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Operating System Note

操作系统

操作系统学习笔记

2026.08.17 Updated 2026.08.18 3.4k Words

这一页从程序如何被 CPU 执行开始，逐步进入进程、内存、并发与设备管理。理解 CPU 的工作模型，是理解操作系统其余部分的起点。

01. 当我们谈论 CPU 时，大脑里应该有什么？

CPU 是程序的执行引擎，操作系统则负责为不同程序分配 CPU、内存和设备。即使不需要设计 CPU，理解它如何读取并执行指令，仍是理解虚拟内存、进程切换和系统调用的基础。

先建立一张全景图

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磁盘上的可执行文件
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内存中的代码与数据 <----> CPU 缓存 <----> CPU 核心
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                                           | 取指 -> 译码 -> 执行
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                          寄存器：RIP、通用寄存器、RSP、RFLAGS、CRx

程序启动后，机器指令和数据会被加载到内存。CPU 根据当前的指令地址取出下一条指令，译码后执行，再进入下一轮。缓存会加快访问，但从程序员和操作系统的视角看，指令与数据都位于进程的虚拟地址空间中。

1. CPU 到底在做什么

CPU 的基本循环可以概括为：取指、译码、执行、更新下一条指令地址。

  1. 取指：根据 RIP 指向的地址取得下一条机器指令。
  2. 译码：识别这条指令需要做什么，例如加法、比较、读写内存或跳转。
  3. 执行：由执行单元完成计算、访存或跳转，并更新寄存器和状态位。
  4. 继续执行：通常 RIP 顺序前进；遇到分支、函数调用或返回时，则跳到新的地址。

我们写的 C/C++、Rust 或 Python 源码不会被 CPU 直接执行。它们需要经过编译器、解释器或运行时，最终变成 CPU 能理解的机器指令。常见的 0x... 只是机器指令或数据的十六进制表示。

2. 寄存器：CPU 内部最快的工作区

寄存器是位于 CPU 核心内部的少量高速存储单元，用来保存正在计算的数据、地址和执行状态。以下名称以 x86-64 为例；不同架构名称不同，但角色相似。

类型 代表寄存器 在程序运行中的作用
通用寄存器 RAX、RBX、RCX、RDX 等 保存整数、地址、临时变量和计算结果；按常见调用约定，RAX 常保存函数返回值。
指令指针 RIP 指向下一条将要执行的指令，是程序执行流的“当前位置”。修改它就能实现分支、循环、函数调用和返回。
栈指针 RSP 指向当前调用栈的栈顶，用于局部变量、返回地址和函数调用现场。
帧指针 RBP 常被编译器用来定位当前栈帧的基准位置；优化后的代码可能不使用它。
状态寄存器 RFLAGS 记录计算结果和控制状态，供条件跳转、调试和中断控制使用。

可以把寄存器理解为 CPU 手边的草稿纸。内存容量更大，但访问成本通常更高；CPU 会尽量把频繁使用的数据放在寄存器和缓存中。

3. RIP 如何决定程序往哪里走

RIP 常被称为指令指针。它保存的是下一条指令的地址：

  • 顺序执行时，CPU 执行完一条指令后，让 RIP 前进到下一条。
  • if-else、循环等条件分支，会根据比较结果决定是否改写 RIP。
  • 调用函数时，CPU 跳到函数入口；函数返回时，再回到调用点之后的地址。

因此，程序的控制流本质上就是 RIP 在不同代码地址之间移动。调试器查看调用栈、单步执行或设置断点，本质上都与控制执行流有关。

4. 状态寄存器：让 CPU 能够“根据结果做决定”

RFLAGS 中包含许多标志位。其中最常见的是：

标志位 含义 常见用途
ZF（Zero Flag） 运算结果是否为 0 判断相等、条件跳转。
CF（Carry Flag） 无符号运算是否产生进位或借位 多精度整数运算、无符号比较。
OF（Overflow Flag） 有符号运算结果是否溢出 有符号数运算检查。
TF（Trap Flag） 启用单步陷阱 调试器可以借此逐条观察程序。
IF（Interrupt Flag） 是否响应可屏蔽外部中断 影响 CPU 是否接收普通硬件中断；不影响异常和不可屏蔽中断。

例如，比较两数后，CPU 会设置相应标志位；紧随其后的条件跳转指令再读取这些标志位，从而决定是否跳转。

5. 控制寄存器：虚拟内存和权限机制的开关

控制寄存器主要由内核使用，普通用户态程序不能随意读写。仍以 x86 为例：

寄存器 核心作用
CR0 控制 CPU 的基础工作模式；其中的分页相关位参与启用分页机制。
CR2 发生页错误时，保存导致错误的线性（虚拟）地址。
CR3 保存当前地址空间顶级页表的物理地址，是虚拟地址翻译的入口。
CR4 控制 PAE 等扩展特性，并启用部分高级处理器能力。

这组寄存器把 CPU 与操作系统的内存管理紧密连接起来：进程切换时，内核可能切换 CR3，从而让同一个虚拟地址在不同进程中映射到不同的物理内存。

6. 指令从哪里来：冯·诺依曼模型

现代计算机仍可用冯·诺依曼模型来理解：输入设备提供数据，内存保存正在使用的程序和数据，CPU 负责运算与控制，输出设备呈现结果。

  • 磁盘：长期保存可执行文件和数据。
  • 操作系统与加载器：创建进程的虚拟地址空间，把程序需要的内容映射或加载进内存。
  • 内存与缓存：提供 CPU 执行期间需要访问的代码和数据；缓存由硬件自动管理，用来降低访问延迟。
  • CPU：从当前地址空间取指并执行。

所以，“程序在磁盘里”不等于“CPU 正在执行它”。只有程序被加载为进程，并获得 CPU 执行时间后，其中的指令才会真正运行。

7. 一个核心只能运行一个执行流，多任务是如何出现的

从操作系统调度的视角看，一个逻辑 CPU 在某一时刻只运行一个线程的执行上下文。时间片到期或发生中断时，内核会保存当前线程的寄存器状态，再恢复另一个线程的状态，然后从对方的 RIP 继续执行。

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线程 A 运行一段时间
    -> 时钟中断进入内核
    -> 保存 A 的 RIP、RSP、通用寄存器等上下文
    -> 调度器选择线程 B
    -> 恢复 B 的上下文并返回用户态
线程 B 从上次停下的位置继续运行

这就是上下文切换。CPU 通常不会在每条指令后切换任务，而是让一个线程连续运行一小段时间。高速轮转让人感觉多个程序同时执行；真正的多核 CPU 则可以让多个逻辑 CPU 并行运行不同线程。现代处理器还有流水线、乱序执行和超线程等机制，但它们不改变操作系统需要保存与恢复执行上下文这一事实。

小结：理解 CPU 时应抓住的六件事

  1. CPU 的基本职责是不断执行机器指令。
  2. RIP 决定下一条指令在哪里，控制流就是它的跳转轨迹。
  3. 通用寄存器和 RSP 保存当前计算与调用现场。
  4. RFLAGS 记录运算和控制状态，CR0 到 CR4 参与内存与处理器特性的控制。
  5. 程序先从磁盘进入进程的地址空间，才能被 CPU 执行。
  6. 多任务依赖调度器和上下文切换；进程、线程和虚拟内存将在后续章节展开。

学习导图

一、程序运行原理篇

  • 说到CPU时你的大脑里应该有什么？
  • 内存的本质是什么？
  • 编程语言是怎么一回事？
  • 到底该怎样理解堆区和栈区？
  • 没有操作系统程序能运行起来吗？
  • 程序是如何运行起来的？
  • 为什么用C语言编写操作系统？
  • 进程和程序之间有什么区别？

二、操作系统实现篇

  • 操作系统是如何实现的？
  • 操作系统是如何启动的？
  • CPU权限管理的王者之争
  • 到底什么是用户态、内核态？
  • 什么是系统调用？
  • 为什么需要系统调用？
  • 系统调用时操作系统中发生了什么？
  • 操作系统中的代码是如何运行的？
  • 系统调用完成后怎样返回用户态？
  • 实践篇：观察内核调用栈
  • 实践篇：用strace观察系统调用的秘密

三、进程管理篇

  • 为什么操作系统中需要进程这个概念？
  • 操作系统是怎样同时运行多个程序的？
  • 进程切换是怎样实现的？
  • 进程切换与函数调用的区别是什么？
  • 为什么进程会有各种状态信息？
  • 操作系统是怎样调度进程的？
  • 进程的生命周期
  • 进程与操作系统的CPU争夺之战
  • 假如让你来为进程创建设计API
  • 为什么Linux需要fork与exec两个系统调用来创建进程？
  • 操作系统是如何进一步创建出进程的？
  • 进程是如何退出的？
  • 进程间通信是如何实现的？
  • 有了进程为什么还需要线程？
  • 程序员该如何理解线程？
  • 线程是如何实现的？
  • 进程和线程之间到底有什么区别？
  • 有了线程为什么还需要协程？
  • 如何利用多线程来优化程序性能？
  • 实践篇：多进程编程
  • 实践篇：多进程多线程在浏览器中的应用

四、内存管理篇

  • 黑客帝国与内存背后的真相
  • 内存分配到底在解决什么问题？
  • 程序能运行起来需要分配哪些内存？
  • 操作系统如何为进程分配内存的？
  • 虚拟地址空间的诞生
  • 操作系统如何为进程分配内存之段式内存管理
  • 操作系统如何为进程分配内存之页式内存管理
  • 页式内存管理会有哪些问题？
  • 操作系统如何加速页表的读取？
  • 操作系统如何解决页表内存占用过多的问题？
  • 为什么虚拟内存能节省内存？
  • 为什么物理内存只有1G程序员却可以申请出4G内存？
  • 上帝视角：操作系统是如何管理内存的？
  • 实践篇：如何利用内存池优化程序性能？
  • 实践篇：申请4G内存实际会消耗多少物理内存？
  • 实践篇：进程在内存中是什么样子的？

五、中断管理篇

  • 到底什么是中断？
  • 操作系统在什么情况下开始运行？
  • 操作系统是如何处理中断的？
  • 程序是如何读取到网络数据的？
  • 程序是如何读取到磁盘数据的？

六、并发篇

  • 并发问题的根源是什么？
  • 实践篇：实际动手感受一下并发问题
  • 怎样解决并发问题？
  • 一山不容二虎：锁是如何实现的？
  • 有自旋锁为什么还需要互斥锁？
  • 闻风而动：如何实现线程的同步等待机制？
  • 到底什么是信号量？
  • 信号量是怎么实现的？
  • 实践篇：用信号量来解决互斥问题
  • 实践篇：用信号量来解决同步等待问题
  • 实践篇：生产者消费者问题

七、设备管理篇

  • 一切皆为文件到底是什么意思？
  • 操作系统是如何管理设备的？
  • 磁盘是如何工作的？
  • 文件这个概念在操作系统是如何实现的？
  • 文件系统是如何实现的？
  • 文件夹在操作系统中是如何实现的？
  • 操作系统是如何打开、读写以及创建文件的？
  • 操作系统是如何加速文件读写的？