OS X与iOS内核编程[试读]

操作系统的作用是为用户提供应用软件的运行环境。用户运行应用程序时所执行的任务依赖于操作系统提供的服务，然而，操作系统执行任务时，许多情况下都无需用户甚至程序员的干预。例如，应用程序从硬盘读取文件时，程序员只需调用操作系统提供的函数即可，执行读取的特定步骤完全交由操作系统处理。程序员不用了解从计算机硬盘中读取文件与从外部USB闪存中读取文件有什么不同，这是操作系统关心的事情。 绝大多数程序员都开发过很多用户使用的代码，他们可能还会使用框架（如Cocoa）提供图形化用户界面与用户进行交互。Mac或iPhone应用商店提供的所有应用程序都属于这一类。本书讲述的不是应用软件开发，而是内核扩展开发，... 查看全部[ 第一章：操作系统原理 ]

作为启动序列的一部分，操作系统决定系统的硬件配置，搜索连接到USB接口或插入PCI扩展槽的外部设备，对它们进行初始化，如有必要，在初始化时加载驱动程序。 操作系统完成加载后，用户便能运行应用软件。应用软件可能需要分配内存或向磁盘写入文件，这些请求均由操作系统处理。对用户而言，操作系统的参与基本上是透明的。 操作系统在运行的应用程序和物理硬件之间提供了一个抽象层。应用程序一般通过向操作系统发出高层请求与硬件通信。因为这些请求由操作系统处理，所以应用程序可能完全不知道其运行环境的硬件配置（如RAM的数量、磁盘存储器是内部SSD还是外部USB驱动器）。 这个抽象层可以使应用软件在多种不同的硬件... 查看全部[ 1.1　操作系统的作用 ]

通常，用户在计算机上安装了许多应用程序，而且这些应用程序都是纯被动实体。磁盘上的程序所包含的数据仅在程序运行时需要，这些数据由可执行代码和应用程序数据组成。当用户启动应用程序时，操作系统会将程序的代码和数据从磁盘加载到内存中，并开始执行代码。一个正在执行的程序称为“进程”。与程序不同，进程是主动实体，由程序执行期间单个实例的状态快照组成。其中包括程序代码、程序分配的内存以及当前的执行状态，如程序当前正在执行的函数的CPU指令、变量内容和内存分配情况。 通常，系统会同时运行许多进程。其中包括用户启动的应用程序（如iTunes或Safari）、操作系统自动启动的进程和不提示用户而运行的进程。例如... 查看全部[ 1.2　进程管理 ]

尽管任意时刻会有许多进程同时运行，但每个进程都觉察不到系统有其他进程在运行。实际上，在没有显式代码的情况下，一个进程无法与另一个进程交互，也不能对其行为产生影响。 操作系统为每个进程提供了一段可操作的内存，我们称之为进程的地址空间。地址空间是动态的，它在进程执行期间随其内存分配而发生变化。如果一个进程试图读/写其地址空间外的内存地址，操作系统通常会将其终止，并通知用户该应用程序已经崩溃。 尽管受保护的内存并非新生事物，但也是近十年才出现在用户的桌面系统中。在Mac OS X之前，Mac OS 9上运行的进程可以读/写任何内存地址，即使该地址是由另一个进程分配的缓冲区或属于操作系统本身。 ... 查看全部[ 1.3　进程地址空间 ]

在现代操作系统中，操作系统和应用程序执行的函数之间具有明确的界限。每当进程希望执行一个任务（如分配内存，从磁盘中读取数据，或通过网络发送数据）时，必须使用一组系统定义好的编程接口访问操作系统。malloc()、read()等系统函数，都是提供操作系统服务的系统调用。我们可以直接通过应用程序，或间接通过高级开发框架（如Mac OS X上的Cocoa框架）执行这些系统调用。Cocoa框架内部也是基于相同的系统调用实现的，它们访问操作系统服务时也要调用底层函数（如read()）。 但因为用户进程无法直接访问硬件或操作系统结构，所以它们需要调用read()等函数打破进程地址空间的限制。利用函数调用操... 查看全部[ 1.4　操作系统服务 ]

计算机系统中的RAM资源有限，由系统上所有运行的进程竞争共享。当系统运行多个应用程序时，所有进程分配的内存总量会超过系统上RAM的数量，这很正常。 操作系统支持虚拟内存，这样进程就可以分配和使用比系统上安装的RAM数量还要多的内存。也就是说，进程的地址空间不受物理RAM数量的限制。有了虚拟内存，操作系统便可以使用次级存储器（如硬盘）上的后备存储空间，保存无法放到RAM中的进程的地址空间。然而，CPU仍然只能访问RAM中的地址，因此，操作系统必须在磁盘后备存储空间和RAM之间交换数据，以便能在进程运行时访问内存。 在特定时刻，进程可能只需要使用分配的总内存的一小部分，我们称之为进程的工作集。... 查看全部[ 1.5　虚拟内存 ]

在计算机系统中，另一种争用激烈的资源是CPU。执行每个进程都需要访问CPU，但通常一些想要访问CPU的进程比系统上的CPU内核更活跃。因此操作系统必须在运行的进程之间共享CPU内核，保证每个进程都可以正常访问CPU，从而顺利执行。 我们已经知道，进程彼此独立运行，都有各自的地址空间，以防止一个进程影响其他进程的行为。但在许多应用程序中，让两个独立执行的路径同时运行，而且不受每个路径必须在各自地址空间中运行的限制，这样做非常有用。这一执行单元被称为“线程”。多个线程都执行同一程序的代码，并在同一进程中运行（从而共享相同的地址空间），但却彼此独立。 对于操作系统来说，线程是调度的基本单位；当操... 查看全部[ 1.6　调度 ]

除了管理基本的硬件资源（如CPU和内存），操作系统还负责管理系统上添加的硬件外设，包括键盘和鼠标、USB闪存驱动器、显卡等。尽管操作系统负责管理这些设备，但需要借助驱动程序才能实现。可将驱动程序看做运行在操作系统内核中的插件，它可以使系统与硬件设备进行交互。 支持硬件设备的代码位于设备自身（称为固件）和计算机（称为驱动程序）这两个位置。驱动程序的作用是代表操作系统控制硬件设备。驱动程序代码载入操作系统内核之后，会与内核的其他部分享有相同的权限，如直接访问硬件。 驱动程序在设备插入计算机（或计算机启动）时负责对硬件进行初始化，将操作系统的请求转换为一系列硬件特有的操作，然后由硬件执行这些操作... 查看全部[ 1.7　硬件和驱动程序 ]

操作系统负责管理计算机的硬件资源。它为用户程序提供了计算机系统的抽象模型，使每个程序好像都能完全访问CPU和整个内存。用户运行的程序若不向操作系统提供的服务发出请求，就无法访问硬件。在处理与外围硬件设备相关的服务时，操作系统可能需要调用该设备的驱动程序所提供的函数。 接下来几章将把本章阐述的概念付诸于实践，介绍Mac OS X提供的各种接口，功能涉及允许驱动程序使用虚拟内存地址和物理内存地址、响应来自用户应用程序的请求，以及与PCI和USB设备通信。... 查看全部[ 1.8　小结 ]