了解操作系統(tǒng)的那些事兒，從這篇文章開始

不懂計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也能寫程序，這是不爭的事實(shí)。但是我們「學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)并非是為了去創(chuàng)造一個(gè)操作系統(tǒng)，而是為了理解操作系統(tǒng)之后寫出更好的程序」。

全文脈絡(luò)思維導(dǎo)圖如下：

1. 什么是操作系統(tǒng)

了解什么是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是干什么用的，我們還需要從操作系統(tǒng)的需求起源開始說起。

1946 年，「世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)埃尼阿克（ENIAC）「在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生，用了 18000 個(gè)電子管，占地 170 平方米，重達(dá) 30 噸。最恐怖的是，ENIAC 或者說」早期的計(jì)算機(jī)是沒有操作系統(tǒng)的」，運(yùn)轉(zhuǎn)這個(gè) 170 平方米的龐然大物全靠工程師們的手動(dòng)操作。大概是種什么感覺呢？請(qǐng)看下圖：

圖中遍布整個(gè)房間的大機(jī)器就是 ENIAC，從照片中我們可以看到一名操作人員正在手動(dòng)調(diào)整一個(gè)按鈕，而像這樣的按鈕，整個(gè)房間內(nèi)有成千上萬個(gè)！可想而知，沒有操作系統(tǒng)的時(shí)代，工程師們都需要直接面對(duì)這種反人類的硬件面板進(jìn)行操作，運(yùn)轉(zhuǎn)并維護(hù)一個(gè)計(jì)算機(jī)付出的人力成本簡直無法想象。

由此，引出了操作系統(tǒng)最主要的功能之一：「對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行管理、分配和調(diào)度?！?/strong>

有了操作系統(tǒng)之后，某個(gè)程序需要占據(jù)多少內(nèi)存，具體分配哪個(gè)內(nèi)存空間；只有一個(gè) CPU，如何同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序等，用戶都無需關(guān)心，更不需要去學(xué)習(xí)那些晦澀難懂的底層專業(yè)知識(shí)比如數(shù)字電路邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理等，這一切都交給操作系統(tǒng)就好！

也就是說，「操作系統(tǒng)將所有的底層硬件封裝成一個(gè)黑盒子」，用戶直接向操作系統(tǒng)發(fā)送指令，即可完成與底層硬件的交互。

那么，操作系統(tǒng)到底是何方神圣？我們先來看看「早期的操作系統(tǒng) Disk Operating System，DOS」（磁盤操作系統(tǒng)） 長什么樣：

有同學(xué)就說這不就是我們使用的 cmd 命令行，沒有錯(cuò)，但是，它是整個(gè)屏幕都是這樣的界面，全屏都是！而不是某一個(gè)對(duì)話框里面是這樣。

顯然，DOS 這種通過鍵盤輸入命令的操作方式已經(jīng)比我們手動(dòng)調(diào)整按鈕、連接線路要簡單得多。但是，這樣的命令行界面（CLI）必定無法符合大部分用戶的口味，于是后來擁有良好圖形界面（GUI）的操作系統(tǒng)比如 Windows 逐漸成為主流，畢竟只需通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊就能進(jìn)行操作，門檻已經(jīng)足夠的低。

由此可見，一個(gè)操作系統(tǒng)的操作方式和界面的美觀程度對(duì)于用戶來說是非常重要的。

這就引出了操作系統(tǒng)的第二個(gè)主要功能：「為用戶提供一個(gè)友好、清晰且簡單的操作界面」（專業(yè)的叫法是 「殼 Shell」），用戶通過 Shell 執(zhí)行該操作系統(tǒng)提供的所有的功能。對(duì)于命令行來說，就需要提供足夠多的命令；對(duì)于圖形界面來說，就需要提供足夠多數(shù)量的按鈕。

? 總結(jié)一下：操作系統(tǒng)本質(zhì)上是運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的軟件/程序，作為硬件基礎(chǔ)上的第一層軟件，操作系統(tǒng)是硬件和各種軟件溝通的橋梁。其功能大致可分為兩個(gè)部分：

• 「管理計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源」
• 「向用戶提供一個(gè)與系統(tǒng)交互的操作界面」

2. 計(jì)算機(jī)硬件簡單介紹

為了能夠工作，操作系統(tǒng)必須了解大量的硬件，至少需要了解硬件如何面對(duì)程序員。出于這個(gè)原因，這里我們先簡單介紹現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)中的硬件，然后再討論操作系統(tǒng)中的細(xì)節(jié)。

一臺(tái)簡單的個(gè)人計(jì)算機(jī)可以抽象為類似于下圖中的模型：

CPU、內(nèi)存以及 I/O 設(shè)備都由一條系統(tǒng)總線連接起來并通過總線與其他設(shè)備通信。

處理器

所謂處理器也就是我們常說的 CPU，它是計(jì)算機(jī)的「大腦」。CPU 從內(nèi)存中提取指令并執(zhí)行它。一個(gè) CPU 的執(zhí)行周期是從內(nèi)存中提取一條指令、解碼并決定它的類型和操作數(shù)，接著執(zhí)行之，然后再提取、解碼并執(zhí)行下一條指令。重復(fù)該循環(huán)直到程序運(yùn)行完畢。

簡單來說，大家記住這句話就行：「一個(gè)程序需要放入內(nèi)存并給它分配 CPU 才能執(zhí)行」。

存儲(chǔ)器

計(jì)算機(jī)中第二個(gè)主要的組件就是存儲(chǔ)器。「理想情況下」，存儲(chǔ)器應(yīng)該「非?？焖佟?/strong>，比執(zhí)行一條指令要快，從而使得 CPU 的執(zhí)行效率不會(huì)收到存儲(chǔ)器的影響，而且「足夠大且非常便宜」。

但是目前的技術(shù)手段無法同時(shí)滿足這三個(gè)目標(biāo)，于是出現(xiàn)了不同的處理方式。存儲(chǔ)器系統(tǒng)采用一種分層次的結(jié)構(gòu)，如下圖所示，「頂層的存儲(chǔ)器速度最快、容量最小、成本最高，越往下層存儲(chǔ)器的速度越慢、容量越大、成本也越低」。

為什么訪問「寄存器」的速度這么快呢？那是因?yàn)榧拇嫫鞯牟牧虾?CPU 是相同的，所以和訪問 CPU 比起來幾乎是沒有時(shí)延的。

寄存器的下一個(gè)層次是「緩存」，想必大家并不陌生，通常緩存的使用會(huì)帶來性能上的改善。操作系統(tǒng)一直都在使用緩存，比如說在內(nèi)存中保留頻繁使用的文件，以避免從磁盤上重復(fù)地調(diào)取這些文件。

再往下一層就是「內(nèi)存」，也稱「主存」，通常被稱為「隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器」（Random Access Memory，「RAM」）。所有不能在緩存中得到滿足的訪問請(qǐng)求都會(huì)轉(zhuǎn)往內(nèi)存。

除了內(nèi)存 RAM 之外，許多計(jì)算機(jī)還具有少量的「非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器」（Read Only Memory，「ROM」）。它們與 RAM 不同，在電源斷電后，ROM 并不會(huì)丟失內(nèi)容，其中的內(nèi)容一旦存儲(chǔ)后就不會(huì)再被修改。而且 ROM 非?？於冶阋?。

下一個(gè)層次是「磁盤」，其容量更大，磁盤唯一的問題就是隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)的時(shí)間比內(nèi)存大約慢了三個(gè)數(shù)量級(jí)，其低速的原因是因?yàn)?strong style="color: rgb(239, 112, 80);">「磁盤是一種機(jī)械裝置并且擁有一種特殊的構(gòu)造」，如下圖所示：

在一個(gè)磁盤中有一個(gè)或多個(gè)金屬「盤片」，它們以 5400、7200、10800 rpm 或更高的速度旋轉(zhuǎn)。從邊緣開始有一個(gè)「機(jī)械臂」懸橫在盤面上，這種情形大伙可以回想一下老式的播放塑料唱片機(jī)。信息會(huì)寫在磁盤一系列的同心圓上。在任意一個(gè)給定臂的位置，每個(gè)「磁頭」可以讀取一段環(huán)形區(qū)域，稱為「磁道」（track）。把一個(gè)給定臂的位置上的所有磁道合并起來，就組成了一個(gè)「柱面」（cylinder）。

每個(gè)磁道劃分若干「扇區(qū)」，扇區(qū)的值是 512 字節(jié)。在現(xiàn)代磁盤中，較外部的柱面比較內(nèi)部的柱面有更多的扇區(qū)。機(jī)械臂從一個(gè)柱面移動(dòng)到相鄰的柱面大約需要 1ms。而隨機(jī)移到一個(gè)柱面的典型時(shí)間為 5ms 至 10ms，其具體時(shí)間取決于驅(qū)動(dòng)器。磁臂到達(dá)正確的磁道上后，驅(qū)動(dòng)器必須等待所需的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭之下（這大概需要 5ms 至 10ms 的時(shí)延），再開始讀寫，低端硬盤的速率是 50MB/s，而高速磁盤的速率是   160MB/s。

I/O 設(shè)備

CPU 和存儲(chǔ)器并不是操作系統(tǒng)唯一需要管理的資源，I/O 設(shè)備與操作系統(tǒng)同樣密不可分。如下圖所示，I/O 設(shè)備一般包括兩個(gè)部分：設(shè)備控制器和設(shè)備本身，比如鍵盤控制器和鍵盤。

「設(shè)備控制器」其實(shí)就是一塊芯片或者一組芯片，它能夠接收操作系統(tǒng)的指令并控制物理設(shè)備。例如，從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的處理。

在許多情況下，實(shí)際控制設(shè)備的過程是非常復(fù)雜而且存在諸多細(xì)節(jié)。因此控制器的工作就是為操作系統(tǒng)提供一個(gè)更簡單（但仍然非常復(fù)雜）的接口。

I/O 設(shè)備另一部分是「設(shè)備本身」，設(shè)備本身有一個(gè)相對(duì)簡單的接口，這是因?yàn)榻涌诩炔荒茏龊芏喙ぷ?，而且也已?jīng)被「標(biāo)準(zhǔn)化」了，標(biāo)準(zhǔn)化后任何一個(gè)磁盤控制器就可以適配任意一種磁盤，所以標(biāo)準(zhǔn)化是非常必要的。

3. 操作系統(tǒng)的四個(gè)特征

操作系統(tǒng)擁有 4 個(gè)鮮明的特征：并發(fā)、共享、虛擬和異步。其中，「并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的最基本特征」，沒有并發(fā)和共享，就談不上虛擬和異步。

下面我們來簡單的了解一下這 4 個(gè)特征，其中涉及的很多詳細(xì)概念不會(huì)在本文做出解釋，后續(xù)會(huì)陸續(xù)開更。

① 并發(fā)

并發(fā)和并行這兩個(gè)孿生兄弟，經(jīng)常會(huì)讓初學(xué)者摸不著頭腦。

• 「并發(fā)」：并發(fā)是指宏觀上在「一段時(shí)間內(nèi)」能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。當(dāng)然，這些程序宏觀上是同時(shí)發(fā)生的，但微觀上是交替發(fā)生的。操作系統(tǒng)通過引入進(jìn)程和線程，使得程序能夠并發(fā)運(yùn)行。

• 「并行」：并行則指「同一時(shí)刻」能運(yùn)行多個(gè)指令，指兩個(gè)或多個(gè)事件在「同一時(shí)刻同時(shí)發(fā)生」。并行需要硬件支持，如多流水線、多核處理器或者分布式計(jì)算系統(tǒng)。

配合下圖形象的理解下：

說到并發(fā)與并行，不得不提 CPU，作為計(jì)算機(jī)的大腦， CPU 主要和內(nèi)存進(jìn)行交互，從內(nèi)存中提取指令并執(zhí)行。而一個(gè)程序需要放入內(nèi)存并給它分配 CPU 才能執(zhí)行，所以并發(fā)并行的能力與 CPU 的性能息息相關(guān)：

• 「單核 CPU」同一時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)程序，各個(gè)程序只能「并發(fā)」地執(zhí)行 ；
• 「多核 CPU」同一時(shí)刻可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序，多個(gè)程序可以「并行」地執(zhí)行。

比如 Intel 的第八代 i3 處理器就是 4 核 CPU，意味著可以并行地執(zhí)行 4 個(gè)程序。當(dāng)然，即使是對(duì)于 4 核 CPU 來說，只要有 4 個(gè)以上的程序需要 “同時(shí)” 運(yùn)行，那么并發(fā)性依然是必不可少的，因此「并發(fā)性是操作系統(tǒng)一個(gè)最基本的特征」。

② 共享

共享即「資源共享」，是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)「并發(fā)」執(zhí)行的進(jìn)程共同使用。

主要有兩種共享方式：

1）「互斥共享」

所謂互斥共享，就是說雖然這個(gè)資源是共享的，所有進(jìn)程都能夠使用，但是「同一個(gè)資源在某一時(shí)刻只允許一個(gè)進(jìn)程訪問」，也稱為互斥訪問，需要用同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)互斥訪問?；コ夤蚕?訪問的資源稱為「臨界資源」。

舉個(gè)互斥共享的例子：

如果我們同時(shí)使用 QQ 和微信視頻，同一時(shí)間段內(nèi)攝像頭資源只能分配給其中的一個(gè)進(jìn)程。

2）「同時(shí)共享」

同時(shí)共享與互斥共享相反，「允許一個(gè)時(shí)間段內(nèi)多個(gè)進(jìn)程 “同時(shí)” 對(duì)系統(tǒng)中的某些資源進(jìn)行訪問」。當(dāng)然，所謂的 “同時(shí)” 往往是宏觀上的，而在微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對(duì)該資源進(jìn)行訪問（即分時(shí)共享）

舉個(gè)同時(shí)共享的例子：

使用 QQ 發(fā)送硬盤上的文件 A，同時(shí)使用微信發(fā)送硬盤上的文件 B。宏觀上看，兩邊在同時(shí)讀取并發(fā)送文件， 都在訪問硬盤資源，并從中讀取數(shù)據(jù)。微觀上看，QQ 和微信這兩個(gè)進(jìn)程是交替訪問硬盤資源的。

「并發(fā)和共享作為操作系統(tǒng)的兩大最基本特征，其實(shí)是互為存在條件的」。為什么這么說呢？這樣，我們繼續(xù)通過上述發(fā)送文件的例子來看并發(fā)與共享的關(guān)系（使用 QQ 發(fā)送硬盤上的文件 A，同時(shí)使用微信發(fā)送硬盤上的文件 B）：

• 并發(fā)性的體現(xiàn)：兩個(gè)進(jìn)程正在并發(fā)執(zhí)行。

  如果失去并發(fā)性，系統(tǒng)中只有一個(gè)程序正在運(yùn)行，則共享性失去存在的意義

• 共享性的體現(xiàn)：兩個(gè)進(jìn)程需要共享地訪問硬盤資源。

  如果失去共享性，則 QQ 和微信不能同時(shí)訪問硬盤資源，就無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)送文件，并發(fā)也就無從談起

③ 虛擬

先上定義：虛擬是指「把一個(gè)物理上的實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物」。物理實(shí)體（前者）是實(shí)際存在的，而邏輯上對(duì)應(yīng)物（后者）是用戶感受到的。

這么說是有點(diǎn)虛無縹緲了，用一個(gè)例子來理解：

上文說過，一個(gè)程序需要放入內(nèi)存并給它分配 CPU 才能執(zhí)行。那比如說 GTA5 需要 4GB 的運(yùn)行內(nèi)存，QQ 需要256MB 的內(nèi)存，Chrome 需要 512MB 的內(nèi)存，網(wǎng)易云音樂需要 256MB 的內(nèi)存…… 假設(shè)我們的電腦只有 4GB 內(nèi)存且 CPU 是單核的。那么這里就存在如下兩個(gè)問題：

「問題 1」：這些程序同時(shí)運(yùn)行需要的內(nèi)存遠(yuǎn)大于 4 GB，那么為什么它們還可以在我的電腦上同時(shí)運(yùn)行呢？

答：這得益于虛擬內(nèi)存技術(shù)的「空分復(fù)用技術(shù)」。雖然我們的電腦實(shí)際上只有 4GB 的內(nèi)存，但是卻可以完美的同時(shí)運(yùn)行這些遠(yuǎn)大于 4G 內(nèi)存的程序，「在用戶看來似乎我們的電腦內(nèi)存遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 4GB」。

「問題 2」：既然一個(gè)程序需要被分配 CPU 才能正常執(zhí)行，那為什么單核 CPU 的電腦中也能同時(shí)運(yùn)行這么多個(gè)程序呢？

答：這得益于虛擬內(nèi)存技術(shù)的「時(shí)分復(fù)用技術(shù)」。雖然實(shí)際上只有一個(gè)單核 CPU，無法同時(shí)并行執(zhí)行這么多個(gè)程序，但是微觀上 CPU 在各個(gè)微小的時(shí)間段內(nèi)交替著為各個(gè)進(jìn)程服務(wù)，「在用戶看來似乎我們的 CPU 是多核的」。

下面我們來解釋一下上述兩種虛擬技術(shù)：

1）「空分復(fù)用技術(shù)」

空分復(fù)用技術(shù)的原理就是把內(nèi)存作為高速緩存來使用，只用來保存最頻繁使用的部分程序，而把程序的大部分放在磁盤上。這種機(jī)制需要快速的映像內(nèi)存地址，以便把程序生成的地址轉(zhuǎn)換為有關(guān)字節(jié)在內(nèi)存中的物理地址。這種映像由 CPU 中的一個(gè)部件，稱為「存儲(chǔ)器管理單元」（Memory Management Unit，「MMU」）來完成，這張圖上面我們也看過了，回顧一遍：

2）「時(shí)分復(fù)用技術(shù)」

多個(gè)進(jìn)程能在同一個(gè) CPU 上并發(fā)執(zhí)行就是因?yàn)槭褂昧藭r(shí)分復(fù)用技術(shù)，讓每個(gè)進(jìn)程輪流占用處理器，每次只執(zhí)行一小個(gè)時(shí)間片并快速切換。

顯然，如果失去了并發(fā)性，一個(gè)時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)中只能運(yùn)行一道程序，那也就失去了實(shí)現(xiàn)虛擬性的意義了。因此，「沒有并發(fā)性，就談不上虛擬性」

④ 異步

異步是指：在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，但「由于資源有限，進(jìn)程的執(zhí)行不是一貫到底的， 而是走走停停，以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)」，這就是進(jìn)程的異步性。

舉個(gè)例子：老渣在 8 點(diǎn) 和 12 點(diǎn)要和兩個(gè)女孩并發(fā)約會(huì)，每個(gè)女孩的約會(huì)時(shí)間是 2 小時(shí)，與一、二號(hào)的約會(huì)就是兩道并發(fā)執(zhí)行的程序，而老渣的心則是有限的系統(tǒng)資源。

由于并發(fā)運(yùn)行的程序會(huì)爭搶使用系統(tǒng)資源，而系統(tǒng)中的資源有限，那么老渣同一號(hào)或二號(hào)的 2 小時(shí)約會(huì)時(shí)間就可能無法一次性結(jié)束，而是斷斷續(xù)續(xù)的。可能 8 點(diǎn)到 9 點(diǎn)和一號(hào)約會(huì)，9 點(diǎn)到10 點(diǎn)和二號(hào)約會(huì)，然后 10 點(diǎn)到 11 點(diǎn)再和一號(hào)約會(huì)，最后 11 點(diǎn)到 12 點(diǎn)和二號(hào)約會(huì)。

如果失去了并發(fā)性，即系統(tǒng)只能串行地運(yùn)行各個(gè)程序，那么每個(gè)程序的執(zhí)行會(huì)一貫到底。因此，「只有系統(tǒng)擁有并發(fā)性，才有可能導(dǎo)致異步性」。

4. 學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容

本系列的核心內(nèi)容主要有以下：

• 進(jìn)程管理
• 存儲(chǔ)管理
• 文件系統(tǒng)管理
• I/O 設(shè)備管理

① 進(jìn)程管理

進(jìn)程（Process）這個(gè)概念在上文中已經(jīng)多次出現(xiàn)了，為了能更好地實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的并發(fā)性和共享性，遂引入了進(jìn)程。

「進(jìn)程就是程序的一次執(zhí)行過程，它是暫時(shí)的。不僅包含正在運(yùn)行的程序?qū)嶓w，并且包括這個(gè)運(yùn)行的程序中占據(jù)的所有系統(tǒng)資源，比如說 CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)資源等」。很多小伙伴在回答進(jìn)程的概念的時(shí)候，往往只會(huì)說它是一個(gè)運(yùn)行的實(shí)體，而會(huì)忽略掉進(jìn)程所占據(jù)的資源。比如說，同樣一個(gè)程序，同一時(shí)刻被兩次運(yùn)行了，那么他們就是兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程。

講到進(jìn)程不得不說一嘴線程，「一個(gè)進(jìn)程中可以有多個(gè)線程，它們共享進(jìn)程資源。」

舉個(gè)例子，QQ 和 Chrome 瀏覽器是兩個(gè)進(jìn)程，Chrome 進(jìn)程里面有很多線程，例如 HTTP 請(qǐng)求線程、事件響應(yīng)線程、渲染線程等等，線程的并發(fā)執(zhí)行使得在瀏覽器中點(diǎn)擊一個(gè)新鏈接從而發(fā)起 HTTP 請(qǐng)求時(shí)，瀏覽器還可以響應(yīng)用戶的其它事件。

我們所說的進(jìn)程管理其實(shí)主要包含兩個(gè)內(nèi)容：

• 進(jìn)程通信
• 進(jìn)程調(diào)度

「進(jìn)程通信」顧名思義，就是進(jìn)程之間的相互交流。CPU 作為計(jì)算機(jī)最寶貴的資源，一個(gè)進(jìn)程需要放入內(nèi)存并給它分配 CPU 才能執(zhí)行，而一個(gè)程序可能包含多個(gè)進(jìn)程，這就需要進(jìn)程之間進(jìn)行相互交流，彼此同步，共同完成這個(gè)程序。舉個(gè)例子，如果進(jìn)程 A 產(chǎn)生數(shù)據(jù)而進(jìn)程 B 打印數(shù)據(jù)，那么 B 在 A 產(chǎn)生數(shù)據(jù)之前就必須等待，那么 A 是不是就得給 B 發(fā)消息，告訴 B 我生產(chǎn)了數(shù)據(jù)，你可以打印了。

「進(jìn)程調(diào)度」就是說，通常情況下，會(huì)有多個(gè)進(jìn)程或線程同時(shí)競爭 CPU，如果恰好只有一個(gè) CPU 可用，這就導(dǎo)致 CPU 必須對(duì)下一個(gè)運(yùn)行的進(jìn)程或線程做出選擇，這個(gè)選擇的過程就是進(jìn)程調(diào)度。

② 內(nèi)存管理

高速緩存作為除寄存器外最底層的存儲(chǔ)器，其管理是由硬件完成的，所以我們學(xué)習(xí)的內(nèi)容集中在對(duì)內(nèi)存的管理。

其實(shí)這個(gè)話題在上文操作系統(tǒng)的四個(gè)特征中虛擬這個(gè)特征時(shí)我們就說過了，內(nèi)存一般用來保存正在執(zhí)行的程序，在非常簡單的操作系統(tǒng)中，內(nèi)存中每次只能運(yùn)行一個(gè)程序，如果要運(yùn)行第二個(gè)程序，第一個(gè)程序就必須被移除內(nèi)存，再把第二個(gè)程序裝入內(nèi)存。

顯然這樣非常低效的，為此引入了虛擬內(nèi)存技術(shù)，把內(nèi)存作為高速緩存來使用，只用來保存最頻繁使用的部分程序，而把程序的大部分放在磁盤上。

那么內(nèi)存管理做的事情大概就是：

• 把使用頻繁的部分程序放入內(nèi)存
• 當(dāng)內(nèi)存滿的時(shí)候，替換掉內(nèi)存中的某些部分

③ 文件系統(tǒng)管理

文件其實(shí)是進(jìn)程創(chuàng)建的信息邏輯單元，一個(gè)磁盤可能含有幾千甚至幾百萬個(gè)文件，每個(gè)文件都是獨(dú)立于其他文件的，事實(shí)上，把每個(gè)文件看成一種地址空間更容易理解文件的本質(zhì)。

文件同樣是受操作系統(tǒng)管理的，有關(guān)文件的構(gòu)造、命名、存取、使用、保護(hù)、實(shí)現(xiàn)和管理方法都是操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，這就是文件系統(tǒng)的主題。

④ I/O 設(shè)備管理

操作系統(tǒng)必須高效的管理 I/O 設(shè)備，它需要向 I/O 設(shè)備發(fā)送命令，捕捉中斷，并處理設(shè)備的各種錯(cuò)誤，它還應(yīng)該在設(shè)備和系統(tǒng)的其他部分之間提供簡單且易用的接口。

5. 內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

內(nèi)核這個(gè)專有名詞可能會(huì)讓大家有點(diǎn)懵逼。這里解釋一下?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)都采用進(jìn)程的概念，為了更好的處理系統(tǒng)的并發(fā)性、共享性等，并使進(jìn)程能夠協(xié)調(diào)地工作，僅依靠計(jì)算機(jī)硬件提供的功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。例如，進(jìn)程的調(diào)度就不能用硬件來實(shí)現(xiàn)，必須使用一組基本軟件對(duì)硬件資源進(jìn)行改造，以便為進(jìn)程的執(zhí)行提供良好的運(yùn)行環(huán)境，這個(gè)軟件就是內(nèi)核（kernel）。

簡單來說，「內(nèi)核就是操作系統(tǒng)中的一組程序模塊」，作為可信軟件來提供支持進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的基本功能和基本操作，「具有訪問硬件設(shè)備和所有內(nèi)存空間的權(quán)限」。不夸張的說，內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心。

當(dāng)然，操作系統(tǒng)除了內(nèi)核程序外，還有包括其他一些基本組件，如文本編輯器、編譯器、用來與用戶進(jìn)行交互的程序比如桌面系統(tǒng)等。

① 什么是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

那么既然內(nèi)核是程序，它需要運(yùn)行，就必須被分配 CPU。因此，CPU 上會(huì)運(yùn)行兩種程序，一種是操作系統(tǒng)的內(nèi)核程序（也稱為系統(tǒng)程序），一種是應(yīng)用程序。前者完成系統(tǒng)任務(wù)，后者實(shí)現(xiàn)應(yīng)用任務(wù)。兩者之間有控制和被控制的關(guān)系，前者有權(quán)管理和分配資源，而后者只能向系統(tǒng)申請(qǐng)使用資源。

顯然，我們應(yīng)該把在 CPU 上運(yùn)行的這兩類程序加以區(qū)分，這就是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)出現(xiàn)的原因。

• 「內(nèi)核態(tài)」（kernel mode）：當(dāng) CPU 處于內(nèi)核態(tài)時(shí)，這是操作系統(tǒng)管理程序（也就是內(nèi)核）運(yùn)行時(shí)所處的狀態(tài)。運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的程序可以訪問計(jì)算機(jī)的任何資源，不受限制，為所欲為，例如協(xié)調(diào) CPU 資源，分配內(nèi)存資源，提供穩(wěn)定的環(huán)境供應(yīng)用程序運(yùn)行等。
• 「用戶態(tài)」（user mode）：應(yīng)用程序基本都是運(yùn)行在用戶態(tài)的，或者說用戶態(tài)就是提供應(yīng)用程序運(yùn)行的空間。運(yùn)行在用戶態(tài)的程序只能訪問當(dāng)前 CPU 上執(zhí)行程序所在的地址空間，這樣有效地防止了操作系統(tǒng)程序受到應(yīng)用程序的侵害。

對(duì)操作系統(tǒng)來說，「什么樣的程序應(yīng)該放在內(nèi)核態(tài)呢」？這取決于對(duì)資源的需求、時(shí)間的緊迫和效率高低等因素。比如 CPU、內(nèi)存、設(shè)備等資源管理器程序應(yīng)該在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行，否則安全性沒有保證。對(duì)于文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)來說，文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)和管理必須放在內(nèi)核態(tài)，但是用戶的數(shù)據(jù)和管理可以放在用戶態(tài)。

② 中斷機(jī)制

在合適的情況下，操作系統(tǒng)的內(nèi)核會(huì)把 CPU 的使用權(quán)主動(dòng)讓給應(yīng)用程序，也就是使 CPU 從內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)換到用戶態(tài)。而 CPU 要想從用戶態(tài)回到內(nèi)核態(tài)，只能通過中斷機(jī)制完成，如果沒有中斷機(jī)制，那么一旦應(yīng)用程序上 CPU 運(yùn)行（用戶態(tài)），CPU 就會(huì)一直運(yùn)行這個(gè)應(yīng)用程序。也就是說，「中斷是讓操作系統(tǒng)內(nèi)核奪回 CPU 使用權(quán)的唯一途徑」?？梢哉f，「操作系統(tǒng)是由中斷驅(qū)動(dòng)的」。

當(dāng)然，這里的中斷機(jī)制非常廣義，包含了三種手段，也就是說從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)有三種手段：

• 1）程序請(qǐng)求操作系統(tǒng)服務(wù)，執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用
• 2）程序運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生外中斷事件（比如 I/O 操作完成），運(yùn)行程序被中斷，轉(zhuǎn)向中斷程序處理
• 3）在程序運(yùn)行時(shí)發(fā)生內(nèi)中斷（異常）事件，運(yùn)行程序被打斷，轉(zhuǎn)向異常處理程序工作

以上這三種手段都是通過中斷機(jī)制來發(fā)生的，那么接下來我們就來看看中斷到底有哪些類型。

按照中斷信號(hào)來源于CPU 的外部還是內(nèi)部，將中斷類型分為外中斷和內(nèi)中斷：

• 「外中斷」 （也稱中斷，狹義上的中斷）

  外中斷與當(dāng)前執(zhí)行的指令無關(guān)， 中斷信號(hào)來源于 CPU 外部。如 I/O 完成中斷，表示設(shè)備輸入/輸出處理已經(jīng)完成，CPU 能夠發(fā)送下一個(gè)輸入/輸出請(qǐng)求。此外還有時(shí)鐘中斷、控制臺(tái)中斷等。

• 「內(nèi)中斷」（也稱 異常、例外）

  內(nèi)中斷與當(dāng)前執(zhí)行的指令有關(guān)， 中斷信號(hào)來源于 CPU 內(nèi)部。如非法操作碼、地址越界、算術(shù)溢出，除數(shù)為 0 等。

這里簡單解釋一下「中斷機(jī)制的基本原理」：不同的中斷信號(hào)，肯定是需要用不同的中斷處理程序來處理的。那么當(dāng) CPU 檢測到中斷信號(hào)后，就會(huì)根據(jù)中斷信號(hào)的類型去查詢「中斷向量表」，以此來找到相應(yīng)的中斷處理程序在內(nèi)存中的存放位置。

③ 系統(tǒng)調(diào)用

如上文所說，程序通過執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，也可以使得 CPU 從用戶態(tài)轉(zhuǎn)向內(nèi)核態(tài)。那么系統(tǒng)調(diào)用和中斷有啥關(guān)系呢？為什么說這種方式也屬于中斷機(jī)制的一種呢？那是因?yàn)?strong style="color: rgb(239, 112, 80);">「系統(tǒng)調(diào)用是通過陷入指令完成的」，該指令會(huì)引發(fā)內(nèi)中斷。

說的更詳細(xì)點(diǎn)，操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)硬件之上的第一層軟件，需要向上層提供一些簡單易用的服務(wù)，這個(gè)上層包括用戶和應(yīng)用程序：

給用戶提供的接口有圖形界面 GUI 和命令接口，給應(yīng)用程序提供的是「程序接口」，這個(gè)程序接口就是由一組系統(tǒng)調(diào)用組成的，是操作系統(tǒng)提供給開發(fā)人員使用的?？梢岳斫鉃橐环N可供應(yīng)用程序調(diào)用的特殊函數(shù)，「應(yīng)用程序可以通過系統(tǒng)調(diào)用來請(qǐng)求獲得操作系統(tǒng)內(nèi)核的服務(wù)」。

「系統(tǒng)調(diào)用的過程」簡略版大致如下：

1）在用戶態(tài)，應(yīng)用程序傳遞系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)

2）執(zhí)行陷入指令，引發(fā)一個(gè)內(nèi)中斷，使 CPU 進(jìn)入內(nèi)核態(tài)

3）在內(nèi)核態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的請(qǐng)求，內(nèi)核程序處理系統(tǒng)調(diào)用

4）返回應(yīng)用程序

思考一下「為什么系統(tǒng)調(diào)用是必須的」？

舉個(gè)例子：我們?nèi)W(xué)校打印店打印論文，你按下了 WPS 的 “打印” 選項(xiàng)，于是打印機(jī)開始工作。 你的論文打印到一半時(shí)，另一位同學(xué)按下了 Word 的 “打印” 按鈕，開始打印他自己的論文。想象一下如果兩個(gè)進(jìn)程可以隨意的、并發(fā)的共享打印機(jī)資源，會(huì)發(fā)生什么情況？

顯然，兩個(gè)進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行，導(dǎo)致打印機(jī)設(shè)備交替的收到 WPS 和 Word 兩個(gè)進(jìn)程發(fā)來的打印請(qǐng)求，結(jié)果兩篇論文的內(nèi)容混雜在一起了

如何解決這個(gè)問題？這就需要操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)共享資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理，并向上層提供 “系統(tǒng)調(diào)用” ，運(yùn)行在用戶態(tài)的應(yīng)用程序或者進(jìn)程想要使用打印機(jī)這種共享資源，只能通過系統(tǒng)調(diào)用向操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)出請(qǐng)求，然后內(nèi)核會(huì)對(duì)各個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行協(xié)調(diào)處理（進(jìn)程調(diào)度）。

通過上面這個(gè)例子，我們就可以總結(jié)出什么功能會(huì)用到系統(tǒng)調(diào)用：「凡是與共享資源有關(guān)的操作（比如內(nèi)存分配、I/O 操作、文件管理等），都必須通過系統(tǒng)調(diào)用的方式向操作系統(tǒng)內(nèi)核提出請(qǐng)求，由操作系統(tǒng)內(nèi)核代為完成」。這樣可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，防止用戶進(jìn)行非法操作。這些系統(tǒng)調(diào)用按功能大致可分為如下幾類：

• 設(shè)備管理。完成設(shè)備的請(qǐng)求或釋放，以及設(shè)備啟動(dòng)等功能。
• 文件管理。完成文件的讀、寫、創(chuàng)建及刪除等功能。
• 進(jìn)程控制。完成進(jìn)程的創(chuàng)建、撤銷、阻塞及喚醒等功能。
• 進(jìn)程通信。完成進(jìn)程之間的消息傳遞或信號(hào)傳遞等功能。
• 內(nèi)存管理。完成內(nèi)存的分配、回收以及獲取作業(yè)占用內(nèi)存區(qū)大小及地址等功能。

6. 總結(jié)

縫縫補(bǔ)補(bǔ)終于寫完了，說實(shí)話，這種系列綜述類的文章真的難寫，既要照顧知識(shí)體系完整度，保證每個(gè)模塊都能涉及，又不能講的太深太細(xì)，還需要循序漸進(jìn)，防止陡然出現(xiàn)一個(gè)并未介紹的專有名詞。

OK，抓住春節(jié)的尾巴，祝大家新年快樂，牛年大吉 ??，操作系統(tǒng)系列就此開篇了~

參考資料

• 《現(xiàn)代操作系統(tǒng) — 第 3 版》
• 《王道考研 — 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》
• 百度百科 — 進(jìn)程管理
• 知乎 — 什么是操作系統(tǒng)？https://www.zhihu.com/question/61861692/answer/575287870

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