M1: 系统导论与架构

概述

操作系统 (Operating System, OS) 是计算机系统中最核心的系统软件, 位于硬件与应用程序之间, 承担资源管理与环境抽象的双重职责. 本模块从操作系统的本质出发, 深入 CPU 特权级机制, 内核架构设计与系统启动流程.

关键概念速查

模块知识结构

1. 操作系统的本质

1.1 两种经典视角

1.2 OSTEP 三大抽象

Operating Systems: Three Easy Pieces 将操作系统核心职能归纳为:

1.3 操作系统的四大特征

1.4 操作系统的定义 (多视角)

1.5 操作系统工作举例

示例 1: 用户双击打开一个 Word 文档

• 鼠标中断 -> 窗口管理 -> 文件系统 -> 进程创建 -> 内存分配 -> 加载程序.

示例 2: Web 服务器处理 HTTP 请求

• 网卡硬中断 -> 软中断 (NAPI) -> 协议栈 -> 唤醒服务器进程.

1.6 操作系统发展史与里程碑

发展阶段总览

里程碑时间线

UNIX 家族演化树 (1969-now)

现状摘要

Linux 已不仅是桌面或服务器系统, 而是构建现代基础设施的基石:

• 服务器/云: 90%+ 公有云运行 Linux, 支撑容器化 (containerd/CRI-O) 生态.
• 移动端: Android 拥有 30 亿+ 设备.
• 高性能计算: Top500 超算 100% 运行 Linux.
• 特殊用途: 特斯拉, Waymo 等自动驾驶系统的核心均为深度定制的 Linux 内核.
• 边缘 AI: NVIDIA Jetson, Qualcomm RB 系列

2. 操作系统分类

2.1 按处理方式分类

2.2 实时系统细分

3. 多道程序与分时技术

3.1 多道程序设计 (Multiprogramming)

核心思想: 内存中同时驻留多道程序, 当一道程序等待 I/O 时, CPU 切换执行另一道.

CPU 利用率模型:

设单个程序 I/O 等待时间占比为 p, 内存中有 n 道程序:

CPU 利用率 = 1 - p^n

示例: p = 0.8 (80% 时间等待 I/O)
n = 1: 利用率 = 20%
n = 3: 利用率 = 1 - 0.8³ = 48.8%
n = 5: 利用率 = 1 - 0.8⁵ = 67.2%

3.2 分时技术 (Time-sharing)

核心机制: 将 CPU 时间划分为固定长度的时间片 (Time Slice / Quantum), 轮流分配给各用户进程.

3.3 Spooling 假脱机技术

Spooling (Simultaneous Peripheral Operations On-Line): 利用磁盘作为缓冲区, 将慢速 I/O 设备与高速 CPU 解耦.

4. 操作系统内核结构

4.1 架构演进

4.2 典型架构对比

4.3 Linux 内核架构

Linux 采用单体内核核心 + 可加载内核模块 (Loadable Kernel Module, LKM) 的架构, 在保持高性能的同时获得了极佳的扩展性:

LKM 操作命令:

# 查看已加载模块
lsmod

# 加载模块
modprobe <module_name>

# 查看模块信息
modinfo <module_name>

# 卸载模块
rmmod <module_name>

5. CPU 特权级与保护机制

5.1 双模式运行

现代处理器至少支持两种运行模式 (有些支持更多):

5.2 特权指令与非特权指令

指令分类:

x86 典型特权指令:

非特权指令在用户态执行特权操作会怎样?

5.3 CPU 状态及状态转换

CPU 状态标识 (x86):

CS (Code Segment) 寄存器的低 2 位存储 CPL (Current Privilege Level):

用户态到内核态的转换途径:

状态转换交互:

CPU 状态切换时的硬件保存操作:

Ring 3 → Ring 0 切换时 (如系统调用):

1. 从 TSS 读取 Ring 0 栈指针 (rsp0)
2. 切换到内核栈
3. 在内核栈上保存:
   ┌─────────────────┐
   │  用户态 SS      │
   ├─────────────────┤
   │  用户态 RSP     │
   ├─────────────────┤
   │  RFLAGS        │
   ├─────────────────┤
   │  用户态 CS      │
   ├─────────────────┤
   │  用户态 RIP     │
   └─────────────────┘
4. 加载内核态 CS:RIP (从 IDT 或 MSR)
5. 更新 CPL 为 0

5.4 x86/x64 特权级 (Ring)

Intel x86 架构定义 4 个特权级 (Ring 0-3), 现代操作系统通常仅使用 Ring 0 (最高特权) 和 Ring 3 (应用层).

5.5 x86 保护模式核心结构

5.5.1 全局描述符表 (GDT)

GDT (Global Descriptor Table) 定义内存段的属性:

// 段描述符结构 (8 字节)
struct segment_descriptor {
    uint16_t limit_low;      // 段限长 [15:0]
    uint16_t base_low;       // 基地址 [15:0]
    uint8_t  base_mid;       // 基地址 [23:16]
    uint8_t  access;         // 访问权限 (P, DPL, S, Type)
    uint8_t  limit_high_flags; // 限长[19:16] + 标志(G, D/B, L, AVL)
    uint8_t  base_high;      // 基地址 [31:24]
};

GDT 典型布局:

5.5.2 任务状态段 (TSS)

TSS (Task State Segment) 存储特权级切换时需要的栈指针:

struct tss_struct {
    uint32_t reserved0;
    uint64_t rsp0;      // Ring 0 栈指针 (进入内核态时使用)
    uint64_t rsp1;      // Ring 1 栈指针
    uint64_t rsp2;      // Ring 2 栈指针
    // ... 其他字段
    uint64_t ist[7];    // 中断栈表 (IST)
    // ...
};

5.6 ARM 异常级别 (Exception Levels)

ARM 架构使用 EL0-EL3 四级异常级别:

5.7 RISC-V 特权模式

RISC-V 采用模块化设计, 定义三种基本特权模式:

关键 CSR (Control and Status Registers):

RISC-V vs x86 vs ARM 对比:

5.8 仅在内核态 (Ring 0 / EL1+) 可执行指令

仅在内核态 (Ring 0 / EL1+) 可执行:

5.9 安全执行环境 (TEE)

随着物理攻击和旁路攻击的增加, 现代 CPU 提供了硬件级的安全隔离环境:

5.10 模式切换

6. 系统启动流程

6.1 x86 启动流程全景分析

从硬件加电到内核接管之间存在复杂的 "自举" (Bootstrapping) 过程. 该过程跨越了多种 CPU 工作模式与特权级的跃迁:

6.2 关键数据结构 (MBR/UEFI)

MBR (Master Boot Record): 位于磁盘首扇区 (512字节).

UEFI vs Legacy BIOS:

6.3 从 BIOS 到保护模式

实模式 (16-bit)                    保护模式 (32/64-bit)
    │                                     │
    │ 1. 加载 GDT                          │
    │ 2. 开启 A20 地址线                   │
    │ 3. 设置 CR0.PE = 1                   │
    │ 4. 远跳转刷新流水线                   │
    │                                     │
    └──────── ljmp ────────────────────────┘

6.4 Linux 内核启动关键函数

// init/main.c - 内核入口点
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
    // 1. 基础初始化
    setup_arch(&command_line);        // 架构相关初始化
    mm_init();                        // 内存管理初始化
    sched_init();                     // 调度器初始化
    
    // 2. 设备初始化
    early_irq_init();                 // 中断初始化
    init_timers();                    // 定时器初始化
    
    // 3. 子系统初始化
    vfs_caches_init();                // VFS 缓存初始化
    signals_init();                   // 信号初始化
    
    // 4. 启动用户空间
    rest_init();                      // 创建 init 进程
}

6.5 initramfs 与根文件系统切换

7. 虚拟化扩展

7.1 CPU 虚拟化支持

7.2 虚拟化模式 (Intel VT-x)

硬件辅助虚拟化引入了非根模式 (Non-root mode), 使得 Guest OS 的 Ring 0 不再真正拥有物理硬件的控制权:

8. 容器与命名空间

8.1 容器 vs 虚拟机

8.2 Linux 命名空间 (Namespace)

9. VFS: 虚拟文件系统

Linux 通过 VFS (Virtual File System) 层实现了对底层不同文件系统的统一抽象.

9.1 VFS 核心数据结构

9.2 VFS 架构

VFS 允许应用程序以统一的系统调用 (如 read, write) 访问不同类型的文件系统, 无论它们是本地磁盘, 网络共享还是伪文件系统:

9.3 打开文件的内核过程

9.4 文件名不存储在 inode 中的原因

10. 架构级可观测性演进: eBPF

10.1 从 "黑盒" 到 "可编程平台"

传统的 Linux 内核是一个高度优化的 "黑盒", 内部逻辑难以动态观测或修改. eBPF (Extended Berkeley Packet Filter) 的出现将内核转变为一个可编程平台:

10.2 核心技术支柱

1. 等候室 (Verifier): 在 eBPF 程序运行前检查其逻辑, 确保其不会死循环, 不会非法读写内核内存.
2. JIT 编译器: 将字节码实时转化为 CPU 对应的指令集, 确保零开销执行.
3. BPF Maps: 用户态与内核态之间,不同 BPF 程序之间共享数据的键值存储.

10.3 关键应用场景

11. 系统性能分析与调优方法论

内核调优不是 "试错法" 修改参数, 而是基于系统工程的科学实践. 核心目标是平衡 Throughput (吞吐量) 与 Latency (延迟).

11.1 USE 方法 (Utilization, Saturation, Errors)

由性能专家 Brendan Gregg 提出, 适用于在没有明确方向时快速定位瓶颈:

• Utilization (利用率): 资源在设定时间内忙于工作的比例 (如 CPU 90% busy).
• Saturation (饱和度): 资源排队的程度 (如 Load Average > CPU Count).
• Errors (错误): 资源本身或其驱动是否报错 (如 OOM, device error).

11.2 观测层级金字塔

从宏观指标下钻至微观事件:

1. Level 1: 宏观概览 (top, uptime, dstat) -> 快速判断是 CPU, 内存还是 I/O 瓶颈.
2. Level 2: 资源深度视角
   • CPU: mpstat -P ALL, pidstat -u, perf top
   • Memory: free -m, vmstat, slabtop
   • I/O: iostat -x, iotop, blktrace
   • Network: sar -n DEV, ss -s, tcpdump
3. Level 3: 内核事件追踪 (ebpf, perf record) -> 生成火焰图 (Flame Graph), 分析具体的函数调用栈延迟.

参考教材

内核源码引用

在线源码浏览: Bootlin Elixir

思考题

1. 为什么 x86 定义了 4 个特权级, 但多数操作系统只使用 2 个?
2. TSS 中的 rsp0 字段在什么时候被使用?
3. 微内核相比单体内核的 IPC 开销从何而来? 有什么优化方案?
4. UEFI 相比传统 BIOS 有哪些优势?
5. 容器逃逸攻击的本质是什么? 如何防护?