写给小白的操作系统入门科普

嵌入式大杂烩

今天这篇文章，我们来聊聊操作系统（Operating System, OS）。

我们每天都在使用操作系统。Windows、Linux、安卓、iOS，都是非常经典的操作系统。有了它们，我们才能够更好地使用电脑、手机这样的硬件终端设备。

那么，操作系统的本质是什么？到底具有哪些功能和特性？我们常说的进程、线程、内核、中断、GUI、CLI……又是什么意思？

接下来，我们一起寻找答案。


█ 什么是操作系统
从本质来看，操作系统其实就是一套软件。它也是代码写出来的，像我们现在普遍使用的Windows10，主要就是C/C++写的。
操作系统属于软件，但又是非常特别的软件。
在整个计算机架构中，它距离硬件最近，是最重要、最基础的软件。它负责控制和管理整个计算机系统的资源，并进行合理组织、调度和分配。

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计算机的层次架构
对于用户（user）和上层应用软件（application）来说，操作系统把很多底层的细节都封装隐藏起来了，通过标准接口以供调用，大大简化了上层应用软件的开发。
与此同时，它又提供了很多辅助性的工具和功能，让用户可以更好地掌控计算机的运行状态。
换句话说，操作系统就是一个超级大管家。它什么都管，为用户服务，向用户负责。
█ 操作系统的核心功能
我们可以把操作系统的核心功能分为以下几个方面：
首先，是进程管理。
进程（Process）和线程（Thread），是操作系统里非常重要的两个概念。
进程是资源分配的基本单位。进程的创建、终止、调度、同步以及进程间的通信，都是由操作系统负责的。应用程序的运行，包括操作系统本身核心功能的运行，都是以进程的形式存在。
每个进程都包括程序的代码、数据、状态，以及操作系统为该程序分配的资源（如内存空间、文件句柄、网络端口等）。操作系统通过进程管理，来确保各个进程能够高效、安全地共享CPU时间。
我们使用“Ctrl+Alt+Del”快捷键调出Windows的任务管理器，就可以看到很多的进程：

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任务管理器
线程，则是操作系统进行运算调度的最小单位。
线程比进程更低一级，是进程内的一个可以独立调度和指派的执行单元。
一个进程中可以有多个线程，共享相同的内存空间和资源，可以更容易地进行通信和数据共享。

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进程与线程
例如你启动了一个浏览器程序，那么，操作系统就会开启一个相应的进程。这个进程里面，又会有多个线程，如HTTP请求线程、事件响应线程、渲染线程等。
如果你关闭这个浏览器程序，从任务管理器可以看到，这个进程和对应的线程都没有了。当然，你也可以在任务管理器里，直接右键关闭某个进程，程序也就强制退出了。Linux里干掉一个进程，用的命令就是“kill（杀掉）”。
线程是操作系统发展到后期才引入的。它进一步提供了程序执行的并发性，提高了系统的效率。
进程和线程，都可以包括执行态、就绪态、阻塞态等状态。对进程和线程进行管理，本质上是为了实现对CPU资源的分配调度。

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进程的状态变化
需要注意的是，一个程序可以对应一个或多个进程。而一个进程同样可以对应一个或多个程序（虽然比较罕见）。
其次，是内存管理。
以前我们多次提到过冯·诺依曼架构。程序要从硬盘到内存，才能够被运算器（CPU）处理。每个程序都有足够的内存空间，才能够确保正常运行。

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冯·诺依曼架构
运行之后，内存也需要被及时释放，才能让别的程序能够继续占用。
内存的分配和回收，也是操作系统负责的。
除了内存分配之外，操作系统还要负责进行内存保护（确保每道程序都只在自己的内存区中运行，进程间不会互相干扰）、地址映射（将程序装入内存运行时，需要将逻辑地址转化成内存单元所限定的物理地址）、内存扩充（借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量）等工作。
第三，是设备管理。
这是操作系统的重要任务之一。它管理和控制外部设备（如打印机、硬盘驱动器、键盘、鼠标等）的使用。

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具体来说，它可以完成用户进程提出的I/O（输入/输出）请求，为用户进程分配其所需的I/O设备，提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度等。高效的I/O调度，可以避免I/O设备拖累系统的运行。
第四，是文件系统管理。
文件系统是操作系统用来组织、存储和检索数据的一套规则。
操作系统提供了一套机制来组织、存储、检索和保护文件，包括文件的创建、删除、读写操作以及目录结构的维护。我们也可以将其理解为操作系统对存储设备和资源的管理和调用。
第五，安全和权限管理。
有了硬件和软件资源，我们还要指定到底谁能够使用他们。
操作系统提供了完善的安全机制，确保用户数据的安全性和完整性，包括用户身份验证、访问控制和加密等。
最后一个核心功能，是交互界面。
操作系统是用户使用计算机的一个工具。我们想要让计算机工作，就需要一个好的交互界面，以便下达命令、查询结果和状态。
操作系统提供图形用户界面（GUI，Graphical User Interface）或命令行界面（CLI，Command Line Interface），让用户能够方便地与计算机交互。这是计算机在社会全面普及的一个前提条件。
很多人都用过“cmd”调出来的命令行界面，那种叫做联机命令接口，也叫交互式命令接口。

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以前，我们还学过写批处理文件（.bat文件），给出好几个命令，让计算机逐一执行。这种叫做脱机命令接口。
值得一提的是，除了（联机、脱机）命令接口之外，操作系统还提供了程序接口。
程序接口由一组系统调用（system call）组成，允许应用程序间接调用资源。

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现在有很多应用程序通过高级语言提供的库函数，间接地进行系统调用。我们可以把这些库函数视为对系统调用的进一步封装。

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需要注意，凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式，向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性。
█ 操作系统的主要特性
除了上面说的六大功能之外，操作系统还有四个特性，分别是：并发、共享、异步和虚拟。

并发（concurrency）
并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统具有并发特性，是指其具有处理和调度多个程序同时执行的能力。
并发和并行（parallellism）是有区别的。并行是两个或多个事件在同一时刻内发生。举例来说，一边吃苹果一边看电视，是并行。在1分钟之内，吃掉苹果、香蕉和橘子，就是并发。

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很显然，并发从宏观上看是同时发生的，但从微观上看是分时交替发生的（和通信里面的“时分复用”有点像）。并发考验的是资源调度的能力，而并行需要硬件的支持，例如采用多核处理器。

共享（sharing）
共享，是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。它分为两种方式，互斥共享和同时共享。
互斥共享，顾名思义，就是不能同时用。仅当某一进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。这类资源称为临界资源或独占资源。计算机系统中的大多数物理设备，都属于临界资源。
同时共享，就是能够多个进程同时用。最典型的设备，就是硬盘。
大家应该也能看出来，共享的底层逻辑也和通信里的“复用”很像，要么是分时间进行共享（时分复用），要么是分物理资源空间进行共享（空分复用），主要看资源本身的属性。

异步（asynchronous）
异步，是同步的反义词。同步是大家保持节奏统一。而异步，是各走各的路。
异步的前提是并发性，如果没有并发性，所有任务只能one by one串行执行，那么，整个系统的效率就会很低。

虚拟（virtualization）
最后是虚拟。这个我们在云计算里经常会提到。把一个物理实体，变成若干个逻辑实体，就是虚拟。
虚拟的本质，还是资源的复用。只不过通过软件来实现了，用户感受到的，是多个逻辑实体。
█ 操作系统的组成架构
我们再来看看操作系统的组成架构。
操作系统的核心，就是大家经常听说的内核（Kernel）。

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内核直接与硬件进行交互，并为其他系统软件和应用程序提供服务。前面提到的操作系统核心功能，除了交互界面之外，大部分都和内核紧密相关。
计算机里的CPU，工作状态可以分为内核态（也叫管态）和用户态（也叫目态）。运行内核程序时，是内核态。运行应用程序时，是用户态。
操作系统有“非特权指令”和“特权指令”两种指令。
应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等。操作系统内核作为 “管理者”，有时会让CPU执行一些high level的“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许操作系统内核来使用。
操作系统处于内核态时，可以执行特权指令。如果处于用户态，则只能执行非特权指令。
一般情况下，开机后，用户启动某个应用程序，操作系统内核程序会在合适的时候主动让出CPU，转为用户态。这时，如果发生了中断，操作系统内核会强行夺回CPU控制权，让CPU从用户态变成内核态。
这里刚好说说中断（Interrupt）。
处理器收到信号，提示发生了某个事件，应予以注意，这种情况就称为中断。
中断分为内中断和外中断。
内中断也叫异常，是指来自CPU内部的事件，与当前执行的指令有关。如程序的非法操作码、地址越界、运算溢出等。异常不能被屏蔽，一旦出现，就应该立即处理。
内中断的三种典型类型包括：陷入（trap，由陷入指令引发）、故障（fault，由错误条件引发，内核程序可以修复）、终止（abort，由致命错误引发，内核程序无法修复）。
外中断是狭义的中断，信号来自CPU外部的事件，与当前执行的指令无关。很典型的是时钟中断以及I/O中断，或人为干预。
继续说内核。
内核也分为多种类型，例如大内核、微内核。
所有的操作系统服务都在内核空间运行，就是大内核，也叫宏内核、单内核。
只有最基本的系统服务在内核空间运行，其它服务移出内核，放在用户空间运行，是微内核。

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相比大内核，微内核更灵活，架构更清晰，代码没有那么庞大，维护起来也容易一些。
操作系统负责交互界面的，叫做外壳（Shell）。前面介绍过，包括命令解释器和图形用户界面等。
除了内核和外壳以外，操作系统还包括许多其它工具和服务，例如备份工具、恢复工具、防火墙、网络服务等。
下面这个，是一个操作系统整体架构的示意图：

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这个是Linux系统的架构示意图，供参考：

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█ 操作系统的常见分类
随着技术的发展，现代操作系统已经经历了数十年的演变。
计算机硬件不断升级，用户需求不断增加，系统功能不断迭代，最终导致整个操作系统的架构变得越来越复杂，代码体积也越来越庞大。
以前的操作系统只有几MB，一个软盘就能装得下。现在的操作系统，动辄几个GB，甚至几十GB，DVD光盘都装不下。
针对不同的设备终端类型，以及不同的应用场景，操作系统也出现了细化分的趋势，演变出很多类别。
通常来说，操作系统大致可以分为桌面操作系统、服务器操作系统、移动终端操作系统、嵌入式操作系统、物联网操作系统等类别。
如下表所示：

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关于这些操作系统的具体故事，大家可以参考小枣君之前的文章，今天就不再赘述了：
操作系统的最强入门科普（Unix/Linux篇）
操作系统的发展史（DOS/Windows篇）
手机操作系统的沉浮往事（上）
手机操作系统的沉浮往事（下）
好啦，以上就是今天文章的全部内容。
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