OS Structures

Various ways to structure ones

• Simple structure - MS-DOS
• Monolithic - UNIX
• Layered - an abstraction
• Microkernel - Mach

A View of Operating System Services

• 红色部分是 helpful to user, 蓝色部分是 better efficiency/operation.

• User Operating System Interface

• CLI: Command Line Interface, shells
• GUI: user-friendly
• Touchscreen Interfaces
• Application Programming Interface(API)

System Calls

不同系统架构调用system call的方式

• x86-32: int
• -64: syscall
• arm64: svc
• EL0 User
• EL1 Kernel
• EL2 Hypervisor
• EL3 SM Secure Monitor
• 0->1: svc
• 1->2: hvc
• 2->3: smc
• risc-v: ecall

• Programming interface to the services provided by the OS
• Typically written in a high-level language
• Mostly accessed by API(Application Programming Interface)

printf&write

unist: Unix Standard printf 是 write (system call) 的一个 wrapper。这里我们可以通过 man 2 write 查看系统调用的用法（2 表示查询系统调用）

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

• fd=1 表示标准输出, fd指file descriptor
• buf 是要输出的内容，指向 hello world\n 这个字符串首地址。
• count=13 是要输出的字节数（包含了 \n）

write系统调用号为1

objdump -d 翻译成汇编可以看到，main 里会调用 __libc_write。

在 __libc_write 里会将 1（系统调用号）挪到寄存器 %eax 里随后调用了 syscall 指令，跳到 kernel space，并且切换 mode。

Linux0.11

之后在Kernel Space

• kernel_entry 被调用，save所有user space寄存器
• call write syscall handler: 从syscall_table中获取函数指针
• syscall_table为array，其index为系统调用号，
• 写完后调用ret_to_user，恢复寄存器，返回到user

用户不需要知道系统调用的具体实现

The Hidden Syscall Table

需要通过 C 预处理得到宏展开的文件, make *.i可以得到对应的.i文件

拷贝文件需要调用的syscall

strace

strace: system call trace. e.g. strace cp main.c main 可以看到我们调用 cp main.c main 时，调用了哪些系统调用。可以用 strace 知道我们的程序调用了什么系统调用之后出问题。

time

time 可以输出 real, user, sys 的时间。（real 表示时钟的时间，后两个表示对应mode的时间）

有时 user 和 sys 是多进程同时进行，所以加起来的时间比时钟的时间长。

System Call Parameter Passing

直接放在寄存器里或把地址放在寄存器里，通过地址访问

或者把参数push到栈上，操作系统从栈上pop

Types of System Calls

• Process control
• create process, terminate process
• end, abort;
• load, execute
• get process attributes, set process attributes
• wait for time
• wait event, signal event
• allocate and free memory
• Dump memory if error 内存转储
• Debugger for determining bugs, single step execution

• Locks for managing access to shared data between processes

• File management

• Device management
• Information maintenance
• Communications
• create, delete communication connection
• send, receive messages if message passing model to host name or process name
• Shared-memory model create and gain access to memory regions
• transfer status information

• attach and detach remote devices

• Protection

Linkers and Loaders

从 .c 文件到 .o 文件经过了下面的流程：

• 预处理 cpp main.c -o main.i
• 编译 gcc -S main.i -o main.s
• 汇编 as main.s -i main.o
• Linker combines these into single binary executable file.
• Loader loads executable file into memory and starts execution.
• Modern general purpose systems don’t link libraries into executables.
• Rather, dynamically linked libraries (in Windows, DLLs) are loaded as needed

ELF binary basics

• Executable and Linkable Format - ELF
• Section header & Program header
  一个给 Linker 用，一个给 Loader 用。
• .text: code
• .rodata: initialized read-only data static const
• .data: initialized data static variable
• .bss: uninitialized data 全初始化为0，存储空间为0

readelf查看elf信息，包括每个段起始地址大小等信息 readelf -S a.out

Linking

• static linking: 可移植性高，把所有的代码都放到一个二进制文件，大
• dynamic linking: Reuse libraries to reduce ELF file size 小
• .interp段里存着loader的路径
• loader resolves lib calls

Running a binary

运行时的内存布局：

ELF section 被映射到内存里面的不同 segment。 注意区分堆和栈，分配数据时 stack 快，heap 慢。

• who setup ELF files mapping?
• Kernel
  • exec syscall
• who setup stack and heap?
• Kernel
  • exec syscall
• who setups libraries?
• Loader
  • ld-xxx

Map

• text: r-xp
• r--p: rodatas
• rw-p: data
• .bss: uninitialized variables. 给一个全局变量不给值，早期编译器记录它在 .bss 段里，但没有实际空间，映射到内存时就初始化为 0。
• heap/stack 匿名映射，没有一个文件支持。映射为可读可写。

Running a binary (Statically-linked)

首先我们通过 strace 查看运行静态链接文件过程中发生的系统调用。

• execve 执行对应路径的文件
• brk 用于管理程序的数据段的末尾，通过改变堆的边界来分配或释放内存
• write 执行程序里的 printf 功能

通过entry point address知道程序从哪一行开始

sys_execve() 里有 load_elf_binary 函数，从 ELF 头读地址到 elf_entry，把地址当作 regs->pc。然后调用 start_thread 函数。

ELF 里有 entry point address（通过 readelf -h）

entry point address 不是 main() 的地址，而是 _start 的地址，里面会调用 __libc_start_main 函数，里面才调用 main() 函数。
_start 是在读取命令行参数并且传给 main。

cat /proc/pid/maps 里可以看到进程的内存映射。static 的条目更少，因为需要的东西已经打包到 a.static 内了，不需要外部的库。而 dynamic 需要外部的库。

Running a binary (Dynamically-linked)

相比于静态链接，动态链接：

• 需要一个 loader。
• 动态链接的内存布局中条目更多。
• 动态链接的系统调用比静态的多。
• 动态链接的 entry point 的地址很小，也是对应 _start 的地址，里面有些 symbol 还没有被解析。

类似地，我们先通过 strace 查看运行动态链接文件中使用了哪些系统调用。
可以看到相比于静态链接，多出来的系统都用都和 ld 有关，即 dynamic loader。

动态链接有 .interp 段，在 load_elf_binary 函数中会走另一个分支：entry point 会指向 loader 的地址。先加载loader

Why Applications are Operating System Specific

• 开发的软件不能直接跨平台调用，因为操作系统不同导致系统调用不同，下面的硬件也不同。
• 像 Java 开发的软件可以，因为有 JVM 提供了跨系统的平台。为每一个主流OS各写一个JVM
• Application Binary Interface (ABI) is architecture equivalent of API, defines how different components of binary code can interface for a given operating system on a given architecture, CPU, etc... Application Binary Interface (ABI) 更贴近硬件架构

Operating System Design and Implementation

• Policy vs Mechanism
• Policy: What will be done
• Mechanism: How to do it
• 应该把Policy和Mechanism分开, a very important principle
• Monolithic – Unix, Linux
• Linux System Structure

Layered Approach

The bottom layer (layer 0), is the hardware; the highest (layer N) is the user interface

Microkernels

宏内核里放有很多 driver，而 driver 出问题，直接影响到 CPU 的 scheduler.

microkernel: Moves as much from the kernel into user space.
把 driver, file system... 都放到 user space，只留下最核心的东西在 kernel space.

• benefits:
• Easier to extend a microkernel
• Easier to port the operating system to new architectures
• More reliable (less code is running in kernel mode)
• More secure
• detriments:
• Performance overhead of user space to kernel space communication

Many modern operating systems implement loadable kernel modules (LKMs).

Modules

1. Many modern operating systems implement loadable kernel modules (LKMs)

Hybrid Systems

Most modern operating systems are actually not one pure model

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