前言

最近在b站看到了马士兵老师的 netty 课程，虽然放出来的大概约等于试看版，但是干货还是挺多的，一直深入到了计算机的组成原理，从软件到硬件把原理给你讲明白了，结合《深入理解计算机系统》这本书来学习效果更佳。

这是这个课程的第一部分：讲了计算机底层发生中断时的过程，以及为什么 IO 的效率比较低（这个只给了结论）

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计算机组成：

硬件：

• CPU
• 内存
• 硬盘
• 网卡
• ...

软件：

• 操作系统
• 其他应用程序

软件是计算机的灵魂，而在 Linux 操作系统中，你编写的程序被看做一个「文件」。

【开机之后计算机中的第一个程序是什么？】

开机之后会将 kernel 加载到内存中 —— 第一个程序是 Linux 内核。

内核的作用：

• 暴露系统调用 system call ， 让其他应用程序调用硬件功能。

调用计算机底层硬件，其他应用程序如果需要使用硬件，跟「内核」进行交互就可以，不需要程序自己编写操控硬件的代码。

但是由于「安全」的需求，并没有上面说的这么简单。

• 如果放任应用程序直接调用底层内核，那么可能导致某块内存区域被恶意软件修改，引起安全隐患。

于是有了「对策」：当 CPU 将 内核加载到内存中之后，会从「实模式」转换为 「保护模式」。

概念：

• 实模式 ：实际物理内存地址模式。

• 保护模式 ：将 内存地址 进行了一次转换，隐藏真实内存地址，用户无法访问真实内存地址。

这里画了个图，也就是将内存一分为二，内核可以访问真实的内存地址，其他应用程序无法访问，只能访问被转换后的内存地址。

前后矛盾 ：

之前说 内核的意义就是分层解耦，让程序可以调用操作系统，从而操作底层硬件。

但是由于安全的原因，保护模式程序又无法获取真实的内存地址，这就产生了「矛盾」 —— 「内核既要保证 安全 ，又要让应用程序能够调用系统功能」。

怎样解决？

引入另外一个引申概念：「中断」，这里的中断其实就是 「CPU时间片」。

下面这张图包含了：

什么是中断 ：

• 物理层面： 发生晶振，每次晶振都是给 CPU 一个电信号，让 CPU 知道要中断了
• 逻辑层面： 中断发生之后应用程序如何进行切换 —— 操作系统内核中包含了切换的逻辑

中断发生之后 CPU 怎么知道要做什么？

内核中维护了一个「中断向量表」，以键值对的形式存在，发生中断之后 CPU 根据中断号找到对应的回调函数，然后执行对应的操作。

谁可以发起中断？

【能发起中断的软硬件很多】

• IO设备：键盘，鼠标
• 网卡
• 硬盘
• 应用程序

【中断概念示意图：】

Java 中调用 system.out.println("hello world") 底层发生了什么

【系统调用示意图：】

【系统调用文字描述】：

• Java 程序想要输出一条语句 "hello world" ，但是要把这条语句打印到显示器上，需要 「内核」 来完成，于是， Java API 调用了 系统 API。
• 内核接收到了这个调用，然后将一个函数写入 「CPU寄存器」 ， 这个函数就是 write("hello world") ，但是仅仅有一个函数是无法完成切换的，还要有相对应的 「CPU指令」，于是内核紧跟着给了 CPU 一个指令 「int0x80」，这里的 int 代表的就是 「CPU指令」
• CPU 去 「内核」 中的 「中断向量表」中寻找 0x80 代表的 「回调函数」，并且执行该函数
• 这个例子中的 「回调函数」 的内容就是进行 「切换」，暂存当前进程的信息，从「用户态」 切换到 「内核态」，切换完成之后，由 kernel 内核完成 执行 write("hello world") 这个函数
• 调用完成， hello world 被打印到了 控制台上。

结论

「IO」 一定涉及系统调用，而「系统调用」的成本相对较高。

问题

1. 为什么成本高？

2. 是否存在与系统调用相关联的概念？

答案

1. 因为 IO 涉及到了硬件调用，而硬件调用就涉及到了 「内核」，涉及到内核之后就存在着从 「用户态」 转为 「内核态」 的转换与切换，所以成本较高。
2. 与 「系统调用」 相对应的是 「函数调用」 ，函数调用指的是在 同一个应用程序中，给到 CPU 一个指令，因为是同一块内存区域，所以不会涉及到内核，可以直接执行。

Q.E.D.