主要用于解决进程或线程之间的竞争问题
系统调用接口：内核提供给应用程序访问系统服务的入口，应用程序通过系统调用接口调用操作系统提供的服务，如文件系统、网络通信、进程管理等
操作系统内核：操作系统的核心部分，负责控制计算机的硬件资源并为用户和应用程提供服务
系统工具和软件库：为操作系统提供基本功能的软件，包括工具软件和系统软件库等
用户接口：是操作系统的外壳，是用户与操作系统交互的方式。用户接口包括图形用户界面（GUI）和命令行界面（CLI）
向下管理并控制计算机硬件和各种外设
向上管理应用软件并提供各种服务
OS提供了应用程序的软件执行环境
OS塑造和构建了我们访问计算机及其外围设备的交互方式
一个操作系统（OS）是一个软件，它帮助用户和应用程序使用和管理计算机的资源。操作系统可能对最终用户不可见，但它控制着底层设备
目前为止最常见的指令集架构是 x86 和 ARM ，由于它们的通用性和向后兼容性需求，需要支持非常多（包括几十年前实现）的软件系统和应用需求，导致这些指令集架构越来越复杂。
新出现的 RISC-V 更简单，更易于学习
C 语言的指针灵活且易于使用，但不保证安全性，且缺x少有效的并发支持。这导致内存和并发漏洞成为当前基于 C 语言的主流操作系统的噩梦。
Rust 语言具有与 C 一样的硬件控制能力，且大大强化了安全编程和抽象编程能力。从某种角度上看，新出现的 Rust 语言的核心目标是解决 C 的短板，取代 C 。所以用 Rust 写 OS 具有很好的开发和运行体验。

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