寫給小白的操作系統(tǒng)入門科普

嵌入式大雜燴

今天這篇文章，我們來聊聊操作系統(tǒng)（Operating System, OS）。

我們每天都在使用操作系統(tǒng)。Windows、Linux、安卓、iOS，都是非常經(jīng)典的操作系統(tǒng)。有了它們，我們才能夠更好地使用電腦、手機這樣的硬件終端設備。

那么，操作系統(tǒng)的本質是什么？到底具有哪些功能和特性？我們常說的進程、線程、內(nèi)核、中斷、GUI、CLI……又是什么意思？

接下來，我們一起尋找答案。


█ 什么是操作系統(tǒng)
從本質來看，操作系統(tǒng)其實就是一套軟件。它也是代碼寫出來的，像我們現(xiàn)在普遍使用的Windows10，主要就是C/C++寫的。
操作系統(tǒng)屬于軟件，但又是非常特別的軟件。
在整個計算機架構中，它距離硬件最近，是最重要、最基礎的軟件。它負責控制和管理整個計算機系統(tǒng)的資源，并進行合理組織、調(diào)度和分配。

計算機的層次架構
對于用戶（user）和上層應用軟件（application）來說，操作系統(tǒng)把很多底層的細節(jié)都封裝隱藏起來了，通過標準接口以供調(diào)用，大大簡化了上層應用軟件的開發(fā)。
與此同時，它又提供了很多輔助性的工具和功能，讓用戶可以更好地掌控計算機的運行狀態(tài)。
換句話說，操作系統(tǒng)就是一個超級大管家。它什么都管，為用戶服務，向用戶負責。
█ 操作系統(tǒng)的核心功能
我們可以把操作系統(tǒng)的核心功能分為以下幾個方面：
首先，是進程管理。
進程（Process）和線程（Thread），是操作系統(tǒng)里非常重要的兩個概念。
進程是資源分配的基本單位。進程的創(chuàng)建、終止、調(diào)度、同步以及進程間的通信，都是由操作系統(tǒng)負責的。應用程序的運行，包括操作系統(tǒng)本身核心功能的運行，都是以進程的形式存在。
每個進程都包括程序的代碼、數(shù)據(jù)、狀態(tài)，以及操作系統(tǒng)為該程序分配的資源（如內(nèi)存空間、文件句柄、網(wǎng)絡端口等）。操作系統(tǒng)通過進程管理，來確保各個進程能夠高效、安全地共享CPU時間。
我們使用“Ctrl+Alt+Del”快捷鍵調(diào)出Windows的任務管理器，就可以看到很多的進程：

任務管理器
線程，則是操作系統(tǒng)進行運算調(diào)度的最小單位。
線程比進程更低一級，是進程內(nèi)的一個可以獨立調(diào)度和指派的執(zhí)行單元。
一個進程中可以有多個線程，共享相同的內(nèi)存空間和資源，可以更容易地進行通信和數(shù)據(jù)共享。

進程與線程
例如你啟動了一個瀏覽器程序，那么，操作系統(tǒng)就會開啟一個相應的進程。這個進程里面，又會有多個線程，如HTTP請求線程、事件響應線程、渲染線程等。
如果你關閉這個瀏覽器程序，從任務管理器可以看到，這個進程和對應的線程都沒有了。當然，你也可以在任務管理器里，直接右鍵關閉某個進程，程序也就強制退出了。Linux里干掉一個進程，用的命令就是“kill（殺掉）”。
線程是操作系統(tǒng)發(fā)展到后期才引入的。它進一步提供了程序執(zhí)行的并發(fā)性，提高了系統(tǒng)的效率。
進程和線程，都可以包括執(zhí)行態(tài)、就緒態(tài)、阻塞態(tài)等狀態(tài)。對進程和線程進行管理，本質上是為了實現(xiàn)對CPU資源的分配調(diào)度。

進程的狀態(tài)變化
需要注意的是，一個程序可以對應一個或多個進程。而一個進程同樣可以對應一個或多個程序（雖然比較罕見）。
其次，是內(nèi)存管理。
以前我們多次提到過馮·諾依曼架構。程序要從硬盤到內(nèi)存，才能夠被運算器（CPU）處理。每個程序都有足夠的內(nèi)存空間，才能夠確保正常運行。

馮·諾依曼架構
運行之后，內(nèi)存也需要被及時釋放，才能讓別的程序能夠繼續(xù)占用。
內(nèi)存的分配和回收，也是操作系統(tǒng)負責的。
除了內(nèi)存分配之外，操作系統(tǒng)還要負責進行內(nèi)存保護（確保每道程序都只在自己的內(nèi)存區(qū)中運行，進程間不會互相干擾）、地址映射（將程序裝入內(nèi)存運行時，需要將邏輯地址轉化成內(nèi)存單元所限定的物理地址）、內(nèi)存擴充（借助于虛擬存儲技術，從邏輯上去擴充內(nèi)存容量）等工作。
第三，是設備管理。
這是操作系統(tǒng)的重要任務之一。它管理和控制外部設備（如打印機、硬盤驅動器、鍵盤、鼠標等）的使用。

具體來說，它可以完成用戶進程提出的I/O（輸入/輸出）請求，為用戶進程分配其所需的I/O設備，提高CPU和I/O設備的利用率，提高I/O速度等。高效的I/O調(diào)度，可以避免I/O設備拖累系統(tǒng)的運行。
第四，是文件系統(tǒng)管理。
文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用來組織、存儲和檢索數(shù)據(jù)的一套規(guī)則。
操作系統(tǒng)提供了一套機制來組織、存儲、檢索和保護文件，包括文件的創(chuàng)建、刪除、讀寫操作以及目錄結構的維護。我們也可以將其理解為操作系統(tǒng)對存儲設備和資源的管理和調(diào)用。
第五，安全和權限管理。
有了硬件和軟件資源，我們還要指定到底誰能夠使用他們。
操作系統(tǒng)提供了完善的安全機制，確保用戶數(shù)據(jù)的安全性和完整性，包括用戶身份驗證、訪問控制和加密等。
最后一個核心功能，是交互界面。
操作系統(tǒng)是用戶使用計算機的一個工具。我們想要讓計算機工作，就需要一個好的交互界面，以便下達命令、查詢結果和狀態(tài)。
操作系統(tǒng)提供圖形用戶界面（GUI，Graphical User Interface）或命令行界面（CLI，Command Line Interface），讓用戶能夠方便地與計算機交互。這是計算機在社會全面普及的一個前提條件。
很多人都用過“cmd”調(diào)出來的命令行界面，那種叫做聯(lián)機命令接口，也叫交互式命令接口。

以前，我們還學過寫批處理文件（.bat文件），給出好幾個命令，讓計算機逐一執(zhí)行。這種叫做脫機命令接口。
值得一提的是，除了（聯(lián)機、脫機）命令接口之外，操作系統(tǒng)還提供了程序接口。
程序接口由一組系統(tǒng)調(diào)用（system call）組成，允許應用程序間接調(diào)用資源。

現(xiàn)在有很多應用程序通過高級語言提供的庫函數(shù)，間接地進行系統(tǒng)調(diào)用。我們可以把這些庫函數(shù)視為對系統(tǒng)調(diào)用的進一步封裝。

需要注意，凡是與共享資源有關的操作（如存儲分配、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)核提出服務請求，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。
█ 操作系統(tǒng)的主要特性
除了上面說的六大功能之外，操作系統(tǒng)還有四個特性，分別是：并發(fā)、共享、異步和虛擬。

并發(fā)（concurrency）
并發(fā)是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)具有并發(fā)特性，是指其具有處理和調(diào)度多個程序同時執(zhí)行的能力。
并發(fā)和并行（parallellism）是有區(qū)別的。并行是兩個或多個事件在同一時刻內(nèi)發(fā)生。舉例來說，一邊吃蘋果一邊看電視，是并行。在1分鐘之內(nèi)，吃掉蘋果、香蕉和橘子，就是并發(fā)。

很顯然，并發(fā)從宏觀上看是同時發(fā)生的，但從微觀上看是分時交替發(fā)生的（和通信里面的“時分復用”有點像）。并發(fā)考驗的是資源調(diào)度的能力，而并行需要硬件的支持，例如采用多核處理器。

共享（sharing）
共享，是指系統(tǒng)中的資源可以被多個并發(fā)進程共同使用。它分為兩種方式，互斥共享和同時共享。
互斥共享，顧名思義，就是不能同時用。僅當某一進程訪問完并釋放該資源后，才允許另一進程對該資源進行訪問。這類資源稱為臨界資源或獨占資源。計算機系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設備，都屬于臨界資源。
同時共享，就是能夠多個進程同時用。最典型的設備，就是硬盤。
大家應該也能看出來，共享的底層邏輯也和通信里的“復用”很像，要么是分時間進行共享（時分復用），要么是分物理資源空間進行共享（空分復用），主要看資源本身的屬性。

異步（asynchronous）
異步，是同步的反義詞。同步是大家保持節(jié)奏統(tǒng)一。而異步，是各走各的路。
異步的前提是并發(fā)性，如果沒有并發(fā)性，所有任務只能one by one串行執(zhí)行，那么，整個系統(tǒng)的效率就會很低。

虛擬（virtualization）
最后是虛擬。這個我們在云計算里經(jīng)常會提到。把一個物理實體，變成若干個邏輯實體，就是虛擬。
虛擬的本質，還是資源的復用。只不過通過軟件來實現(xiàn)了，用戶感受到的，是多個邏輯實體。
█ 操作系統(tǒng)的組成架構
我們再來看看操作系統(tǒng)的組成架構。
操作系統(tǒng)的核心，就是大家經(jīng)常聽說的內(nèi)核（Kernel）。

內(nèi)核直接與硬件進行交互，并為其他系統(tǒng)軟件和應用程序提供服務。前面提到的操作系統(tǒng)核心功能，除了交互界面之外，大部分都和內(nèi)核緊密相關。
計算機里的CPU，工作狀態(tài)可以分為內(nèi)核態(tài)（也叫管態(tài)）和用戶態(tài)（也叫目態(tài)）。運行內(nèi)核程序時，是內(nèi)核態(tài)。運行應用程序時，是用戶態(tài)。
操作系統(tǒng)有“非特權指令”和“特權指令”兩種指令。
應用程序只能使用“非特權指令”，如：加法指令、減法指令等。操作系統(tǒng)內(nèi)核作為 “管理者”，有時會讓CPU執(zhí)行一些high level的“特權指令”，如：內(nèi)存清零指令。這些指令影響重大，只允許操作系統(tǒng)內(nèi)核來使用。
操作系統(tǒng)處于內(nèi)核態(tài)時，可以執(zhí)行特權指令。如果處于用戶態(tài)，則只能執(zhí)行非特權指令。
一般情況下，開機后，用戶啟動某個應用程序，操作系統(tǒng)內(nèi)核程序會在合適的時候主動讓出CPU，轉為用戶態(tài)。這時，如果發(fā)生了中斷，操作系統(tǒng)內(nèi)核會強行奪回CPU控制權，讓CPU從用戶態(tài)變成內(nèi)核態(tài)。
這里剛好說說中斷（Interrupt）。
處理器收到信號，提示發(fā)生了某個事件，應予以注意，這種情況就稱為中斷。
中斷分為內(nèi)中斷和外中斷。
內(nèi)中斷也叫異常，是指來自CPU內(nèi)部的事件，與當前執(zhí)行的指令有關。如程序的非法操作碼、地址越界、運算溢出等。異常不能被屏蔽，一旦出現(xiàn)，就應該立即處理。
內(nèi)中斷的三種典型類型包括：陷入（trap，由陷入指令引發(fā)）、故障（fault，由錯誤條件引發(fā)，內(nèi)核程序可以修復）、終止（abort，由致命錯誤引發(fā)，內(nèi)核程序無法修復）。
外中斷是狹義的中斷，信號來自CPU外部的事件，與當前執(zhí)行的指令無關。很典型的是時鐘中斷以及I/O中斷，或人為干預。
繼續(xù)說內(nèi)核。
內(nèi)核也分為多種類型，例如大內(nèi)核、微內(nèi)核。
所有的操作系統(tǒng)服務都在內(nèi)核空間運行，就是大內(nèi)核，也叫宏內(nèi)核、單內(nèi)核。
只有最基本的系統(tǒng)服務在內(nèi)核空間運行，其它服務移出內(nèi)核，放在用戶空間運行，是微內(nèi)核。

相比大內(nèi)核，微內(nèi)核更靈活，架構更清晰，代碼沒有那么龐大，維護起來也容易一些。
操作系統(tǒng)負責交互界面的，叫做外殼（Shell）。前面介紹過，包括命令解釋器和圖形用戶界面等。
除了內(nèi)核和外殼以外，操作系統(tǒng)還包括許多其它工具和服務，例如備份工具、恢復工具、防火墻、網(wǎng)絡服務等。
下面這個，是一個操作系統(tǒng)整體架構的示意圖：

這個是Linux系統(tǒng)的架構示意圖，供參考：


█ 操作系統(tǒng)的常見分類
隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)代操作系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的演變。
計算機硬件不斷升級，用戶需求不斷增加，系統(tǒng)功能不斷迭代，最終導致整個操作系統(tǒng)的架構變得越來越復雜，代碼體積也越來越龐大。
以前的操作系統(tǒng)只有幾MB，一個軟盤就能裝得下�，F(xiàn)在的操作系統(tǒng)，動輒幾個GB，甚至幾十GB，DVD光盤都裝不下。
針對不同的設備終端類型，以及不同的應用場景，操作系統(tǒng)也出現(xiàn)了細化分的趨勢，演變出很多類別。
通常來說，操作系統(tǒng)大致可以分為桌面操作系統(tǒng)、服務器操作系統(tǒng)、移動終端操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)等類別。
如下表所示：

關于這些操作系統(tǒng)的具體故事，大家可以參考小棗君之前的文章，今天就不再贅述了：
操作系統(tǒng)的最強入門科普（Unix/Linux篇）
操作系統(tǒng)的發(fā)展史（DOS/Windows篇）
手機操作系統(tǒng)的沉浮往事（上）
手機操作系統(tǒng)的沉浮往事（下）
好啦，以上就是今天文章的全部內(nèi)容。
感謝大家的耐心觀看。如果大家覺得文章有用，歡迎多多轉發(fā)。謝謝！