操作系统的目标

实际上要运行一个程序，操作系统并不是必须的，完全可以把二进制程序交给硬件直接运行。但这样做是不明智的，会有许多麻烦的问题无可避免，这也就是操作系统之所以存在的原因。总的来说操作系统有如下几个目标（作用）：

硬件抽象。对低级硬件资源的抽象并提供高层级的接口，可以方便应用开发并提供更好的移植性；
Multiplex。允许多个应用程序之间共用硬件资源，程序之间互不干扰；
隔离性。操作系统可以同时运行多个程序，同时保证程序之间互不干扰，例如其中一个程序出现故障，其他程序不会受到影响。主要通过两种方式实现：1）硬件，user/kernel/machine mode，2）虚拟内存；
共享性。在隔离性的基础上，也需要提供程序间共享数据的接口，例如进程间通信方式；
高性能。虽然操作系统对硬件做了抽象，但不应该阻碍硬件的性能发挥，而是帮助应用程序获得最高性能，例如充分发挥CPU的多核性能；
多场景。支持不同类型的应用程序，这里想强调的是，一个强大的操作系统应该支持不同的用户场景，例如编辑、游戏、服务器、桌面等等。

操作系统的结构

一个典型的操作系统（宏内核）从底向上结构如下：

硬件。操作系统要抽象的对象；
内核。操作系统抽象硬件的方法和手段，涉及到内存管理、进程管理和文件系统，三者共同作用下实现对硬件的抽象，向用户提供使用接口；
用户。操作系统的用户利用操作系统提供的接口（通常是系统调用）来使用底层的硬件资源。

操作系统隔离性的实现

两个方面：

硬件上提供三种模式：user model，kernel model，machine model；
虚拟内存，通过软件层面的页表和硬件层面的MMU实现。

用户空间和内核空间的切换

程序在：

执行系统调用时；
出现page fault、除0 等错误时；
需要响应设备中断时

会发生用户空间到内核空间的切换。这样的切换本质上通过一个硬件指令（int、syscall、ecall等）来进行CPU状态信息的切换，例如保存和恢复寄存器，将mode寄存器改成kernel mode，修改堆栈寄存器指向内核堆栈，程序计数器指向内核代码等等，具体的过程可以看之前系统调用相关文章。

页表

页表是实现虚拟内存的手段，而虚拟内存是一个现代操作系统做到隔离性的不二法门。页（page）是针对内存而说的，它是操作系统管理内存的最基本单位，通常是4096（4k）字节。当CPU想要访问某个物理地址上的数据时，它就会首先寄希望于找到该数据所在的物理页，而找到物理页的前提是找到物理页的地址，找到物理页的地址就需要先通过虚拟地址（CPU直接直到的地址）找到其页表项。也就是说需要通过页表来把虚拟地址对应到一个具体的页表项（当然也可以通过TLB缓存），根据页表项的地址找到物理页的地址，然后通过虚拟地址的偏移量具体定位到物理页的数据。虚拟地址空间比实际物理地址空间大得多，通常使用三级页表，具体的过程可以看之前的关于进程的方方面面。

进程管理

进程是一个程序运行起来的示例，操作系统通过虚拟内存为进程提供一个独立统一的内存地址空间，同时为进程的创建和使用提供优化。

缺页（page fault）

通过缺页可以实现lazy allocation、写时拷贝、demand paging等特性，在操作系统分配内存、创建新进程、执行代码时，我们不完全分配内存、拷贝进程数据、加载执行代码，而是等到实际要用到具体页的数据时，发生一个缺页异常，这是才分配、拷贝、加载指令。这样做的好处是可以避免对用不到的数据进行操作，提升系统进程管理的效率。

多线程和锁

操作系统提供对多线程（进程）支持的原因是用户对同时（或者看起来同时）执行多个认为的需求，同时，也是为了满足操作系统高效性的需求，即充分利用CPU的多核性能。关键之处在于实现在同一个CPU下多个线程之间的切换，其本质上是维护每个线程的状态信息（有点像trap），线程与线程之间的切换（调度）由定时器中断驱动。

锁是为了避免多线程并发带来的条件竞争问题而产生的，操作系统中，借由硬件提供的test and set（compare and exchange）指令，可以实现自旋锁，从而对可能发生条件竞争的地方进行同步，注意锁的粒度会严重影响系统的效率。同时，可以使用Sleep&Wakeup（wait&notify）机制对两个进程进行同步。

文件系统

关于文件系统的话题可以看。

Os Xv6 Overview