存储结构

为什么计算机要给储存结构分级？

不同级别的储存结构具有不同的访问速度，CPU 访问 CPU Cache 的延时只需要几个时钟周期，访问物理内存的延时则是几百个，速度相差 100 倍，访问磁盘延时就更高了，已经到毫秒级别了（百万时钟周期），但是访问速度越快的存储器，造价成本会高很多，容量也比较小。 通过分级储存结构，可以将数据按照不同的访问速度、容量和成本要求进行管理，CPU Cache用于存储近期频繁访问的数据，内存用于存储当前执行的程序和数据，而硬盘则用于存储大量数据和长期存储。（一个时钟周期小于10纳秒）

CPU cache L1 L2 L3 读取数据的时间量级差距有多大？

CPU 访问 L1 Cache 只需要 2~4 个时钟周期，访问 L2 Cache 大约 10~20 个时钟周期，访问 L3 Cache 大约 20~60 个时钟周期，而访问内存速度大概在 200~300 个 时钟周期之间。

CPU 缓存对程序性能的影响都体现在哪些方面？

程序具有局部性原理：如果一个数据被访问，那么附近的数据很可能也会被访问到，

CPU Cache就是基于这个局部性原理，在访问数据的时候，如果访问的数据不在 CPU Cache中，不会只从内存读这一个数据，而是会从内存连续加载数据到 CPU Cache，这样相邻的数据都会被缓存在 CPU Cache，那么程序在访问相邻数据的时候，相邻数据就可以直接在缓存中命中，无需访问内存，可以提高访问的效率。

内核态

什么是内核？

内核是系统中第一个加载的程序，并拥有最高的特权级别，控制整个系统的运行和资源分配。

负责管理进程、线程：决定哪个进程、线程使用 CPU，也就是进程调度的能力；

管理内存：决定内存的分配和回收，也就是内存管理的能力；

管理硬件设备：为进程与硬件设备之间提供通信能力；

提供系统调用：它与用户空间程序进行交互，提供系统调用接口，实现了操作系统的基本功能。

内核态和用户态区别？为什么要区分内核态和用户态？

CPU 将指令分为了特权指令和非特权指令，然后操作系统根据 CPU 的特权分级机制，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间。

内核态具有最高权限，可以执行特权指令，直接访问所有系统和硬件资源，而用户态不能执行特权指令，只能执行非特权指令，所以只能访问受限的资源，比如不可以直接访问内存、硬盘、网卡等硬件设备，如果要访问这些硬件资源，需要通过系统调用的方式，让进程陷入到内核态才能访问这些特权资源。

之所以要区分内核态和用户态，目的就是为了保证系统的稳定性和安全性，因为通过限制应用程序对特权指令的访问，可以防止恶意程序直接操作危险的指令导致系统崩溃的问题。

什么时候会由用户态陷入内核态？

主要有三种情况，会导致应用程序从用户态陷入到内核态：

• 应用程序执行系统调用的时候，会触发一个软中断，会进入内核态执行相应的内核代码，完成后再返回用户态。

• 当应用程序发生异常情况，如访问非法内存、除零错误等，CPU会触发一个异常，将控制权转移到内核态的异常处理程序中。

• 当系统接收到外部设备的中断信号，如硬件设备的输入/输出请求、定时器中断等，处理器会中断当前的执行，进入内核态执行相应的中断处理程序。

第一种属于软件中断，后两种属于硬件中断

系统调用的过程？

当应用程序发生系统调用的时候，会发生用户态和内核态的切换，过程是这样的：

• 执行系统调用的时候，先将系统调用名称转换为系统调用号，接着将系统调用号和请求的参数放到寄存器中，然后执行软件中断命令，CPU会从用户态切换到内核态。
• CPU 跳转到中断处理程序，将当前用户态的现场信息保存到内核栈中，接着根据系统调用号从系统调用表中找到对应的系统调用函数，并将寄存器中保存的参数取出来，作为函数参数，然后在内核中执行系统调用函数。
• 执行完系统调用后，执行中断返回指令，内核栈会弹出之前保存的用户态的现场信息，将原来用户态保存的现场恢复回来，这时候 CPU 恢复到用户态，用户态进程恢复执行。

用户态和内核态是如何切换的？

简单就参考系统调用的过程？

为什么用户态和内核态的相互切换过程开销比较大

• 上下文切换：在用户态和内核态之间切换时，需要保存当前进程或线程的上下文信息，包括程序计数器、寄存器状态、栈指针等。这些上下文信息保存在内存中或者内核数据结构中，在切换完成后需要再次加载回来。这个过程会消耗一定的时间和资源。
• 权限切换：用户态和内核态具有不同的权限级别，内核态拥有更高的特权级别，可以执行一些用户态不可访问的指令和操作。因此，从用户态切换到内核态需要进行特权级别的变更，这个过程也会增加开销。
• 地址空间切换：用户态和内核态通常有不同的地址空间，为了保护操作系统内核不受用户程序的直接影响，当切换到内核态时需要进行地址空间的切换和映射，这也会增加开销。
• TLB刷新：TLB是CPU中的一种缓存，用于存储虚拟地址到物理地址的映射关系。当发生用户态和内核态的切换时，可能导致TLB中的缓存无效，需要进行TLB刷新，这会引起一定的性能损失。

中断

什么是中断？为什么要有中断？

中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，操作系统收到硬件的中断请求，会打断正在执行的进程，然后调用内核中的中断处理程序来响应请求。

中断机制的好处是化主动为被动，避免 CPU 轮询等待某条件成立。如果没有中断机制，那么“某个条件成立”就需要 CPU 轮询判断，这样就会增加系统的开销。而使用中断机制，就可以在条件成立之后，向 CPU 发送中断事件，强制中断 CPU 执行程序，转而去执行中断处理程序。

可以理解为中断是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。

什么是硬件中断和软件中断？

• 中断（interrupt）：由硬件设备触发，比如点击一下鼠标、敲一下键盘，这时候外部设备会给 CPU 发送一个中断号，属于异步事件；
• 异常（exception）：CPU 在执行指令时检测到的反常条件，比如除法异常、错误指令异常，缺页异常等，然后CPU 自己给自己一个中断号，无需外界给，属于同步事件；
• INT 指令：INT 指令后面跟一个数字，就相当于直接用指令的形式，告诉 CPU 一个中断号。比如 INT 0x80，就是告诉 CPU 中断号是 0x80。Linux 内核提供的系统调用，就是用了 INT 0x80 这种指令。

硬件中断：由硬件自动触发的中断就属于硬件中断，比如中断和异常都属于硬件中断，中断是由外部设备触发的，异常是由 CPU 触发的。

软件中断：由软件程序主动触发的中断属于软件中断，比如 INT 指令，Linux 内核提供的系统调用，就是用了 INT 0x80 这种指令。

什么是硬中断和软中断？

根据实现的方式的不同，分为了硬中断和软中断：

• 由 CPU 硬件实现的中断机制，就属于硬中断，比如中断、异常、INT指令都是由 CPU 实现的中断机制。 （ CPU 在每一个指令周期的最后，都会留一个 CPU 周期去查看是否有中断，如果有，就把中断号取出，去「中断向量表」中寻找中断处理程序，然后跳过去执行中断处理程序。）
• 由软件实现的中断机制，就属于软中断。比如 Linux 实现的软中断守护进程。 （一个单独的守护进程，不断轮询一组标志位，如果哪个标志位有值了，那去这个标志位对应的「软中断向量表数组」的相应位置，找到软中断处理函数，然后跳过去执行软中断处理函数。）

硬中断和软中断的中断效果是一样的，都是打断当前正在运行的程序，转而去执行中断处理程序，执行完之后再返回原程序。

为什么要有软中断？

软中断可以承接原本硬中断处理程序比较复杂且耗时的工作，让硬中断的中断处理函数的逻辑尽可能的简单，从而提高系统的中断响应速度。

比方说，在网卡收到数据包的时候，会把数据包的事件分为上半部分和下半部分：

• 上部分由硬中断处理程序处理，要做的事情很少，做完后就会发起了一次软中断，然后就结束了。这里发起的软中断，并不是向 CPU 发送中断信号，而是将软中断标记数组中的某一个位置标记一下。
• 下半部由软中断处理程序处理，内核守护进程会不断轮询软中断标记数组，看哪个位置被标记为 1 了，接着就去软中断向量表里，寻找这个标志位对应的处理程序，然后执行软中断处理程序处理，其主要是需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对网络数据进行逐层解析和处理，最后把数据送给应用程序。