寫(xiě)給小白的操作系統(tǒng)入門(mén)科普

嵌入式大雜燴

今天這篇文章，我們來(lái)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(jī)這樣的硬件終端設(shè)備。

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

接下來(lái)，我們一起尋找答案。


█ 什么是操作系統(tǒng)
從本質(zhì)來(lái)看，操作系統(tǒng)其實(shí)就是一套軟件。它也是代碼寫(xiě)出來(lái)的，像我們現(xiàn)在普遍使用的Windows10，主要就是C/C++寫(xiě)的。
操作系統(tǒng)屬于軟件，但又是非常特別的軟件。
在整個(gè)計(jì)算機(jī)架構(gòu)中，它距離硬件最近，是最重要、最基礎(chǔ)的軟件。它負(fù)責(zé)控制和管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源，并進(jìn)行合理組織、調(diào)度和分配。

計(jì)算機(jī)的層次架構(gòu)
對(duì)于用戶（user）和上層應(yīng)用軟件（application）來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)把很多底層的細(xì)節(jié)都封裝隱藏起來(lái)了，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口以供調(diào)用，大大簡(jiǎn)化了上層應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。
與此同時(shí)，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(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。
換句話說(shuō)，操作系統(tǒng)就是一個(gè)超級(jí)大管家。它什么都管，為用戶服務(wù)，向用戶負(fù)責(zé)。
█ 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(gè)方面：
首先，是進(jìn)程管理。
進(jìn)程（Process）和線程（Thread），是操作系統(tǒng)里非常重要的兩個(gè)概念。
進(jìn)程是資源分配的基本單位。進(jìn)程的創(chuàng)建、終止、調(diào)度、同步以及進(jìn)程間的通信，都是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)的。應(yīng)用程序的運(yùn)行，包括操作系統(tǒng)本身核心功能的運(yùn)行，都是以進(jìn)程的形式存在。
每個(gè)進(jìn)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(luò)端口等）。操作系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)程管理，來(lái)確保各個(gè)進(jìn)程能夠高效、安全地共享CPU時(shí)間。
我們使用“Ctrl+Alt+Del”快捷鍵調(diào)出Windows的任務(wù)管理器，就可以看到很多的進(jìn)程：

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

進(jìn)程與線程
例如你啟動(dòng)了一個(gè)瀏覽器程序，那么，操作系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)啟一個(gè)相應(yīng)的進(jìn)程。這個(gè)進(jìn)程里面，又會(huì)有多個(gè)線程，如HTTP請(qǐng)求線程、事件響應(yīng)線程、渲染線程等。
如果你關(guān)閉這個(gè)瀏覽器程序，從任務(wù)管理器可以看到，這個(gè)進(jìn)程和對(duì)應(yīng)的線程都沒(méi)有了。當(dāng)然，你也可以在任務(wù)管理器里，直接右鍵關(guān)閉某個(gè)進(jìn)程，程序也就強(qiáng)制退出了。Linux里干掉一個(gè)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(duì)進(jìn)程和線程進(jìn)行管理，本質(zhì)上是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU資源的分配調(diào)度。

進(jìn)程的狀態(tài)變化
需要注意的是，一個(gè)程序可以對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程。而一個(gè)進(jìn)程同樣可以對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)程序（雖然比較罕見(jiàn)）。
其次，是內(nèi)存管理。
以前我們多次提到過(guò)馮·諾依曼架構(gòu)。程序要從硬盤(pán)到內(nèi)存，才能夠被運(yùn)算器（CPU）處理。每個(gè)程序都有足夠的內(nèi)存空間，才能夠確保正常運(yùn)行。

馮·諾依曼架構(gòu)
運(yùn)行之后，內(nèi)存也需要被及時(shí)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(fù)責(zé)的。
除了內(nèi)存分配之外，操作系統(tǒng)還要負(fù)責(zé)進(jìn)行內(nèi)存保護(hù)（確保每道程序都只在自己的內(nèi)存區(qū)中運(yùn)行，進(jìn)程間不會(huì)互相干擾）、地址映射（將程序裝入內(nèi)存運(yùn)行時(shí)，需要將邏輯地址轉(zhuǎn)化成內(nèi)存單元所限定的物理地址）、內(nèi)存擴(kuò)充（借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量）等工作。
第三，是設(shè)備管理。
這是操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。它管理和控制外部設(shè)備（如打印機(jī)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等）的使用。

具體來(lái)說(shuō)，它可以完成用戶進(jìn)程提出的I/O（輸入/輸出）請(qǐng)求，為用戶進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備，提高CPU和I/O設(shè)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(shè)備拖累系統(tǒng)的運(yùn)行。
第四，是文件系統(tǒng)管理。
文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用來(lái)組織、存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的一套規(guī)則。
操作系統(tǒng)提供了一套機(jī)制來(lái)組織、存儲(chǔ)、檢索和保護(hù)文件，包括文件的創(chuàng)建、刪除、讀寫(xiě)操作以及目錄結(jié)構(gòu)的維護(hù)。我們也可以將其理解為操作系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備和資源的管理和調(diào)用。
第五，安全和權(quán)限管理。
有了硬件和軟件資源，我們還要指定到底誰(shuí)能夠使用他們。
操作系統(tǒng)提供了完善的安全機(jī)制，確保用戶數(shù)據(jù)的安全性和完整性，包括用戶身份驗(yàn)證、訪問(wèn)控制和加密等。
最后一個(gè)核心功能，是交互界面。
操作系統(tǒng)是用戶使用計(jì)算機(jī)的一個(gè)工具。我們想要讓計(jì)算機(jī)工作，就需要一個(gè)好的交互界面，以便下達(dá)命令、查詢結(jié)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(jì)算機(jī)交互。這是計(jì)算機(jī)在社會(huì)全面普及的一個(gè)前提條件。
很多人都用過(guò)“cmd”調(diào)出來(lái)的命令行界面，那種叫做聯(lián)機(jī)命令接口，也叫交互式命令接口。

以前，我們還學(xué)過(guò)寫(xiě)批處理文件（.bat文件），給出好幾個(gè)命令，讓計(jì)算機(jī)逐一執(zhí)行。這種叫做脫機(jī)命令接口。
值得一提的是，除了（聯(lián)機(jī)、脫機(jī)）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(yīng)用程序間接調(diào)用資源。

現(xiàn)在有很多應(yīng)用程序通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言提供的庫(kù)函數(shù)，間接地進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用。我們可以把這些庫(kù)函數(shù)視為對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的進(jìn)一步封裝。

需要注意，凡是與共享資源有關(guān)的操作（如存儲(chǔ)分配、I/O操作、文件管理等），都必須通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的方式，向操作系統(tǒng)內(nèi)核提出服務(wù)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。
█ 操作系統(tǒng)的主要特性
除了上面說(shuō)的六大功能之外，操作系統(tǒng)還有四個(gè)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(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)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(gè)程序同時(shí)執(zhí)行的能力。
并發(fā)和并行（parallellism）是有區(qū)別的。并行是兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻內(nèi)發(fā)生。舉例來(lái)說(shuō)，一邊吃蘋(píng)果一邊看電視，是并行。在1分鐘之內(nèi)，吃掉蘋(píng)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(shí)發(fā)生的，但從微觀上看是分時(shí)交替發(fā)生的（和通信里面的“時(shí)分復(fù)用”有點(diǎn)像）。并發(fā)考驗(yàn)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(gè)并發(fā)進(jìn)程共同使用。它分為兩種方式，互斥共享和同時(shí)共享。
互斥共享，顧名思義，就是不能同時(shí)用。僅當(dāng)某一進(jìn)程訪問(wèn)完并釋放該資源后，才允許另一進(jìn)程對(duì)該資源進(jìn)行訪問(wèn)。這類(lèi)資源稱為臨界資源或獨(dú)占資源。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備，都屬于臨界資源。
同時(shí)共享，就是能夠多個(gè)進(jìn)程同時(shí)用。最典型的設(shè)備，就是硬盤(pán)。
大家應(yīng)該也能看出來(lái)，共享的底層邏輯也和通信里的“復(fù)用”很像，要么是分時(shí)間進(jìn)行共享（時(shí)分復(fù)用），要么是分物理資源空間進(jìn)行共享（空分復(fù)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(méi)有并發(fā)性，所有任務(wù)只能one by one串行執(zhí)行，那么，整個(gè)系統(tǒng)的效率就會(huì)很低。

虛擬（virtualization）
最后是虛擬。這個(gè)我們?cè)谠朴?jì)算里經(jīng)常會(huì)提到。把一個(gè)物理實(shí)體，變成若干個(gè)邏輯實(shí)體，就是虛擬。
虛擬的本質(zhì)，還是資源的復(fù)用。只不過(guò)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)了，用戶感受到的，是多個(gè)邏輯實(shí)體。
█ 操作系統(tǒng)的組成架構(gòu)
我們?cè)賮?lái)看看操作系統(tǒng)的組成架構(gòu)。
操作系統(tǒng)的核心，就是大家經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)的內(nèi)核（Kernel）。

內(nèi)核直接與硬件進(jìn)行交互，并為其他系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序提供服務(wù)。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(guān)。
計(jì)算機(jī)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(yùn)行內(nèi)核程序時(shí)，是內(nèi)核態(tài)。運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，是用戶態(tài)。
操作系統(tǒng)有“非特權(quán)指令”和“特權(quán)指令”兩種指令。
應(yīng)用程序只能使用“非特權(quán)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(shí)會(huì)讓CPU執(zhí)行一些high level的“特權(quán)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(lái)使用。
操作系統(tǒng)處于內(nèi)核態(tài)時(shí)，可以執(zhí)行特權(quán)指令。如果處于用戶態(tài)，則只能執(zhí)行非特權(quán)指令。
一般情況下，開(kāi)機(jī)后，用戶啟動(dòng)某個(gè)應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)內(nèi)核程序會(huì)在合適的時(shí)候主動(dòng)讓出CPU，轉(zhuǎn)為用戶態(tài)。這時(shí)，如果發(fā)生了中斷，操作系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)強(qiáng)行奪回CPU控制權(quán)，讓CPU從用戶態(tài)變成內(nèi)核態(tài)。
這里剛好說(shuō)說(shuō)中斷（Interrupt）。
處理器收到信號(hào)，提示發(fā)生了某個(gè)事件，應(yīng)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(lái)自CPU內(nèi)部的事件，與當(dāng)前執(zhí)行的指令有關(guān)。如程序的非法操作碼、地址越界、運(yùn)算溢出等。異常不能被屏蔽，一旦出現(xiàn)，就應(yīng)該立即處理。
內(nèi)中斷的三種典型類(lèi)型包括：陷入（trap，由陷入指令引發(fā)）、故障（fault，由錯(cuò)誤條件引發(fā)，內(nèi)核程序可以修復(fù)）、終止（abort，由致命錯(cuò)誤引發(fā)，內(nèi)核程序無(wú)法修復(fù)）。
外中斷是狹義的中斷，信號(hào)來(lái)自CPU外部的事件，與當(dāng)前執(zhí)行的指令無(wú)關(guān)。很典型的是時(shí)鐘中斷以及I/O中斷，或人為干預(yù)。
繼續(xù)說(shuō)內(nèi)核。
內(nèi)核也分為多種類(lèi)型，例如大內(nèi)核、微內(nèi)核。
所有的操作系統(tǒng)服務(wù)都在內(nèi)核空間運(yùn)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(wù)在內(nèi)核空間運(yùn)行，其它服務(wù)移出內(nèi)核，放在用戶空間運(yùn)行，是微內(nèi)核。

相比大內(nèi)核，微內(nèi)核更靈活，架構(gòu)更清晰，代碼沒(méi)有那么龐大，維護(hù)起來(lái)也容易一些。
操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)交互界面的，叫做外殼（Shell）。前面介紹過(guò)，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(wù)，例如備份工具、恢復(fù)工具、防火墻、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。
下面這個(gè)，是一個(gè)操作系統(tǒng)整體架構(gòu)的示意圖：

這個(gè)是Linux系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖，供參考：


█ 操作系統(tǒng)的常見(jiàn)分類(lèi)
隨著技術(shù)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(jì)算機(jī)硬件不斷升級(jí)，用戶需求不斷增加，系統(tǒng)功能不斷迭代，最終導(dǎo)致整個(gè)操作系統(tǒng)的架構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，代碼體積也越來(lái)越龐大。
以前的操作系統(tǒng)只有幾MB，一個(gè)軟盤(pán)就能裝得下。現(xiàn)在的操作系統(tǒng)，動(dòng)輒幾個(gè)GB，甚至幾十GB，DVD光盤(pán)都裝不下。
針對(duì)不同的設(shè)備終端類(lèi)型，以及不同的應(yīng)用場(chǎng)景，操作系統(tǒng)也出現(xiàn)了細(xì)化分的趨勢(shì)，演變出很多類(lèi)別。
通常來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)大致可以分為桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、移動(dòng)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(lèi)別。
如下表所示：

關(guān)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(qiáng)入門(mén)科普（Unix/Linux篇）
操作系統(tǒng)的發(fā)展史（DOS/Windows篇）
手機(jī)操作系統(tǒng)的沉浮往事（上）
手機(jī)操作系統(tǒng)的沉浮往事（下）
好啦，以上就是今天文章的全部?jī)?nèi)容。
感謝大家的耐心觀看。如果大家覺(jué)得文章有用，歡迎多多轉(zhuǎn)發(fā)。謝謝！