前言
择日不如撞日，想学东西不能拖，那就今天开始学内核！
这个系列的文章主要学习 OS X 和 iOS 操作系统的原理，主要关注 Darwin 核心，学习用书《Mac OS X and iOS Internals: To the Apple’s Core》。
如果要学习 iOS 的操作系统原理，需要一部越狱手机，因为，非越狱机无法获取 Root 权限。
概述
本篇文章主要介绍 OS X 和 iOS 操作系统的基本架构，只是架构概览，读完本文希望读者能有个简单的架构脉络。
基本架构
用户态
用户体验层
应用程序框架
核心框架
Darwin
Darwin 是操作系统的类 UNIX 核心，本身由内核（kernel）、XNU（X is not UNIX 的递归缩写，类似 GNU 的递归缩写）和运行时组成的。OS X 的 Darwin 是开源的，而 iOS 中的 Darwin 是 ARM 上的移植，这个 Darwin 是不开源的。
Darwin 上层
libSystem.B.dylib, libc.dylib, libm.dylib 与其他 Darwin 库
内核态／用户态转换
BSD
“柏克莱软件套件（英语：Berkeley Software Distribution，缩写为 BSD），也被称为柏克莱 Unix（Berkeley Unix），是一个操作系统的名称。衍生自 Unix（类Unix），1970年代由伯克利加州大学的学生比尔·乔伊（Bill Joy）开创，也被用来代表其衍生出的各种套件。
BSD 常被当作工作站级别的 Unix 系统，这得归功于 BSD 用户许可证非常地宽松，许多1980年代成立的计算机公司，不少都从 BSD 中获益，比较著名的例子如 DEC 的 Ultrix，以及 Sun 公司的 SunOS。1990年代，BSD很大程度上被 System V 4.x 版以及 OSF/1 系统所取代，但其开源版本被采用，促进了因特网的开发。” —— Wiki
mack_trap_table
安全组件
调度
虚拟内存
虚拟文件交换
网络
I/O Kit 和 kext
Mach 抽象层
调度
IPC
VM
硬件
机器相关代码； ml_*APIs； Platform Expert
硬件设备
用户态
用户体验层
比如，Spotlight ， Siri 等。
应用框架层
包括 Cocoa、Carbon 和 Java。而在 iOS 中只有 Cocoa Touch（Cocoa 的衍生品）。
比如， Mac App 和 iOS App 开发都需要用到 Cocoa 或 Cocoa Touch 的框架。
核心框架
包括核心框架、OpenGL 等
Darwin —— UNIX 核心
Shell
OS X 的 Terminal 支持以下几种 Shell 命令。在 GitHub 可以安装 “oh my zsh!”， 一个非常赞的开源 zsh 的配置管理框架。
/bin/sh
/bin/bash
/bin/csh
/bin/tcsh
/bin/ksh
/bin/zsh(oh my zsh!)
文件系统
Mac OS X 采用了 Hierarchical File System Plus (HFS+) 文件系统。
iOS 采用的是 HFSX 文件系统。
系统目录
OS X 中的 UNIX 标准目录
/bin： UNIX 中的二进制程序
/sbin： 系统程序
/usr： User 目录
/usr/bin
/usr/lib 共享的目标文件(动态链接库)
/usr/sbin
/etc
/dev： BSD 设备文件
/tmp
/var
OS X 中的 UNIX 特有目录
/Applications
/Developer
/Library
/Network
/System
/Users
/Volumes
/Cores
iOS 文件系统与 Mac OS X 文件系统的区别
HFSX 是大小写敏感的，且文件系统是部分加密的
iOS 没有 /Users 目录
iOS 没有 /Volumes 目录
iOS 的 /Developer 只有在设备被 Xcode 选中为“Use for development”时才会出现。
库
OS X 的动态链接库存储在 /usr/lib 目录下，库文件使用 .dylib 作为后缀。查看 /usr/lib 下的库
➜ NYSpace ls -l /usr/lib | grep ^l | grep libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 17 Dec 3 2015 libSystem.dylib -> libSystem.B.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libc.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libdbm.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libdl.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libinfo.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libm.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libmx.A.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libmx.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libpoll.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libproc.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 libpthread.dylib -> libSystem.dyliblrwxr-xr-x 1 root wheel 15 Dec 3 2015 librpcsvc.dylib -> libSystem.dylib
从以上输出可以看出， /usr/lib 中的库实际上都是由 libSystem.dylib 实现的。
再通过 otool 查看 libSystem 库的依赖关系
➜ lib otool -L libSystem.B.dyliblibSystem.B.dylib: /usr/lib/libSystem.B.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1226.10.1) /usr/lib/system/libcache.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 75.0.0) /usr/lib/system/libcommonCrypto.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 60075.50.1) /usr/lib/system/libcompiler_rt.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 62.0.0) /usr/lib/system/libcopyfile.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0) /usr/lib/system/libcorecrypto.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 335.50.1) /usr/lib/system/libdispatch.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 501.40.12) /usr/lib/system/libdyld.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 360.22.0) /usr/lib/system/libkeymgr.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 28.0.0) /usr/lib/system/liblaunch.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 765.50.8) /usr/lib/system/libmacho.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 875.1.0) /usr/lib/system/libquarantine.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 80.0.0) /usr/lib/system/libremovefile.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 41.0.0) /usr/lib/system/libsystem_asl.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 323.50.1) /usr/lib/system/libsystem_blocks.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 65.0.0) /usr/lib/system/libsystem_c.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1082.60.1) /usr/lib/system/libsystem_configuration.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 802.40.13) /usr/lib/system/libsystem_coreservices.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 19.2.0) /usr/lib/system/libsystem_coretls.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 83.40.5) /usr/lib/system/libsystem_dnssd.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 625.60.4) /usr/lib/system/libsystem_info.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 477.50.4) /usr/lib/system/libsystem_kernel.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 3248.60.11) /usr/lib/system/libsystem_m.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 3105.0.0) /usr/lib/system/libsystem_malloc.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 67.40.1) /usr/lib/system/libsystem_network.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 583.50.1) /usr/lib/system/libsystem_networkextension.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0) /usr/lib/system/libsystem_notify.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 150.40.1) /usr/lib/system/libsystem_platform.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 74.40.2) /usr/lib/system/libsystem_pthread.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 138.10.4) /usr/lib/system/libsystem_sandbox.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 460.60.2) /usr/lib/system/libsystem_secinit.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 20.0.0) /usr/lib/system/libsystem_trace.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 201.10.3) /usr/lib/system/libunc.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 29.0.0) /usr/lib/system/libunwind.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 35.3.0) /usr/lib/system/libxpc.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 765.50.8)
BSD/Mach 原生程序
由于 OS X 兼容 POSIX，所以应用程序移植很方便。
系统调用
POSIX
“可移植操作系统接口（英语：Portable Operating System Interface of UNIX，缩写为POSIX），是IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行软件，而定义API的一系列互相关联的标准的总称，其正式称呼为IEEE Std 1003，而国际标准名称为ISO/IEC 9945。此标准源于一个大约开始于1985年的项目。POSIX这个名称是由理查德·斯托曼应IEEE的要求而提议的一个易于记忆的名称。它基本上是Portable Operating System Interface（可移植操作系统接口）的缩写，而X则表明其对Unix API的传承。
当前的POSIX主要分为四个部分[3]：Base Definitions、System Interfaces、Shell and Utilities和Rationale。” —— Wiki
Mach 系统调用
OS X 实在 Mach 内核基础上构建的，是 NeXTSTEP 的遗产，BSD 层是对 Mach 内核的封装，但是 Mach 系统调用仍然可以在用户态访问。
用 otool 查看 x86_64 上动态链接库 libSystem.B.dylib 的实现.(otool 是 OS X 的查看 Mach-O )
➜ lib otool -arch x86_64 -tV /usr/lib/libSystem.B.dylib | more/usr/lib/libSystem.B.dylib:(__TEXT,__text) section_libSystem_initializer:0000000000001989 pushq %rbp000000000000198a movq %rsp, %rbp000000000000198d pushq %r15000000000000198f pushq %r140000000000001991 pushq %rbx0000000000001992 pushq %rax0000000000001993 movq %r8, %r140000000000001996 movq %rcx, %r150000000000001999 movq %rdx, %rbx000000000000199c leaq _libSystem_initializer.libkernel_funcs(%rip), %rdi00000000000019a3 movq %rbx, %rsi00000000000019a6 movq %r15, %rdx00000000000019a9 movq %r14, %rcx00000000000019ac callq 0x1bda ## symbol stub for: ___libkernel_init00000000000019b1 xorl %edi, %edi00000000000019b3 movq %rbx, %rsi00000000000019b6 movq %r15, %rdx00000000000019b9 movq %r14, %rcx00000000000019bc callq 0x1c58 ## symbol stub for: ___libplatform_init00000000000019c1 leaq _libSystem_initializer.libpthread_funcs(%rip), %rdi00000000000019c8 movq %rbx, %rsi00000000000019cb movq %r15, %rdx00000000000019ce movq %r14, %rcx00000000000019d1 callq 0x1c5e ## symbol stub for: ___pthread_init00000000000019d6 leaq _libSystem_initializer.libc_funcs(%rip), %rdi00000000000019dd movq %rbx, %rsi00000000000019e0 movq %r15, %rdx00000000000019e3 movq %r14, %rcx00000000000019e6 callq 0x1b98 ## symbol stub for: __libc_initializer00000000000019eb movq %r15, %rdi00000000000019ee callq 0x1c34 ## symbol stub for: ___malloc_init00000000000019f3 callq 0x1b86 ## symbol stub for: ___keymgr_initializer00000000000019f8 callq 0x1b7a ## symbol stub for: __dyld_initializer00000000000019fd callq 0x1b6e ## symbol stub for: _libdispatch_init
XNU
XNU 是 Darwin 的核心，也是整个 OS X 的核心。
Mach
进程和线程抽象
虚拟内存管理
任务调度
进程间通信和消息传递机制
BSD 层
UNIX 进程模型
POSIX 线程模型(Pthread)及其相关的同步原语
UNIX 用户和组
网络协议栈(BSD socket API)
文件系统访问
设备访问（通过 /dev 目录访问）
libkern
大部分内核是利用 C 语言和底层汇编并编写的。
I/O Kit
苹果对 XNU 最重要的修改是引入了 I/O Kit 设备驱动程序框架。
小结
本篇文章主要学习了 OS X 的基本结构，如下图所示