Learning Objectives
- 說明為什麼一般程式不能直接操作硬體，以及使用者模式與核心模式的差別
- 區分系統呼叫、硬體中斷與例外這三種進入核心的路
- 看懂教學核心的畫面，並說出它和真實 Linux 不一樣的地方
- 判斷 printf 的內容什麼時候才真的透過 write 送出去
一行指令就能讓程式死掉，電腦卻沒事
下面這支程式讓子行程執行 x86 的 hlt 指令，這個指令的意思是「讓 CPU 停下來」。如果任何程式都能下這個指令，一支寫錯的程式就可以讓整台電腦停擺。放到真正的 Linux 上跑：
子行程被訊號 11 終止
父行程和這台電腦都還好好的
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
CPU 拒絕執行，核心把這個行程終止，其他程式照常運作。（訊號和 fork 後面的課會細講，這裡先看結果。）
這個結果背後是作業系統最基本的安排：一般程式不能直接碰硬體。原因有三個：
- 保護：程式有錯或有惡意時，不能影響別人。你的程式不能讀走另一個程式的記憶體，也不能把整顆硬碟寫壞。
- 共用：CPU、記憶體、磁碟只有一份，卻有很多程式同時要用，需要有人分配。
- 抽象：程式只要說「把這些位元組寫進這個檔案」，不用知道這顆是 SSD 還是硬碟、是哪一家的產品。
負責這些事的程式叫核心（kernel）。它也是一支程式，只是有硬體賦予的特殊權限。
使用者模式、核心模式與系統呼叫
CPU 內部記著自己目前在哪一種模式：
| 模式 | 誰在跑 | 能做什麼 |
|---|---|---|
| 使用者模式（user mode） | 你的程式、瀏覽器、Shell | 計算、讀寫自己的記憶體；碰到硬體或特權指令就會被 CPU 擋下 |
| 核心模式（kernel mode） | 核心 | 全部指令都能執行，可以操作硬體、修改任何記憶體 |
程式想開檔、印字、建立行程，都要請核心代勞。請託的方式叫系統呼叫（system call）：程式把「要做什麼」放進暫存器，執行一個特殊指令（x86-64 上就叫 syscall），CPU 切到核心模式，跳到核心事先設定好的入口；核心檢查參數與權限，做完之後切回使用者模式，把結果交還給程式。
入口位址由核心決定，程式不能自己選要跳到核心的哪一行，所以系統呼叫是使用者程式進入核心唯一由自己發起的門。
除了系統呼叫，還有兩條路會讓 CPU 進入核心：
| 進入核心的路 | 誰引發 | 例子 |
|---|---|---|
| 系統呼叫 | 程式主動要求 | read、write、fork |
| 例外（exception） | 程式執行某個指令時，CPU 自己發現問題 | 除以 0、存取不該碰的記憶體、在使用者模式下特權指令 |
| 硬體中斷（interrupt） | 程式以外的硬體 | 按下鍵盤、網路封包到了、計時器響了 |
計時器中斷特別重要：就算程式陷入無窮迴圈，核心也會定期拿回控制權，這是多工能夠運作的基礎（第 5 課）。
C 語言的
read、write是函式庫包的薄薄一層，幫你準備參數再執行syscall指令。一般程式不會直接寫那個指令，都透過函式庫呼叫。
這一軌怎麼讀 C
作業系統的介面是用 C 定義的，所以範例用 C 寫。不熟 C 沒有關係，這一軌用到的語法很少，先看這幾個：
#include <stdio.h> // 使用 printf 這類函數，要先引入宣告
int counter = 0; // 全域變數，整個程式都看得到
int main(void) { // 程式從 main 開始
int x = 5; // 區域變數
printf("x = %d\n", x); // %d 會換成整數 x，\n 是換行
int *p = &x; // &x 是 x 的位址；p 是指標，存著那個位址
*p = 7; // *p 是「p 指到的那個位置」，所以 x 變成 7
char buf[64]; // 64 個位元組的陣列
return 0; // main 的回傳值就是程式的結束碼，0 代表正常
}
三個會一直遇到的習慣：
- 指標存的是記憶體位址。系統呼叫常要你給一個位址，讓核心把結果放進去，例如
read(fd, buf, 64)就是「把讀到的資料放到buf那裡」。 NULL是不指向任何地方的指標。- 系統呼叫失敗時多半回傳 -1，原因放在全域變數
errno。真正的程式都要檢查回傳值；範例為了聚焦觀念，有時會省略。
想多了解 C 與指標，可以看 C++ 軌，指標的語法兩者相同。
教學核心是什麼，哪裡簡化了
這一軌的主角是一個在你的瀏覽器裡執行的教學核心：你寫的 C 程式會被編譯成簡化的機器指令，放到這個小核心上跑。它的行程、頁表、檔案描述子都是真的資料結構，畫面上的數字是它算出來的，不是事先做好的動畫。你也可以自己當排程器，決定下一步輪到誰。
它的目的是讓你看得見過程，所以有些地方和真實的 Linux 不同，讀的時候要記得：
| 項目 | 教學核心 | 真實的 Linux |
|---|---|---|
| 機器指令 | 簡化成 load、add、store、call、ret |
x86-64 或 ARM 的真實指令 |
| pid | 固定從 1000 開始 | 由核心分配，每次不同 |
| 記憶體位址 | 每次一樣 | 有位址隨機化，堆積與堆疊每次不同 |
| C 語言 | int、long、char、指標、陣列、函數 |
完整的 C；這裡沒有 struct、浮點數、switch |
| 時間 | 虛擬時鐘，sleep(2) 不用真的等 |
真實時間 |
| 記憶體順序 | 每個讀寫都照程式順序發生 | 多核心 CPU 可能重排，第 9 課會談 |
| 指令 | /bin/ 裡只有十個小程式：echo、cat、wc、grep、sleep、true、false、yes、ls、head |
完整的系統 |
輸出和真實 Linux 比對過，每一課也會放幾段真實 Linux 跑出來的結果，讓你知道核心之外的真實樣子。教學核心印出的 pid 和位址只在這裡有效，不要當成真實系統的值。
操作方式：
- 編譯並開始：把程式載入核心。
- 執行一步：走一個機器指令或一行程式（看「一步」的選項）。卡片上會寫著「下一步」要做什麼，以及這個行程目前的狀態。
- 跑到結束：一路跑完。
- 右邊的面板可以切換：系統呼叫列出每一次進入核心，變數與鎖顯示記憶體裡的值，記憶體是位址空間與頁表。
printf 不等於 write
剛才看到的就是 stdio 緩衝：C 標準函式庫在每個行程裡有一塊記憶體，printf 先把字放在那裡，累積到一定條件才一次呼叫 write。系統呼叫要切換模式，一個字呼叫一次太花時間，所以函式庫幫你累積。
什麼時候送出，要看 stdout 接到哪裡：
| stdout 接到 | 緩衝方式 | 什麼時候呼叫 write |
|---|---|---|
| 終端機 | 行緩衝 | 遇到換行、緩衝區滿了、fflush、程式正常結束 |
| 檔案或管線 | 全緩衝 | 緩衝區滿了、fflush、程式正常結束 |
stderr（用 fprintf(stderr, …) 輸出）預設不緩衝，因為錯誤訊息應該馬上看到。
write 不經過這個緩衝區，呼叫就直接進核心。所以 printf 和 write 混用時，順序可能和程式寫的不一樣。下面這支程式放到真正的 Linux 上跑，stdout 接到管線：
printf("1 printf\n");
write(1, "2 write\n", 8); // 1 是 stdout 的檔案描述子，8 是位元組數
printf("3 printf\n");
2 write
1 printf
3 printf
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
第 2 行先出現了，因為 1 和 3 都還在緩衝區，等到程式結束才一起送出。同一支程式在終端機上跑，順序就是 1、2、3。這也是為什麼程式在終端機看起來正常，輸出導到檔案之後順序卻變了。
真實的 Linux 長什麼樣子
同樣用 getpid 和系統提供的資訊，在真正的 Linux 上查一次。uname 回報核心版本，sysconf(_SC_PAGESIZE) 回報記憶體分頁大小，/proc/self/maps 是核心提供的虛擬檔案，內容是這個行程的位址空間。這個檔案每一行是位址範圍、權限、位移、裝置、inode、名稱，為了容易閱讀，程式只印出起始位址、權限和名稱：
pid = 2
kernel = Linux 7.0.0-1014-aws x86_64
page size = 4096 bytes
--- /proc/self/maps ---
00400000 r--p output.s
00401000 r-xp output.s
00402000 r--p output.s
00403000 r--p output.s
00404000 rw-p output.s
03e8a000 rw-p [heap]
704652e00000 r--p libc.so.6
704652e28000 r-xp libc.so.6
704652fb1000 r--p libc.so.6
704653000000 r--p libc.so.6
704653004000 rw-p libc.so.6
704653006000 rw-p
7046531d5000 rw-p
7046531da000 r--p [vvar]
7046531de000 r--p [vvar_vclock]
7046531e0000 r-xp [vdso]
7046531e2000 r--p ld-linux-x86-64.so.2
7046531e3000 r-xp ld-linux-x86-64.so.2
70465320e000 r--p ld-linux-x86-64.so.2
704653218000 r--p ld-linux-x86-64.so.2
70465321a000 rw-p ld-linux-x86-64.so.2
7ffe9d132000 rw-p [stack]
ffffffffff600000 --xp [vsyscall]
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
幾個可以對照的地方：
- pid 是 2：這個環境跑在容器裡，看到的行程編號是獨立的一組（第 18 課）。一般的 Linux 上會是比較大的數字。
- 每一行是一段位址，權限欄的
r、w、x是能不能讀、寫、執行：r-xp是程式碼，rw-p是可以寫的資料。可以看到[heap]和[stack]。output.s是這個環境編譯出來的執行檔。教學核心的「記憶體」面板列的是同樣的資訊，第 12 課會逐段細看。 libc.so.6是 C 函式庫，printf就在裡面。[vdso]是核心放進每個行程的一小段程式。查時間這類很頻繁的呼叫可以直接在使用者模式完成，省下切換模式的成本。
位址隨機化也可以直接看到。同一支程式連跑三次，印出全域變數、堆積、堆疊的位址：
第 1 次：global 0x404020 heap 0x3e0172a0 stack 0x7fffbd774fa4
第 2 次：global 0x404020 heap 0x3a6962a0 stack 0x7fffd7f46de4
第 3 次：global 0x404020 heap 0x305f72a0 stack 0x7ffc6ca07df4
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
堆積和堆疊每次都不同，讓攻擊者比較難猜到位址。這個環境編譯出的全域變數位址固定，一般發行版預設的編譯方式連程式本身的位址也會隨機。教學核心沒有這個機制，所以每次跑結果都一樣，方便你對照。
在自己的 Linux 或 WSL 上，
strace ./程式可以列出這支程式做的每一個系統呼叫，和練習裡的面板是同一個概念，只是真實程式啟動時載入函式庫也會有很多呼叫。
確認一下
程式在使用者模式下執行 hlt 這類特權指令，會發生什麼事？
下面哪一個函數通常不需要進入核心就能完成？
在終端機上執行這段程式，這 60 秒內畫面會看到什麼？
printf("a");
sleep(60);
printf("b\n");
執行 ./main > out.txt（stdout 接到檔案），out.txt 的內容順序是什麼？
printf("1\n");
write(1, "2\n", 2);
printf("3\n");
下面哪一件事的來源是硬體中斷？
重點整理
- CPU 有使用者模式與核心模式。一般程式跑在使用者模式，碰硬體或執行特權指令會被擋下。
- 進入核心有三條路：系統呼叫（程式主動）、例外（指令出問題）、硬體中斷（外部硬體）。程式能主動走的只有系統呼叫，入口由核心決定。
printf是函式庫函數，先放進行程自己的緩衝區；write才是系統呼叫。接到終端機是行緩衝，接到檔案或管線是全緩衝。- 教學核心用真的資料結構執行你的程式，但指令、位址、pid、時間都簡化過；真實系統的值要看真實輸出。
下一課看一支程式跑起來之後，核心用什麼資料記住它：行程、PCB 與狀態。