探索操作系统：内核、启动和系统调用的奥秘

前言

首先，对于有科班背景的读者，可以跳过本系列文章。这些文章的主要目的是通过简单易懂的汇总，帮助非科班出身的读者理解底层知识，进一步了解为什么在面试中会涉及这些底层问题。否则，某些概念将始终无法理解。这些计算机基础文章将为你打通知识的任督二脉，祝你在编程领域中取得成功！

操作系统

让我们从操作系统开始讲解。操作系统是我们经常使用的，也是电脑不可或缺的一部分。现代计算机系统由一个或多个处理器、主存、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口以及各种输入/输出设备构成。

但是，我们编写编程语言时是否需要直接与这些硬件打交道呢？并不需要。你只需要通过点击鼠标、键盘来启动程序，并满足你的业务需求。如果在编写代码时还需要考虑与硬件的交互，那你可能无法成功编写出任何代码。你可以理解为，我们所写的jar包、应用程序等，各种编程语言在底层与操作系统进行交互。比如下面这张图片：

操作系统具有硬件的访问权限，可以执行机器能够运行的任何指令。这样，你才能够使用各种RPC框架、文件读写操作等功能。

内核

操作系统核心是内核，市面上有两大阵营：Windows和Linux。它们各有千秋，Windows主要用于个人使用，而服务器层主要使用Linux系统。Linux系统因为免费且开源，吸引了很多大佬级别的人物贡献源码。如果公司有定制化需求，可以下载系统源码进行自定义。

现在回到正题，如果应用程序都直接与硬件打交道，那将会很繁琐。因此，内核作为应用连接硬件设备的桥梁，应用程序只需关注与内核的交互，而不需关心硬件的细节。

现代操作系统的内核通常提供以下四个基本能力：

• 进程和线程管理，决定CPU的使用；
• 内存管理，决定内存的分配和回收；
• 硬件设备管理，为进程和硬件设备提供通信能力；
• 系统调用，作为用户程序与操作系统之间的接口。

内核具有较高的权限，可以控制CPU、内存、硬盘等硬件，而应用程序的权限较小。因此，大多数操作系统将内存分为两个区域：内核空间只有内核程序可以访问，用户空间专门供应用程序使用。

用户空间的访问权限受限，而内核空间可以访问所有内存空间。因此，我们的Spring项目和应用程序运行在用户态，当需要访问内核空间时，程序切换到内核态执行。应用程序如果需要进入内核空间，就需要使用系统调用。接下来我们来看一下系统调用的过程：

计算机启动过程

这里简单引一下ROM，ROM（Read-Only Memory）是一种存储在计算机主板上的固化程序。它的主要作用是存储计算机系统启动所需的基本输入输出系统（BIOS）固件。当计算机开机时，首先会加载并执行ROM中的BIOS程序，它负责初始化硬件设备、检测系统配置和引导操作系统的加载过程。如果你曾经重装过系统，那么你对这个界面应该不会感到陌生。

与ROM不同，RAM（Random Access Memory）是一种可读写的临时存储器,也就是内存条。它用于临时存储运行中的程序和数据，以便CPU可以快速访问和处理。RAM的读写速度非常快，这使得计算机可以在短时间内完成大量的数据操作。

如果你的计算机系统经常出现卡顿或运行缓慢的情况，增加RAM容量可能是一个有效的解决方案。通过增加内存条，你可以提高计算机的运行速度和响应能力，使得程序和系统更加流畅。

系统调用

我们之前提到过，如果需要切换用户态到内核态，是需要系统调用的，系统调用是操作系统提供给应用程序的一种接口，它允许应用程序请求操作系统执行特定的操作或提供特定的服务。应用程序通过系统调用来访问操作系统内核的功能，如文件操作、网络通信、进程管理等。

例如多个进程都要往打印机上打印文件，如果随便乱打印，就会出现同样一张纸，第一行是 A 进程输出的文字，第二行是 B 进程输出的文字，全乱套了。所以，打印机的直接操作是放在操作系统内核里面的，进程不能随便操作。系统调用会给进程提供一个内核级别的互斥锁，他往往比你自己的程序界别的锁更加可靠。

UNIX程序是由执行特定操作或其他操作的代码组成的，并通过系统调用来提供某些服务。相比之下，Windows系统中的应用程序通常是事件驱动的。主程序会等待特定事件的发生，然后调用相应的程序进行处理。这些事件可以是键盘敲击、鼠标滑动、鼠标点击或插入USB驱动等。操作系统会调用处理器来处理这些事件，更新屏幕并更新程序的内部状态。这种设计风格与UNIX系统有所不同。

总的来说，系统调用可以被看作是一个办事大厅，无论你的应用程序要做什么，都必须通过系统调用来完成。系统调用提供了访问操作系统功能的接口，使应用程序能够请求执行特定的操作或获取特定的服务。

总结

总结一下，操作系统是计算机不可或缺的一部分，它连接着硬件和应用程序。内核是操作系统的核心，负责管理进程和线程、内存、硬件设备以及提供系统调用接口。计算机启动过程中，ROM负责加载并执行BIOS程序，而RAM用于存储运行中的程序和数据。系统调用是操作系统提供给应用程序的接口，通过系统调用可以访问操作系统的功能。系统调用相当于一个办事大厅，应用程序需要通过系统调用来完成特定的操作或获取特定的服务。