简单讨论操作系统的工作机制

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《Linux内核分析》课程地址：http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

本篇文章以一段简单的C语言程序在Linux操作系统栈上的运行情况，来讨论操作系统的工作机制。
首先是这段C代码main.c
int g(int x)
{
return x+59;
}

int f(int x)
{
return g(x);
}

int main(void)
{
return f(19)+59;
}

这段代码的功能是计算出19+59+59=137。代码很简单，下面在64位Linux 操作系统（由实验楼提供，地址http://www.shiyanlou.com/courses/195）进行编译，得到它的汇编代码。Linux指令为
gcc -S -o main.s main.c -m32
执行之后会得到main.s文件。这个就是main.c在编译之后的汇编语言文件。将main.s中的以”.”开头的语句删除后，就是下面这样的汇编语句了。
下面来解读这段汇编语句在程序栈中的运行情况。
首先，从main开始（因为每个C程序都是以main为入口）。
18行：pushl %ebp
解释：将ebp放入栈顶，然后栈顶+4。即压入栈。栈顶由堆栈顶 指针esp指示。ebp是堆栈基指针，也就是栈底的位置。
19行：movl %esp,%ebp
解释： 即ebp=esp，将ebp指向esp的位置。
20行：subl $4,%esp
解释：将esp的指针指向低4字节的位置。因为栈在内存中是向下增长，所以esp减4就是扩大栈的意思。
21行：movl $19,(%esp)
解释：将19这个数字存入esp指针当前的内存中。
22行：call f
解释：调用f函数。这里面的call分解为
pushl %eip
movl f, %eip
eip中存储的是即将执行的指令。eip有自动提取下一条指令的功能。
eip不能被程序员直接使用。
此时，开始执行f函数的语句。
9行：pushl %ebp
解释：栈顶指针地址减4字节，然后将ebp压入栈顶。
10行：movl %esp,%ebp
解释：ebp=esp，即ebp指向esp的位置
11行：subl $4,%esp
解释：栈顶指针地址减4字节，即栈扩大。
12行：movl 8(%ebp),%eax
解释：esp=(int32_t )(ebp+8) 即将ebp地址加上8个字节，然后从这个地址中 的内容放入eax寄存器中。eax是累加器。
13行：movl %eax,(%esp)
解释：将eax放入esp当前指向的内存中。
14行：call g
解释：调用g函数。同样分解为
pushl %eip
movl g,%eip
此时开始执行g函数。
2行—5行功能与之前相似，不在赘述。
6行：popl %ebp
解释：将ebp指向栈顶元素，然后栈顶指针地址加4字节，即栈缩小。
7行：ret
解释：ret分解为
popl %eip
即将栈顶元素存入eip，同时栈顶指针地址加4字节，栈缩小。
此时会跳转到15行。
15行：leave
解释：leave分解为
movl %ebp，%esp
popl %ebp
即esp指向ebp的地址，然后使ebp指向栈顶元素，之后再缩小栈。
16行：ret
解释：popl %eip 此时跳转到23行
23行：addl $59,%eax
解释：eax中的内容加上59
24行，25行前面已解释，不再赘述。

上面的运行解释在栈中的运行状况如下图
对上图的解释：
1、栈是向下增长的，所以开口向下。栈上标记的0,1,2…8是表示栈的地址。
2、esp和ebp的线上的数字是esp和ebp指针指向顺序，第1次，第2次等等。
3、黑色的线表示在做压栈操作，红色的线表示正在做出栈操作。
4、eip(23)的“23”指的是代码行第23行，ebp(_0)指的是栈上地址0。

从上图可以看到，程序开始前esp和ebp都指向0，程序结束后esp和ebp也都指向0。这里的意思是说esp与ebp的起点一样。（事实上在程序开始执行前是没有为这个程序服务的栈的，程序结束后这个为其服务的栈也随之被回收掉。）所以从程序执行开辟栈，到程序结束清空栈的过程是非常清楚的。

从上述C程序在内存栈中的执行来理解操作系统的工作机制：
计算机由一个个程序组成，其中操作系统这个系统程序是其他程序运行的基石。现代计算机的结构大都是冯·诺依曼结构。这个结构的最大特点是运行的程序被存储到内存中运行。在这里，就是为这个C程序开辟栈。
操作系统为每个运行的程序开辟栈，之后这个程序运行时的数据便在栈中存储。
对于一个由高级语言编写的程序，在计算机的执行流程是：
高级语言—>汇编语言—>机器语言—>执行。
本文章只讨论程序运行时的操作系统工作机制，其他操作系统的工作机制将在后续文章中讨论。