操作系统如何运行的？

原文标题：When Does Your OS Run?

原文链接：https://manybutfinite.com/post/when-does-your-os-run/

原文发布时间：Oct 28th, 2014

这有个问题：在你读到这一段话的时候，你的 OS 在运行吗？或者只是你的浏览器在运行？或者它们可能都在空闲状态，只是等你来点什么？

这个问题很简单，但却贯穿了软件的运行本质。为了准确回答这些问题，我们需要一个良好的操作系统行为心理模型，这反过来会影响性能、安全性和故障排除决策。我们将在本系列文章中使用 Linux 作为主要的操作系统（OS X 和 Windows 客串）来构建的模型。我会想深入研究的读者提供 Linux 内核源代码的链接。

这里的基本都原理是在任何给定时刻，CPU 上只有一个进程处于活动状态。任务通常是一个程序，比如浏览器或者音乐播放器，也可以是操作系统线程，但就一个任务。不是两个或者更多的任务。也永远不是 0 个任务。永远都是一个任务。

这听起来是问题的。比如说，如果你的音乐播放器占用了 CPU，不让其他任务运行怎么办？你无法打开一个工具来杀死它，甚至鼠标点击也是徒劳的，因为 OS 无法处理。它可能会不停地卡在“What does the fox say?”这里，引起办公室的一场骚乱。

这时就需要中断了。就像神经系统会中断大脑来引入外部刺激——一声巨响、触碰肩膀——计算机主板上的芯片组会中断 CPU 以传递外部事件的消息——按键盘、网络数据包到达、磁盘完成读取等。硬件外设、主板上的中断控制器和 CPU 它自己这几个一起协作来实现这些中断（interrupts）。

为了追踪最重要的东西——时间，中断也是必不可少的。在启动的过程中，内核会启动硬件定时器来让它定时发送定时器中断，比如说每 10 微秒发送一次。每次定时结束时，CPU 给内核有机会让它更新系统数据并评估当前状况：当前程序是否运行太久了？是否有 TCP 超时？中断让内核有机会思考这些问题，并采取适当的行动。就像你在一天中设置周期性的闹钟，每次闹钟响了就检查：我应该做我现在在做的事情吗？还有更紧急的事情吗？有一天你发现 10 年过去了。

内核把 CPU 这种周期性的劫持叫做时钟（ticks），所以中断实际上让你的 OS 跳动。不过还有：中断也用来处理一些软件事件，比如说整数溢出和页面异常，这些都不涉及到外部的硬件。中断是进入操作系统内核最频繁的和最关键的入口点。它们并不是 EE 人员需要担心的什么奇怪东西，这只是你的操作系统运行的机制。

说得够多了，我们实际看看吧。下面是 Intel Core i5 系列的网卡的中断。这个图是可以点击的，链接到具体的页面。

先看看这个。首先，由于中断的来源很多，如果硬件只是简单地告诉 CPU“嘿，发生了一些事情!”，这样没有什么帮助。悬念会让人难以忍受。因此在计算机通电之后，每个设备都分配了一个中断请求线(interrupt request line, IRQ)。这些 IRQ 依次由中断控制器映射为中断向量(interrupt vector)，一个介于 0 和 255 之间的数字。当一个中断到达 CPU 时，它已经有了一个很好的、定义良好的数字，与不可预测的硬件隔离开。

CPU 有一个指针，指向由内核提供的 255 个函数组成的数组，其中每个函数都是特定中断向量的处理程序。稍后我们会更详细地介绍这个数组，即中断描述符表(Interrupt Descriptor Table, IDT)。

每当中断到达时，CPU 将其向量用作 IDT 的索引，并运行适当的处理程序。这是在当前运行的任务上下文中发生的特殊函数调用，允许操作系统以最小的开销快速响应外部事件。因此，网络服务器在向你发送数据时，会间接调用你 CPU 中的一个函数，这既酷又可怕。下面给出了一种情况，在中断到达时，CPU 正在忙于运行 Vim 命令：

请注意中断的到达是如何导致切换到核心态和零环权限的，但这并不改变活动进程。这就好像 Vim 直接对内核进行了一个魔术函数调用，但 Vim 仍然在那里，其地址空间完好无损，等待该调用返回。

令人兴奋的东西!唉，我需要保持这个 post-sized，所以让我们现在完成。我知道我们还没有回答开始的问题，实际上还提出了新的问题，但你现在怀疑，当你读这句话时，蜱虫正在发生。我们会在充实我们的动态操作系统行为模型时找到答案，浏览器场景也会变得清晰。如果你有问题，特别是在帖子发布的时候，尽管提出来，我会在帖子中或评论中回答它们。下一期将于明天在 RSS 和 Twitter 上播出。（这句是机翻）