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導(dǎo)讀：這一篇聊操作系統(tǒng)。最近大家對(duì)“卡脖子”討論很多，首當(dāng)其沖是芯片，緊接著就是操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)，英文名Operating System，所以也常簡稱“OS”。操作系統(tǒng)很重要，計(jì)算機(jī)系的學(xué)生都知道，操作系統(tǒng)作為一門核心專業(yè)課，和數(shù)據(jù)庫、編譯原理合稱“三座大山”。

作者：木羊同學(xué)

來源：華章計(jì)算機(jī)（ID：hzbook_jsj）

01 操作系統(tǒng)都學(xué)些什么

操作系統(tǒng)的重要性當(dāng)然不止于此。如果深入研究你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，操作系統(tǒng)在整個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科體系中處于一個(gè)十分關(guān)鍵的位置。計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)科方向多如牛毛，但總的來說可以分成兩塊，硬件一塊，軟件一塊，這兩大塊都喜歡各玩各的，中間說是隔著次元壁也一點(diǎn)不夸張。

但都在一個(gè)體系內(nèi)，總要想個(gè)辦法來打破次元壁呀，這個(gè)重要的工作由誰來做呢？就是操作系統(tǒng)。所以從體系架構(gòu)的角度看，操心系統(tǒng)是處在所有硬件的最上層，和所有軟件的最下層，是一個(gè)“跨界”的角色。

操作系統(tǒng)很重要，那作為一門學(xué)科，難不難學(xué)呢？大家的態(tài)度走兩個(gè)極端，一邊的人覺得操作系統(tǒng)有什么可學(xué)的，不就是點(diǎn)鼠標(biāo)劃玻璃，太簡單連小學(xué)的計(jì)算機(jī)課都不一定認(rèn)真教，大學(xué)還專門設(shè)了專業(yè)課太夸張了。另一邊的人又覺得操作系統(tǒng)太難，操作系統(tǒng)的玩家不是Linus這樣的業(yè)界大神，就是微軟、谷歌這樣的行業(yè)大佬，萌新小本只好瑟瑟發(fā)抖。

這些觀點(diǎn)對(duì)不對(duì)呢？

都有一些理解上的偏差。我們平時(shí)常說的“安裝操作系統(tǒng)”，這里的“操作系統(tǒng)”，準(zhǔn)確來說，應(yīng)該叫“操作系統(tǒng)產(chǎn)品”，而操作系統(tǒng)這門課，主要內(nèi)容講的是操作系統(tǒng)的內(nèi)核原理。

操作系統(tǒng)產(chǎn)品和操作系統(tǒng)內(nèi)核二者的關(guān)系，有一點(diǎn)像計(jì)算機(jī)和CPU，沒有它不行，光有它也不行。一款操作系統(tǒng)產(chǎn)品，首先肯定得有操作系統(tǒng)內(nèi)核，但是光有內(nèi)核是沒法使用的，還得加上配套的周邊功能。

雖然叫“周邊配套”，但絕不是可有可無的意思，大部分我們所熟識(shí)操作系統(tǒng)功能，實(shí)際上都是屬于“周邊配套”，譬如說我們最最最熟悉的“桌面”，放著漂亮的壁紙，擺滿各色各樣的圖標(biāo)，是操作系統(tǒng)主要的用戶交互界面，術(shù)語稱為圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱GUI）。

前面感覺自己“精通操作系統(tǒng)”的那位同學(xué)，其實(shí)精通的只是GUI的使用，而且很抱歉，GUI不在操作系統(tǒng)內(nèi)核里面。

不過，話說回來，雖然專門有“操作系統(tǒng)內(nèi)核”這樣的術(shù)語，但并不意味著所謂的“內(nèi)核”與“周邊”之間，天然就存在一條清晰的界限。在操作系統(tǒng)里面，一直存在著宏內(nèi)核和微內(nèi)核兩條路線的爭論，爭論的焦點(diǎn)，正是什么該劃入“內(nèi)核”，什么又該算作周邊。

微內(nèi)核的主張，顧名思義，就是最小化內(nèi)核所需要提供的服務(wù)，只負(fù)責(zé)最基本的功能，把應(yīng)用服務(wù)、驅(qū)動(dòng)、GUI，甚至一些感覺上也挺基本的功能，譬如文件系統(tǒng)服務(wù)，都統(tǒng)統(tǒng)趕出內(nèi)核。

這樣做的好處是靈活方便，像是要提供新服務(wù)，那直接新增就可以了，不需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行額外的改動(dòng)，但缺點(diǎn)也很突出，什么功能都趕出去了，真到用的時(shí)候還需要進(jìn)行內(nèi)核模式-用戶模式的切換，模式切換會(huì)增加額外的開銷，導(dǎo)致性能受損，因此就有人主張應(yīng)該把常用的功能都接納進(jìn)來，這就是宏內(nèi)核。

Windows早前采用的就是微內(nèi)核架構(gòu)，把GUI趕了出去，結(jié)果性能損失受不了，后來又重新請(qǐng)回來，一直到現(xiàn)在，GUI仍然是Windows內(nèi)核的一部分。

02 操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容

操作系統(tǒng)這門課主要研究的是操作系統(tǒng)內(nèi)核，這名字不太平易近人，容易給人“難學(xué)懂”的感覺。確實(shí)，現(xiàn)在操作系統(tǒng)的功能越來越豐富，連帶著操作系統(tǒng)內(nèi)核也越來越復(fù)雜。有一本操作系統(tǒng)業(yè)內(nèi)很有名的書，叫《Windows Internals》，講的是Windows操作系統(tǒng)的功能原理，從這本書就可以看出來操作系統(tǒng)的一個(gè)變化趨勢。

《Windows Internals》是跟著Windows推陳出新的，Windows不斷更新，這本書也不斷再版，一個(gè)肉眼可見的變化就是書越寫越厚，現(xiàn)在最新版干脆把一本書分成了上下兩卷，內(nèi)容太多，光一塊磚頭已經(jīng)不夠裝了。

這還只是Windows，現(xiàn)在是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，還有操作系統(tǒng)還有一半多的江山被iOS和Android這哥倆占著，而且都以一年一個(gè)版本的速度迭代，要學(xué)的知識(shí)豈不是漫無邊際？

其實(shí)不用擔(dān)心，操作系統(tǒng)確實(shí)在迅速發(fā)展，但最最核心的還是那些老兄弟。操作系統(tǒng)有一本非常經(jīng)典的教材，只要你問就一定會(huì)有人推薦，叫《Operating System Concept》，中文譯為《操作系統(tǒng)概念》。因?yàn)檫@本書的封面畫著恐龍，所以學(xué)界也稱為“恐龍書”。

恐龍書不但介紹操作系統(tǒng)知識(shí)，還會(huì)引入“當(dāng)前主流操作系統(tǒng)”作為研究案例。當(dāng)然，恐龍書已經(jīng)從第1版發(fā)展到了第9版，書里的“當(dāng)前主流操作系統(tǒng)”也一換再換，默默地記錄著操作系統(tǒng)的變化發(fā)展。

不過，我把幾個(gè)版本比較了一下，最新版知識(shí)點(diǎn)增加了不少，還補(bǔ)充了一些新的內(nèi)容，涵蓋了iOS、Android等移動(dòng)操作系統(tǒng)，但主要的知識(shí)結(jié)構(gòu)并沒有大幅調(diào)整，核心的研究對(duì)象和問題，仍然是早就登場的那幾個(gè)。

具體是哪幾個(gè)呢？就仨：進(jìn)程、內(nèi)存和存儲(chǔ)。操作系統(tǒng)最重要的功能就是“管理”，具體來說是兩項(xiàng)工作，資源的分配和資源的調(diào)度，那管理的核心對(duì)象是哪些呢？就是這仨，分別對(duì)應(yīng)的硬件是CPU、內(nèi)存和硬盤，想想就能知道，這仨同樣是計(jì)算機(jī)里的三個(gè)扛把子部件。

我們說恐龍書經(jīng)典，其中一個(gè)地方就體現(xiàn)在對(duì)操作系統(tǒng)知識(shí)體系的劃分上面?？铸垥?dāng)然會(huì)重點(diǎn)照顧這三個(gè)核心對(duì)象，為它們一一設(shè)有單元，再加上必不可少的概論、大家現(xiàn)在都很關(guān)注的安全，以及前面提到的案例分析，就構(gòu)成了恐龍書最新第9版的六大知識(shí)板塊。

作為一名操作系統(tǒng)愛好者，我看過很多操作系統(tǒng)的書，有偏重原理的，有偏重實(shí)例的，也會(huì)有其它新的偏重，譬如會(huì)為網(wǎng)絡(luò)，硬件架構(gòu)、設(shè)備管理等等內(nèi)容設(shè)置獨(dú)立章節(jié)，但無論哪本書，進(jìn)程、內(nèi)存和存儲(chǔ)（也有稱為外存）始終是書里的三條主線。總而言之，學(xué)操作系統(tǒng)，首先都得緊緊抓住進(jìn)程、內(nèi)存和存儲(chǔ)學(xué)懂學(xué)通。

03 怎樣學(xué)操作系統(tǒng)

既然進(jìn)程、內(nèi)存和存儲(chǔ)是操作系統(tǒng)的三個(gè)核心對(duì)象，那具體應(yīng)該怎么學(xué)呢？一句話回答：帶著問題學(xué)。這里的“帶著問題學(xué)”，和我們平時(shí)常說的有所不同，在操作系統(tǒng)里面，進(jìn)程、內(nèi)存和存儲(chǔ)都有各自需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

就拿進(jìn)程來說，進(jìn)程是操作系統(tǒng)中相對(duì)比較抽象的概念，所以大多數(shù)操作系統(tǒng)的教材都會(huì)不吝筆墨，給進(jìn)程下一堆的定義，試圖只靠文字就解釋清楚什么是進(jìn)程。不過效果總不太好，大家不容易看懂，還容易看暈，畢竟“抽象”的意思就是說，你懂了馬上心領(lǐng)神會(huì)，你不懂總感覺雞同鴨講。

我倒認(rèn)為沒必要在進(jìn)程的定義上作過多糾結(jié)，關(guān)鍵是功用，開始只需要記住一點(diǎn)，進(jìn)程對(duì)應(yīng)的是CPU。計(jì)算機(jī)所謂的“計(jì)算”，指的就是CPU運(yùn)算，那運(yùn)算什么內(nèi)容呢？這就是進(jìn)程。

本來這個(gè)過程不算復(fù)雜，好像也沒什么問題，但是后來人們搞出了“多進(jìn)程”，一個(gè)CPU能“同時(shí)”運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程。但這個(gè)“同時(shí)”不是真正的同時(shí)，用術(shù)語來說，是并發(fā)執(zhí)行而不是并行執(zhí)行，結(jié)果一下就復(fù)雜起來，問題也就隨之而來了。

進(jìn)程增多了，但CPU卻只有一個(gè)，出現(xiàn)了多對(duì)一的競態(tài)問題，這就是一切問題的起源。圍繞著競態(tài)問題，進(jìn)程接著又衍生出了許多問題。

首先就是調(diào)度問題。對(duì)操作系統(tǒng)來說，調(diào)度是個(gè)大問題。書本肯定都會(huì)告訴你，進(jìn)程有很多個(gè)狀態(tài)，有些還畫成了狀態(tài)遷移圖，各種線飛來飛去，看得眼花繚亂。感覺上很難，但我覺得，把握好了背后的邏輯，這些看似凌亂的知識(shí)點(diǎn)就是條理清晰地串在一起。

在這里，我們只需要死死盯住競態(tài)問題，正是因?yàn)檫M(jìn)程和CPU不再是一一對(duì)應(yīng)，所以需要調(diào)度，而所謂調(diào)度，就是雜技里的用兩只手玩五只球，總會(huì)區(qū)分出接回手里的、準(zhǔn)備拋出的和停在空中的幾種情況，所以也需要根據(jù)情況給進(jìn)程配套設(shè)計(jì)不同的狀態(tài)，調(diào)度的具體工作，就是想辦法讓進(jìn)程在這幾個(gè)狀態(tài)中來回遷移倒騰，最終營造出CPU同時(shí)執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程的假象。

進(jìn)程之下是線程，現(xiàn)在又搞出了協(xié)程和纖程，以后不知道還會(huì)什么程，不過，目的只有一個(gè)，更充分地利用CPU時(shí)間，而且都難以避免一個(gè)問題，就是調(diào)度問題。

調(diào)度本身不難，難就難在設(shè)計(jì)調(diào)度原則，誰上誰下，執(zhí)行多久，等待多久，都需要一一加以考慮，而且最難的地方在于，調(diào)度是沒有最優(yōu)解的，只有在指定原則條件下，設(shè)計(jì)出相當(dāng)不錯(cuò)的調(diào)度方案。

進(jìn)程除了競爭CPU，還要競爭資源，譬如兩個(gè)甚至更多的進(jìn)程可能都需要同時(shí)讀寫同一個(gè)文件，我們熟悉的多對(duì)一的關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致我們熟悉的競態(tài)問題，在CPU那導(dǎo)致了調(diào)度問題，而到了資源這里，則會(huì)導(dǎo)致同步問題和死鎖問題。

同步問題很簡單，進(jìn)程既然要調(diào)度，那肯定沒辦法把活一口氣干完，譬如說讀寫某個(gè)文件，讀到一半被換下來了，下次再換上來的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，別的進(jìn)程也在讀寫這個(gè)文件，內(nèi)容變了。

多線程有一個(gè)默契，就是前后環(huán)境要保持一致，你把我從CPU那換上換下我沒意見，但你得保證我所處的環(huán)境是相同的，別像雍正那樣一覺醒來發(fā)現(xiàn)大清亡了，后面也就沒法跟著劇本走。那怎么保證一致性呢，這就是同步問題，方法包括互斥鎖、信號(hào)量等等。

死鎖問題聽起感覺復(fù)雜一點(diǎn)，書上花了不少筆墨但內(nèi)容還是不好懂。其實(shí)也不復(fù)雜，我們?cè)谛^(qū)門口喜聞樂見的堵車就是死鎖。小區(qū)門口只有一條車道，早高峰大家都得排著隊(duì)出去，這時(shí)如果外面有一輛車回來，開到門口又不肯避讓，那就堵車了，用操作系統(tǒng)的術(shù)語來說，就是死鎖了。

前面說，為了解決同步問題，我們會(huì)采取互斥鎖等方法，簡單來說，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程都要使用同一項(xiàng)資源時(shí)，只有當(dāng)前正在使用的進(jìn)程用完了，也就是術(shù)語所說的資源釋放了，后面的進(jìn)程才可以接著用。這樣做的好處當(dāng)然是保證了一致性，但壞處則是導(dǎo)致了另一個(gè)問題，就是死鎖問題。

拿前面的小區(qū)出口比劃一下就清楚了。單車道當(dāng)然是互斥的，要么只進(jìn)要么只出，不可能一邊進(jìn)一邊出。如果兩頭的來車各占一半車道，結(jié)果當(dāng)然是想進(jìn)來的進(jìn)不來，想出去的出不去，兩頭堵死，這就死鎖了。

那怎么解決死鎖問題呢，大方向有兩種，一種是避免出現(xiàn)死鎖，從根本上解決這個(gè)問題，不過難度較大。另一種則是想辦法對(duì)已經(jīng)發(fā)生的死鎖及時(shí)檢測發(fā)現(xiàn)，然后進(jìn)行恢復(fù)。但是怎么才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)死鎖呢？這又是一個(gè)操作系統(tǒng)方向需要研究的問題。

關(guān)于作者：莫凡，網(wǎng)名木羊同學(xué)。娛樂向機(jī)器學(xué)習(xí)解說選手，《機(jī)器學(xué)習(xí)算法的數(shù)學(xué)解析與Python實(shí)現(xiàn)》作者，前沿技術(shù)發(fā)展觀潮者，擅長高冷技術(shù)的“白菜化”解說，微信公眾號(hào)“睡前機(jī)器學(xué)習(xí)”，個(gè)人知乎號(hào)“木羊”。

延伸閱讀《現(xiàn)代操作系統(tǒng)：原理與實(shí)現(xiàn)》

推薦語：操作系統(tǒng)和系統(tǒng)安全領(lǐng)域國際知名學(xué)者、上海交通大學(xué)陳海波、夏虞斌領(lǐng)銜撰寫。作者在復(fù)旦大學(xué)和上海交通大學(xué)十余年操作系統(tǒng)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)總結(jié)。由淺入深介紹現(xiàn)代操作系統(tǒng)經(jīng)典理論與方法，結(jié)合前沿研究與工業(yè)界實(shí)踐，面向真實(shí)場景與真實(shí)問題。全新打造ChCore微內(nèi)核系列課程實(shí)驗(yàn)，建立對(duì)操作系統(tǒng)的第一手實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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