你知道操作系統(tǒng)何時運行？
請各位思考以下問題：在你閱讀本文的這段時間內，計算機中的操作系統(tǒng)在運行嗎？又或者僅僅是 Web 瀏覽器在運行？又或者它們也許均處于空閑狀態(tài)，等待著你的指示？
這些問題并不復雜，但它們深入涉及到系統(tǒng)軟件工作的本質。為了準確回答這些問題，我們需要透徹理解操作系統(tǒng)的行為模型，包括性能、安全和除錯等方面。在該系列文章中，我們將以 Linux 為主舉例來幫助你建立操作系統(tǒng)的行為模型，OS X 和 Windows 在必要的時候也會有所涉及。對那些深度探索者，我會在適當的時候給出 Linux 內核源碼的鏈接。
這里有一個基本認知，就是，在任意給定時刻，某個 CPU 上僅有一個任務處于活動狀態(tài)。大多數情形下這個任務是某個用戶程序，例如你的 Web 瀏覽器或音樂播放器，但它也可能是一個操作系統(tǒng)線程。可以確信的是，它是一個任務，不是兩個或更多，也不是零個，對，永遠是一個。
這聽上去可能會有些問題。比如，你的音樂播放器是否會獨占 CPU 而阻止其它任務運行？從而使你不能打開任務管理工具去殺死音樂播放器，甚至讓鼠標點擊也失效，因為操作系統(tǒng)沒有機會去處理這些事件。你可能會憤而喊出，“它究竟在搞什么鬼？”，并引發(fā)騷亂。
此時便輪到中斷大顯身手了。中斷就好比，一聲巨響或一次拍肩后，神經系統(tǒng)通知大腦去感知外部刺激一般。計算機主板上的芯片組同樣會中斷 CPU 運行以傳遞新的外部事件，例如鍵盤上的某個鍵被按下、網絡數據包的到達、一次硬盤讀取的完成，等等。硬件外設、主板上的中斷控制器和 CPU 本身，它們共同協(xié)作實現了中斷機制。
中斷對于記錄我們最珍視的資源——時間——也至關重要。計算機啟動過程中，操作系統(tǒng)內核會設置一個硬件計時器以讓其產生周期性計時中斷，例如每隔 10 毫秒觸發(fā)一次。每當計時中斷到來，內核便會收到通知以更新系統(tǒng)統(tǒng)計信息和盤點如下事項：當前用戶程序是否已運行了足夠長時間？是否有某個 TCP 定時器超時了？中斷給予了內核一個處理這些問題并采取合適措施的機會。這就好像你給自己設置了整天的周期鬧鈴并把它們用作檢查點：我是否應該去做我正在進行的工作？是否存在更緊急的事項？直到你發(fā)現 10 年時間已逝去……
這些內核對 CPU 周期性的劫持被稱為滴答，也就是說，是中斷讓你的操作系統(tǒng)滴答了一下。不止如此，中斷也被用作處理一些軟件事件，如整數溢出和頁錯誤，其中未涉及外部硬件。中斷是進入操作系統(tǒng)內核最頻繁也是最重要的入口。對于學習電子工程的人而言，這些并無古怪，它們是操作系統(tǒng)賴以運行的機制。
說到這里，讓我們再來看一些實際情形。下圖示意了 Intel Core i5 系統(tǒng)中的一個網卡中斷。圖片中的部分元素設置了超鏈，你可以點擊它們以獲取更為詳細的信息，例如每個設備均被鏈接到了對應的 Linux 驅動源碼。
鏈接如下：
讓我們來仔細研究下。首先，由于系統(tǒng)中存在眾多中斷源，如果硬件只是通知 CPU “嘿，這里發(fā)生了一些事情”然后什么也不做，則不太行得通。這會帶來難以忍受的冗長等待。因此，計算機上電時，每個設備都被授予了一根中斷線，或者稱為 IRQ。這些 IRQ 然后被系統(tǒng)中的中斷控制器映射成值介于 0 到 255 之間的中斷向量。等到中斷到達 CPU，它便具備了一個完好定義的數值，異于硬件的某些其它詭異行為。
相應地，CPU 中還存有一個由內核維護的指針，指向一個包含 255 個函數指針的數組，其中每個函數被用來處理某個特定的中斷向量。后文中，我們將繼續(xù)深入探討這個數組，它也被稱作中斷描述符表（IDT）。
每當中斷到來，CPU 會用中斷向量的值去索引中斷描述符表，并執(zhí)行相應處理函數。這相當于，在當前正在執(zhí)行任務的上下文中，發(fā)生了一個特殊函數調用，從而允許操作系統(tǒng)以較小開銷快速對外部事件作出反應。考慮下述場景，Web 服務器在發(fā)送數據時，CPU 卻間接調用了操作系統(tǒng)函數，這聽上去要么很炫酷要么令人驚恐。下圖展示了 Vim 編輯器運行過程中一個中斷到來的情形。
此處請留意，中斷的到來是如何觸發(fā) CPU 到 Ring 0 內核模式的切換而未有改變當前活躍的任務。這看上去就像，Vim 編輯器直接面向操作系統(tǒng)內核產生了一次神奇的函數調用，但 Vim 還在那里，它的地址空間原封未動，等待著執(zhí)行流返回。
這很令人振奮，不是么？不過讓我們暫且告一段落吧，我需要合理控制篇幅。我知道還沒有回答完這個開放式問題，甚至還實質上翻開了新的問題，但你至少知道了在你讀這個句子的同時滴答正在發(fā)生。我們將在充實了對操作系統(tǒng)動態(tài)行為模型的理解之后再回來尋求問題的答案，對 Web 瀏覽器情形的理解也會變得清晰。如果你仍有問題，尤其是在這篇文章公諸于眾后，請盡管提出。我將會在文章或后續(xù)評論中回答它們。下篇文章將于明天在 RSS 和 Twitter 上發(fā)布。
