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系统结构 ​

linux系统可以简单的划分为用户区和内核区。

划分原因 ​

进程才是操作系统的执行单元, 用户的一切操作都是以进程为单元的。

操作系统分为用户区, 内核区。一个进程也可以被划分为用户区, 内核区。

那么一个进程为什么要划分为用户区, 内核区呢。只有一个区不可以吗？

当然是可以的, 但是如果不分区, 用户可以轻易的访问计算机的所有资源, 那么数据的安全性, 对硬件的保护将无从谈起。

  • 不分区意味着所有数据对用户可见, 用户可以随意获取, 毫无保密性。
  • 不分区意味着用户可以直接操作硬件, 那么硬件的安全性将无法得到保证, 很多硬件不能长期做某些操作。
  • 不分区意味着非专业用户的操作更容易弄坏系统。

综上所述, 分区是必须的。让进程在用户区在执行时, 就不能访问内核区的东西（因为操作系统的核心在内核区, 只要用户不能任意修改内核区, 操作系统就不易损坏）。而当进程在内核区时, 可以任意访问用户区与内核区。

进程的分区就是以操作系统的分区为前提的。所以操作系统的分区是必须的。

进程需要分区 而系统分区又是进程分区的前提 所以系统必须分区

划分原理 ​

说操作系统的划分是如何实现的还不如说进程的分区是如何实现的。

因为linux是面向进程设计的操作系统, 一切都要靠进程来运行。

进程用户区, 内核区 和 操作系统用户区, 内核区有大致的对应关系

核心概念 ​

  • 进程：可以简单理解为一个正在运行的程序。
  • 内存：计算机中用于存储数据的地方, 可以分为物理内存（RAM）和虚拟内存。
  • 指针：一个变量, 存储的是内存地址。通过指针, 我们可以访问特定内存地址中存储的数据。可以把指针想象成一个门牌号, 它指向内存中的一个特定位置。在32位系统中, 这个门牌号是32位的；在64位系统中, 它是64位的。
  • 寻址：通过内存地址来找到特定的内存位置。寻址就是根据门牌号（指针）找到对应的房间（内存地址）

进程的内存空间 ​

  • 每个进程在运行时, 都会被分配一块独立的内存空间, 用于存储代码、数据等。
  • 在32位系统中, 一个进程的内存空间大小理论上是4GB（2的32次方字节）。
  • 在64位系统中, 一个进程的内存空间大小理论上是2的64次方字节。

指针的作用 ​

  • 在32位系统中, 指针是32位的, 可以寻址4GB的内存空间。由于只有32位, 所以它可以表示 2^32 个不同的内存地址。这就好比一个小区只有 2^32 个门牌号, 所以最多只能找到 2^32 个房间。因此, 32位系统理论上最多能寻址 2^32 字节（4GB）的内存空间。
  • 在64位系统中, 指针是64位的, 可以寻址更大的内存空间。64位指针可以表示 2^64 个不同的内存地址, 因此64位系统理论上可以寻址 2^64 字节的内存空间。
  • 指针是用来存储内存地址的。

进程的内存空间 ​

  • 每个进程在运行时, 操作系统都会为其分配一块独立的内存空间, 用于存放代码、数据等。
  • 这个内存空间就是通过指针来寻址的。
  • 指针位数决定的是理论上可以访问的最大地址空间, 而进程实际使用的内存空间通常小于这个值, 并且还受到其他因素的限制。

堆内存就是在需要时就申请的物理内存。那能申请多少堆内存呢？可以申请到指针无法寻址为止, 也就是达到一个进程的上限。

一个进程在启动时, 代码区, 栈区, 动态库链接区等区域消耗的内存很小。

堆内存只有在需要时申请就可以了, 加起来也不会达到500M, 更别提4G了。

指针的值可修改 ​

我们可以修改指针的值到想要的任何一个值, 所以从软件的角度是无法将用户区, 内核区进行划分的。

众所周知 在windows平台一个32位程序 0到2G是内核区 3到4G是用户区 那我们可不可以修改一个指针 让他访问0到2G内核区的东西呢? 从软件角度讲当然是可以的啦

cpp
#include <iostream>
int main() {
  // int* p = (int*)(100);
  int* p = reinterpret_cast<int*>(100); //这是cpp写法
  std::cout<<*p<<std::endl;
}

0到2G为内核区, 那么100当然在0到2G之中了, 所以p指向的也是内核区的东西。但访问权限不够 所以以上的代码无法运行

为了实现操作系统内核区, 用户区分离的功能, CPU有0, 1, 2, 3级4种运行级别, linux和windows都只使用了0级或3级。

当进程在用户区时, CPU在3的运行级别下运行, 此时指针只能访问用户区。

进程切换到内核区时, CPU的运行级别就切换到0级了, 指针可以访问用户区和内核区。

硬件角度 ​

举个例子, 为什么java就无法做破解, 因为java没有指针, 无法修改想要修改的内存。

虽然java虽然有引用, 但引用, 其实就是不被视为对象的指针。

引用其实有地址, 有值, 但是编译器不将其视为对象, 也就无法单独拿出来使用, 所以引用无法修改想要修改的内存。

只有从硬件角度, 也就是cpu才可以实现用户区和内核区分离

  • 说操作系统的划分还不如说进程的划分
  • 而进程是依靠指针寻址的
  • 而指针的值是可以修改的
  • 所以无法从软件角度实现内核区和用户区分离。

操作系统内核区 ​

linux系统内核区可以分为三部分。

一、下层 ​

下层驱动程序直接对接硬件, 将硬件抽象为一个个文件, 让上层可以通过操作文件来操作硬件。大家应该都听说过一句话 在linux中一切皆文件

二、中层 ​

文件, 网络, 进程, 内存等管理系统这些是操作系统真正的核心。因为这些模块几乎任何程序都在频繁的使用。

文件系统, 内存管理, 进程管理, 网络系统也可以说是linux系统编程的4大天王。中层研究的越深入, 对linux系统的理解程度就越深。

如果已经有了很不错的基础, 看linux的源码的这四个系统就可以了, 理解之后, linux系统编程就大成了。

  • 文件系统, 经常使用的打开文件, 关闭文件就不说了, 实际上向屏幕输出, 也是在对文件进行操作, 因为显示器在驱动程序那里就已经被抽象为文件了。
  • 内存管理更不必多说, 我们经常需要对堆内存进行申请, 释放操作, 这就离不开内存管理系统。
  • 进程管理系统也是经常使用, linux系统是以进程为最小执行单元的, 也就是说, linux完成几乎任何任务都需要依靠进程。而进程是需要资源的, 所以进程管理是不是就非常重要。
  • 网络服务模块：网路的重要性不必多说, 现代程序几乎都离不开网络, 网络操作也是整个linux系统编程的重中之重。

三、上层 ​

上面已经解释了操作系统分为用户区, 内核区的必要性, 用户区不能直接操作内核区, 但内核区又是必须要使用的。

于是操作系统提供了上层的系统调用接口, 用户区可以通过调用系统调用接口来间接操作内核区, 这样既可以使用内核区, 又实现了用户区, 内核区的分离。

我们创建的文件, 网络协议栈都在操作系统内核区中, 我们用户只能通过对应的文件描述符来间接操作该文件（因为linux系统一切皆文件）

操作系统用户区 ​

C语言函数库 ​

系统调用接口提供的功能往往比较单一, 很多任务需要大量的系统调用配合使用。非常麻烦。

于是c语言函数库就诞生了, 它基于系统调用, 分装的函数定义了大量的功能, 并且进行了大幅度的优化。

注意：很多时候我们既可以使用库函数, 也可以使用系统调用。推荐还是使用库函数

库函数一般使用比较方便, 而且效率更高, 虽然加了一层封装, 但往往经过了大幅的优化。

写文件时用的是C++, 系统调用和库函数一般在写脚本, 配置时才会使用, 但了解系统调用和库函数还是非常有意义的。