刚开始学C语言的时候，都感觉它除了在命令行里打印点东西之外，没有其他用处。

但是，又不断地听说Linux系统是C语言写的。

总之，就是感觉C语言名不符实，心理落差太大。

那么，咱就说说C语言是怎么写操作系统的。

C语言几乎是写操作系统的唯一语言，就是因为它可以手动管理内存，而又不像汇编的可读性那么差。

1.C语言的全局内存模型最简单。

C语言有指针，可以通过指针对内存进行细致的管理。

同时，C语言不依赖运行时的状态，对内存管理模型的要求很简单：所有的全局数据都是被常量初始化的，在main()函数运行前不需要初始化代码。

int g_a = 1;
int main()
{
printf("g_a: %d\n", g_a);
return 0;
}

上面的代码里，g_a是个全局变量，它的初始化要在main()函数运行之前：可以在编译阶段初始化，也可以在main()函数前先运行一段初始化代码。

C语言对g_a的初始化，就是在编译阶段。

编译器在生成.o文件的数据段时，会直接把g_a对应的数据初始化成1。

全局数组、全局结构体的初始化，也是用“常量初始化”的：

这点虽然不那么直观，但它确实是常量初始化的。

如上图，test_file_ops结构体里虽然填的是函数的地址，看上去像个变量，但实际上：

• 编译器在生成.o文件时，是知道哪个函数放在文件的哪个字节的。
• 连接器在生成可执行文件时，不但知道哪个函数放在哪个字节，还知道它会被加载到哪个内存地址。

所以，这种结构体里看上去是“变量”的内存地址，实际上也是常量。

C程序员不需要关注具体的数值，但编译器会把它计算出来的。

所以，C语言的内存模型，都是在main()函数之前的编译阶段就可以确定的。

操作系统在运行程序时，只需要把文件加载到内存里，然后跳转到main函数就行了​不需要管运行时的状态。

但是，C++是不可以这样的。

2.C++的全局内存模型，依赖运行时状态。

C++要是给你写个动态创建机制，那么在main()函数运行之前，就要运行初始化代码，至少要把CRuntimeClass的类图构建出来才行：否则去哪里查找类名对应的构造函数呢？

C++动态创建的演示代码，如这3张图：

动态创建代码，1

所谓的动态创建，是在收到类名字符串之后，创建一个对应的类对象。

当然没法用new "Object"去创建Object类的对象，因为"Object"是字符串常量，不是编译之前的代码。

所以C++就需要一个静态函数，这个静态函数里只有1条代码：return new Object();

因为每个可以动态创建的类，都需要这么一段代码，所以把它写成了上图的静态函数，并且通过一个宏把它添加成每个类的静态成员函数。

但是，在收到类名字符串之后要找到这个函数，必须得有类图。

每个OOP语言都有个庞大的RuntimeClass类图，就是做这个事的​

类图，就是由每个类的RuntimeClass全局静态对象构成的链表。

在每个类里添加一个RuntimeClass的静态对象，它的构造函数在运行时就会把它自动挂到类图的链表上，如下图的红框所示。

动态创建代码，2

这个RuntimeClass对象，既然是全局静态对象，那么它的构造函数当然要在main()函数之前被调用！

那么C++的编译器框架，怎么保证这点呢？

只能在main()函数之前给可执行文件添加一个.init段，让程序的入口在.init段里，而不是main函数所在的.text段。

但是在Linux系统里，是绝对不允许编译器在程序员之前、对内存做手脚的！

这就是Linux之父吐槽C++的原因：因为他感觉自己的能力受到了质疑，感觉C++编译器认为他管不好内存​

但是，C编译器绝不会这么认为，C语言认为每个程序员都是大牛，都该自己管内存​

动态创建代码，3

这个代码的运行效果：

效果图

可以看到，那3个RuntimeClass的初始化都在main start之前，因为它们是全局静态对象。

所以，C++见到的程序入口，并不是真正的入口，在main()之前就要进行内存初始化的。

但是，C的入口是真正的入口：你想让它做什么，它就做什么，只要你把代码写对了。

每个敢写操作系统的C程序员，恐怕都认为自己能把代码写对。

所以，C语言几乎是系统程序员的唯一推荐语言。

3.怎么写操作系统？

咱先论证完了C语言写操作系统的存在性和唯一性，然后再给它个构造性的证明。

操作系统，是最贴近硬件的软件。

它和编译器是互为递归的关系：编译器在操作系统上运行，操作系统是编程语言写的，编程语言是编译器编译的。

操作系统、编译器、编程语言的关系

操作系统大约分为这4个模块：进程管理、内存管理、设备管理、网络子系统。

进程管理、内存管理，这2个是操作系统的核心模块。

操作系统要想运行起来，进程和内存的管理是必需的，其他模块可以后来一个个的添加。

内存管理模式，是操作系统可以运行的关键：主要是分段和分页两种。

4.内存的分段

内存的分段，就是把内存分为代码段、数据段、堆栈段，给予不同的权限进行管理。

代码段，具有可读(R)、可执行权限(X)。

数据段、堆栈段，具有可读(R)、可写权限(W)。

数据段和堆栈段的差别是：数据段从低往高增长，堆栈段从高往低增长。

它们两个之间的没使用的区域，是堆和栈可以增长的空间。

通常所说的堆栈段实际上指的是栈，堆是紧邻着数据段的。

代码段的内存地址，要放在段寄存器CS里。

数据段的内存地址，要放在段寄存器DS里。

堆栈段的内存地址，要放在段寄存器SS里。

这3个寄存器，在用户代码里是不可以使用的，但内核代码可以。

在内核初始化时，给哪个段寄存器加载哪个内存地址，它就会把哪个地址当成哪个段。

这个机制，是由intel的CPU设计所保证的。

在16位机上，是只能用分段模式的，即所谓的实模式。

段地址+偏移量的访问方式，最大访问1M的内存，是实模式的唯一方式：

CS:IP是代码的运行位置，

SS:SP是栈的位置，

DS:SI和ES:DI用于数据传递的源位置和目标位置。

32位机之后，intel又增加了保护模式：保护模式在分段的基础上可以分页，也可以只分段。

5.内存的分页

CPU进入保护模式之后，才可以开启分页机制。

页的大小一般是4096字节（2^12），所以页基地址的0-11位是0。

这些为0的12位，在页表里用于每个页的权限控制：读、写、执行、缺页，etc.

32位的页表项

在开启分页之前，需要先给内存分段。

在32位机上，通常把所有的段都映射到0-4G的虚拟空间。

这时，代码段、数据段、堆栈段的基地址已经没什么用了，CS、DS、SS段寄存器主要用于权限控制，改叫段选择符。

段选择符，是个以8为间隔的等差数列。

0号不用，代码段是0x8，数据段是0x10，堆栈段是0x18。

它们对应的内存地址、内存范围、内存权限，都要写在全局描述符表(GDT)里。

GDT：global descriptor table.

在开启分段之前，需要加载GDT表到CPU的特殊寄存器，用的指令是LGDT：这也是个特殊指令，只能在内核里用，而且一般只用在初始化时。

这里还需要加载中断向量表 (IDT)：interrupt descriptor table.

中断向量表，是用来处理硬件中断的函数指针，也就是所谓的中断服务例程 (irq)。

在开启分段之前，先给它留出内存位置来，以后才会设置它。

加载完GDT和IDT之后，打开A20地址线，CPU就可以访问1M以上的内存地址了。

然后，开启内存的分段模式。

接下来就是Linux引导程序里著名的那条汇编：

ljmp $8,$0

跳转到代码段的第一条代码​第一条代码的偏移量是0，代码段的选择符是8。

再接着，就是设置内核页表，然后开启分页机制。

内核页表至少分2级，64位机上的分级比较多，32位机上只能分2级：页目录、页表。

不过每一级的表项都差不多，都是页的基地址+访问权限。

页表里填写的内存地址，都是物理内存的地址。

在进程访问内存的时候，虚拟地址会被内存管理单元(MMU)转化到物理地址，然后送到CPU的地址总线，然后内存数据从数据总线传到CPU的寄存器。

32位机的虚拟地址到物理地址的计算：最高10位确定页目录的位置，中间10位确定页表的位置，最后12位确定偏移量：

paddr = dir [ vaddr >> 22 ] [ (vaddr >> 12) & 0x3ff ] [ vaddr & 0x3ff ].

（64位机的，我没仔细看过intel的手册，有兴趣的可以自己去看）

分页机制下，一行mov rax, (rdx)，硬件和操作系统实际上要做很多事的。

在把页表设置好之后，要把页表的基地址加载到CPU的cr3寄存器：页目录基地址寄存器。

然后，就可以跳转到内核C代码的main()函数了。

因为页表已经设置好了，接下来就可以用C语言写了。

上面说的那些，都是汇编代码的内容​

6.内核子系统的初始化

进入C语言的main()函数之后，首先是各种内核子系统的初始化：

1) 缺页中断

当进程访问的虚拟地址对应的物理内存页不存在时，由缺页中断进行处理：合理的缺页给它申请新的物理内存页，不合理的缺页给进程一个段错误。

段错误，会导致进程被操作系统的信号机制杀死。

2) 时钟中断

它是操作系统的调度节拍，由一个硬件时钟每1毫秒发送一次。

3) 系统调用

它是用户程序与操作系统的唯一接口。

write()系统调用就是其中之一，它是printf()函数的底层机制。

4) 控制台

内核打印日志的必需模块，它是内核printk()函数的底层机制，也是用户的shell控制台的底层机制。

键盘驱动程序，VGA驱动程序，一般都放在控制台模块里，用于给系统提供最初级的输入输出支持。

5) 进程管理

这是内核的核心模块，折腾了这么多，就是为了让用户的多个进程可以切换​

fork()系统调用，exit()系统调用、wait()系统调用，getpid()系统调用，kill()系统调用，都属于这个模块。

6) 内存管理

也是内核的核心模块，整个操作系统就是围绕着内存管理来的。

kmalloc()函数、kfree()函数、get_free_pages()函数、brk()系统调用，都属于这个模块。

brk()系统调用，是设置用户进程的数据段的终止位置，也就是堆内存的终止位置，是malloc()和free()函数的底层机制。

get_free_pages()函数，内核分配物理内存页的函数。

7) 文件系统

unix系的操作系统上，一切都是文件。

这是传承自C语言之父丹尼斯-里奇的设计理念。

open()、close()、read()、write()，这4个系统调用，都属于文件系统。

execve()系统调用，它虽然属于进程管理，但是因为要加载可执行文件，所以严重依赖文件系统。

8) 网络子系统

TCP/IP协议栈+ Net Filter +网卡驱动程序，这3个是网络子系统的内容。

Linux网络子系统的作者是Alan Cox，阿兰-寇克斯。

整个互联网的基础，都在这个子系统里。

TCP、UDP、IP、ICMP、ARP、DNS，etc，这些网络协议全在这个模块里。

9) 各种设备的驱动程序

鼠标、显卡、USB、硬盘，等等，大多数设备的驱动程序，都属于这部分。

大致分为：块设备、字符设备、网络设备。

硬盘是块设备，它的最小访问单元是扇区，每个扇区512字节。

字符设备，是可以按字节访问的，显示器是典型的字符设备。

网络设备，网卡是典型的网络设备，它也属于网络子系统。

7.0号进程的创建

0号进程，在操作系统里叫idle进程，是CPU空闲时运行的进程。

当各种内核子系统初始化完成之后，操作系统就要创建0号进程，做为以后所有进程的模板。

进程的数据结构里，主要有这么几项：

1) EIP，用户态的代码地址，

2) ESP，用户态的栈地址，

3) ESP0，内核态的栈地址，

4) cr3，页表的物理地址，

5) pid，进程号，

6) ppid，父进程号，

7) brk，用户代码的数据段末尾，

8) 用户态的代码段、数据段、堆栈段的位置，

可以用于检测段错误，防范缓冲区溢出攻击。

9) 信号图，

处理进程的信号机制。

10) 进程的段选择符，

内核和用户进程的段选择符是不一样的，因为内核是ring0最高权限，用户进程是ring3最低权限。

把进程的这些数据加载到CPU的任务寄存器，然后降低权限到ring3，执行中断返回，就到了了用户态了：

这时的进程是idle进程，它的代码只有1行：

pause();

即，运行pause()系统调用：在有其他进程的情况下，它会调度其他进程运行；如果没有其他进程，它会运行功耗最低的那条pause指令，以降低CPU的功耗。

OS内核的总流程

最后，就是fork唯一的1号init进程，然后给用户启动shell或者图形界面了。

不管是shell还是图形界面，它们本质上都是用户的进程。