OS là gì?
Kernel & System Calls

1.1 OS là gì?

Operating System (OS) là phần mềm đứng giữa phần cứng và ứng dụng. Nó là "lớp trung gian" cung cấp:

• Trừu tượng hoá phần cứng: app không cần biết RAM hãng nào, ổ cứng giao thức gì — chỉ cần gọi read/write
• Quản lý tài nguyên: chia CPU, RAM, disk, network cho nhiều process công bằng
• Bảo vệ & cô lập: process này không thể "đọc trộm" RAM của process khác hoặc làm crash hệ thống
• Cung cấp API thống nhất: open/close/read/write — cùng API cho file, socket, device

Không có OS, mỗi app sẽ phải tự viết code điều khiển từng loại phần cứng — chuyện không tưởng. OS giải quyết bài toán đó một lần.

1.2 4 chức năng chính của OS

1. Process Management: tạo, hủy, lập lịch, đồng bộ, giao tiếp giữa các process. Đây là chương 2-7 của giáo trình.
2. Memory Management: cấp phát RAM cho process, tạo virtual memory, paging, swap. Chương 8-9.
3. File System & Storage: tổ chức dữ liệu trên disk, file/directory, permission. Chương 10.
4. I/O & Device Driver: giao tiếp với keyboard, mouse, disk, network, GPU thông qua driver. Liên quan chương 10.

OS hiện đại còn có: networking stack, security/permission, virtualization (KVM, container), GUI...

1.3 User Space vs Kernel Space

Đây là khái niệm cốt lõi của OS. CPU hỗ trợ ít nhất 2 mức privilege (chế độ thực thi):

CPU mode bit (1 flag trong CPU register) xác định đang chạy mode nào. Khi syscall, CPU tự động chuyển từ user mode sang kernel mode (mode switch). Khi kernel xử lý xong, chuyển ngược lại.

1.4 System Call — cầu nối user và kernel

User app không thể tự đọc/ghi disk, gửi packet network, tạo process — vì những việc đó đòi hỏi quyền kernel. Vậy app làm cách nào?

Câu trả lời: System Call (syscall). App "yêu cầu" kernel làm việc thay mình bằng cách gọi syscall. Đây là cánh cửa duy nhất giữa user space và kernel.

// Trong C, mọi I/O đều qua syscall
#include <unistd.h>
int main() {
    write(1, "Hello\n", 6);  // syscall write(fd, buf, count)
    return 0;
}

Khi gọi write:

1. App đặt syscall number (vd 1 cho write trên Linux x86_64) vào CPU register
2. App đặt arguments vào các register khác
3. App thực thi instruction syscall (hoặc int 0x80 trên 32-bit)
4. CPU tự động: lưu user state, chuyển sang kernel mode, nhảy đến syscall handler
5. Kernel tra bảng syscall, gọi hàm tương ứng (vd sys_write)
6. Kernel thực hiện công việc (ghi vào terminal, vào file...)
7. Kernel restore user state, chuyển về user mode
8. App tiếp tục chạy

Trong JavaScript / Node.js?

// Mọi I/O trong Node đều cuối cùng cũng là syscall
const fs = require('fs');
fs.writeFileSync('/tmp/hello.txt', 'Hi!');
// Node → libuv → C call write() → kernel sys_write() → device driver → disk

Khi bạn dùng console.log, fs.readFile, http.get — tất cả cuối cùng đều là syscall.

1.5 Syscall Lifecycle — chi tiết

Tốn bao nhiêu thời gian? 1 syscall trên CPU hiện đại tốn ~100-300 nanoseconds. Nghe nhanh, nhưng nếu app gọi syscall trong vòng lặp triệu lần, có thể trở thành bottleneck. Đây là lý do fwrite (buffered) nhanh hơn write (unbuffered) — nó gom nhiều thao tác thành 1 syscall.

1.6 Common Syscalls — phải biết

Linux x86_64 có ~330 syscalls. Bạn không cần thuộc hết — hiểu top 20 là đủ.

1.7 Trace syscall thực tế với strace

strace là công cụ Linux ghi lại mọi syscall mà 1 process gọi. Cực hữu ích để debug và học OS.

# Trace lệnh ls
strace ls /tmp 2>&1 | head -30

# Output (đã rút gọn):
execve("/usr/bin/ls", ["ls", "/tmp"], 0x...) = 0
brk(NULL)                               = 0x...
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY) = 3
read(3, "...", 832)                     = 832
close(3)                                = 0
openat(AT_FDCWD, "/lib64/libc.so.6", O_RDONLY) = 3
mmap(NULL, 145296, PROT_READ, ...)      = 0x...
...
openat(AT_FDCWD, "/tmp", O_RDONLY|O_NONBLOCK|O_CLOEXEC|O_DIRECTORY) = 3
getdents64(3, /* 5 entries */, 32768)   = 144
write(1, "file1.txt  file2.txt\n", 21)  = 21
close(3)                                = 0
exit_group(0)                           = ?

Bạn thấy gì? Một lệnh ls đơn giản gọi mấy chục syscall: load shared library, mở thư mục, read entries, in ra stdout, đóng.

Filter syscall theo tên

# Chỉ trace syscall liên quan đến file
strace -e openat,read,write,close ls /tmp

# Trace + đếm số lần mỗi syscall
strace -c ls /tmp
# % time     seconds  usecs/call     calls    errors syscall
# ------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
#  25.00    0.000125          12        10           openat
#  20.00    0.000100          11         9           mmap
#  ...

Trên macOS: dtrace / dtruss

# macOS không có strace, dùng dtruss (cần sudo + SIP off một phần)
sudo dtruss ls /tmp 2>&1 | head -20

1.8 Monolithic vs Microkernel

Monolithic Kernel

Toàn bộ OS (scheduler, memory, FS, driver, network stack) chạy trong một không gian kernel duy nhất.

• Ưu: nhanh — gọi function trong cùng kernel = direct call
• Nhược: bug ở bất kỳ component nào = kernel panic toàn hệ
• Ví dụ: Linux, BSD, Windows NT (hybrid nhưng nghiêng monolithic)

Microkernel

Kernel chỉ giữ tối thiểu: scheduler, IPC, memory cơ bản. Các service khác (FS, driver, network) chạy ở user space.

• Ưu: độ tin cậy cao — driver crash không sập kernel; dễ test/verify (vd seL4 đã được formal verify)
• Nhược: chậm hơn — gọi service phải qua IPC
• Ví dụ: Minix, QNX, seL4, MINIX-based Intel ME

Hybrid Kernel

Cố trộn ưu điểm cả hai. macOS XNU, Windows NT.

1.9 Boot Process — máy khởi động thế nào?

Từ lúc bạn bấm nút Power đến khi shell hiện ra:

1. BIOS/UEFI chạy từ ROM trên mainboard. Kiểm tra hardware (POST), tìm boot device.
2. Bootloader (vd GRUB) load từ MBR/EFI partition. Hiển thị menu chọn OS, load kernel image vào RAM.
3. Kernel bắt đầu chạy: khởi tạo memory, detect hardware, load drivers, mount root filesystem.
4. init/systemd (PID 1) chạy. Đây là process đầu tiên ở user space, làm parent cho mọi process khác. Khởi động services (cron, network, sshd...).
5. Login screen hoặc shell hiện ra. Bạn đăng nhập, getty/login spawn shell.

# Xem PID 1 trên Linux
ps -p 1 -o comm=
# Output: systemd  (hoặc init trên hệ cổ)

# Toàn bộ process tree
ps auxf | head -20

Bài tập

Tổng kết chương 1

• ✅ OS = lớp trung gian giữa app và hardware; 4 chức năng: process, memory, file, I/O
• ✅ User space (app, ring 3) vs Kernel space (kernel, ring 0)
• ✅ System call = cánh cửa duy nhất giữa hai thế giới
• ✅ Mode switch ≠ Context switch
• ✅ Common syscalls: fork, execve, open, read, write, mmap, pipe, socket
• ✅ strace để quan sát syscall thật
• ✅ Monolithic (Linux) vs Microkernel (seL4) — đánh đổi tốc độ vs an toàn
• ✅ Boot: BIOS → bootloader → kernel → init/systemd → shell