了解 macOS、iOS 及其衍生系统的稳定性和安全性：架构和资源管理详解
- Claude Paugh
- 11月26日
- 讀畢需時 6 分鐘
苹果的操作系统，包括macOS 、 iOS 、 iPadOS和watchOS ，以其稳定性和安全性而闻名。这并非偶然。其成功源于精心设计的安全架构和资源管理系统，该系统严格控制着这些操作系统如何处理进程、内存和硬件访问。了解这些系统，就能明白为什么苹果的平台即使在高负载下也能保持强大的安全性和流畅的性能。
本文探讨了macOS及其衍生版本稳定性和安全性的核心要素。文章涵盖了确保这些系统可靠性和安全性的安全架构、资源治理、多线程管理和进程控制。
苹果操作系统安全架构的基础
苹果的操作系统基于Unix原则构建，拥有共同的基础，这为安全性和稳定性提供了坚实的基础。macOS及其衍生版本采用分层安全模型，其中包括：
内核级保护
应用程序沙盒
系统完整性保护 (SIP)
强制代码签名
数据加密和安全启动
内核级保护
内核还实现了强制访问控制，根据进程的权限限制其可以执行的操作。这可以最大限度地减少受感染或恶意软件造成的损害。
沙盒应用程序
苹果广泛使用沙盒技术来隔离应用程序，使其彼此独立，并与敏感的系统组件隔离。每个应用程序都在一个受限环境中运行，对文件、网络资源和硬件的访问权限都受到限制。这种隔离机制降低了应用程序之间相互干扰或未经授权访问私人数据的风险。
例如，iOS 应用的沙盒机制非常严格，除非通过受控 API 明确授权，否则它们无法访问其他应用的数据或系统文件。这种模式也适用于 macOS 和 iPadOS，从而确保跨设备的安全性一致。
系统完整性保护 (SIP)
macOS 中引入的系统完整性保护机制 (SIP) 可防止即使是 root 用户也无法修改关键系统文件和目录。它通过锁定系统组件来保护操作系统免受恶意软件和意外损坏。SIP 对内核扩展和系统二进制文件实施限制，使未经授权的代码更难以最高权限运行。
强制代码签名
所有在苹果平台上运行的可执行代码都必须由受信任的开发者证书签名。这项要求确保只有经过验证的软件才能运行，从而降低恶意软件的风险。系统会在启动和更新时验证签名，阻止未签名或篡改的代码运行。
数据加密和安全启动
苹果设备采用硬件级加密技术保护静态数据。安全隔离区协处理器安全地管理加密密钥和生物识别数据。安全启动确保启动时仅加载受信任的操作系统软件，从而防止底层攻击。
操作系统如何管理资源
资源管理是确保系统稳定性和安全性的关键。苹果的操作系统会精心控制 CPU、内存、存储和网络资源，以防止滥用并确保系统流畅运行。
内存管理和保护
内存被划分为多个受保护的区域。内核管理虚拟内存，为每个进程分配独立的地址空间。这种隔离机制可以防止进程间相互读写内存，从而避免常见的安全漏洞。
macOS 和 iOS 系统使用地址空间布局随机化 (ASLR) 技术来随机化系统组件和应用程序的内存位置。这使得攻击者更难预测代码或数据的位置，从而降低了攻击的有效性。
CPU和进程调度
内核负责调度进程和线程，使其高效地在 CPU 上运行。它采用基于优先级的调度机制，确保关键系统任务优先于次要任务获得 CPU 时间。这可以防止资源匮乏，并保持系统响应迅速。
进程可以创建多个线程来并发执行任务。内核负责管理这些线程，并在 CPU 核心之间平衡负载。这种多线程支持既能提升性能，又能保持系统稳定性。
文件系统和存储控制
苹果的文件系统，macOS 和 iOS 版本均采用 APFS，内置加密和快照功能。该系统通过权限和沙盒机制控制文件访问，防止未经授权的读写操作。
存储配额和限制可防止应用程序占用过多磁盘空间，从而避免系统性能下降或导致崩溃。
网络资源管理
网络访问受到严格控制。应用程序必须请求权限才能使用网络服务，系统会监控网络活动以检测可疑行为。防火墙和隐私控制有助于防止未经授权的数据传输。
苹果操作系统中的多线程处理
多线程技术允许应用程序和系统进程同时执行多个任务。苹果的操作系统通过内核级线程管理和高级API相结合的方式来处理这一问题。
内核线程管理
XNU 内核将线程作为轻量级进程进行管理，并调度到 CPU 核心上。它支持抢占式多任务处理，这意味着内核可以中断正在运行的线程并切换到另一个线程，从而确保 CPU 时间的公平分配。
线程具有优先级，并可以根据服务质量进行分组，这些分组会影响调度决策。例如，用户界面线程具有更高的优先级，以保持应用程序的响应速度。
中央调度中心（GCD）
苹果公司推出了 Grand Central Dispatch (GCD)，旨在简化开发者的多线程开发。GCD 管理线程池和队列，使开发者能够提交任务而无需担心线程的创建或同步问题。
GCD 通过在 CPU 核心间高效分配工作负载并最大限度地减少线程争用来提高性能。它还有助于避免常见的多线程错误，例如死锁和竞态条件。
操作队列和 NSOperation
NSOperation 和 Operation Queues 等更高级的 API 基于 GCD 构建，能够更好地控制任务依赖关系和执行顺序。这些工具可以帮助开发者编写更易于维护和调试的并发代码。
macOS及其衍生版本中的进程资源控制
苹果的操作系统对进程如何使用系统资源实施严格的控制，以维护稳定性和安全性。
资源限制
系统会为每个进程设置 CPU 使用率、内存分配和文件描述符数量的限制。这些限制可以防止任何单个应用程序占用过多资源或导致系统崩溃。
例如，iOS 会根据设备性能对应用程序的内存使用量进行限制。如果应用程序超出限制，系统可能会终止该应用程序以释放资源。
应用沙盒和权限
每个应用都运行在一组权限范围内，这些权限定义了它可以访问哪些系统资源。这些权限在应用签名期间授予，并由苹果应用商店审核。
沙盒机制结合权限控制，限制应用程序在未经明确许可的情况下访问硬件功能、用户数据或系统服务。这可以减少攻击面并保护用户隐私。
后台执行控制
为了节省电量并提升性能，iOS 和 iPadOS 会限制应用程序的后台运行时间。应用程序可以申请特定的后台模式，但系统会监控并暂停滥用后台资源的应用程序。
macOS 还使用 App Nap 来减少在后台运行的应用程序或最小化窗口中的资源占用。
系统监控与诊断
苹果的操作系统内置了用于监控资源使用情况和检测异常的工具。该系统可以记录崩溃、内存泄漏和 CPU 使用率过高等问题，帮助开发者提升应用稳定性。
稳定与安全的实际案例
App Store 审核流程
苹果严格的应用程序审核流程强制执行代码签名、沙盒和权限控制。这降低了恶意软件的风险，并确保应用程序在资源限制范围内良好运行。
内存压力处理
当内存不足时，iOS 和 macOS 会积极释放缓存并终止后台应用程序，以保持系统响应迅速。
安全隔离区使用
在具有安全隔离区的设备上，Face ID 和 Touch ID 等敏感操作在隔离的硬件中运行，从而保护生物识别数据免受软件攻击。
自动更新
苹果公司会定期推送安全补丁和系统更新，以修复漏洞并改进资源管理，而无需用户干预。
macOS及其衍生版本的稳定性和安全性源于强大的基于Unix的内核、严格的进程隔离、受控的资源访问以及现代多线程技术的结合。这些系统协同工作，保护用户数据，防止恶意活动，并确保设备流畅运行。
