計算機(jī)操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)指南

作者簡介：

程磊，某手機(jī)大廠系統(tǒng)開發(fā)工程師，閱碼場榮譽總編輯，最大的愛好是鉆研Linux內(nèi)核基本原理。

一、計算機(jī)簡介

1.1 什么是計算機(jī)

1.2 計算機(jī)發(fā)展史

1.3 計算機(jī)的二元結(jié)構(gòu)

二、計算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)

2.1 圖靈機(jī)模型

2.2 馮諾依曼結(jié)構(gòu)

2.3 現(xiàn)代計算機(jī)結(jié)構(gòu)

三、計算機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)軟件

3.2 應(yīng)用軟件

四、操作系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

4.1 內(nèi)核

4.2 OS庫

4.3 OS進(jìn)程

五、操作系統(tǒng)本質(zhì)解析

5.1 操作系統(tǒng)的目的

5.2 操作系統(tǒng)的作用之一

5.3 操作系統(tǒng)的作用之二

六、計算機(jī)運行模型

6.1 CPU運行模型

6.2 進(jìn)程調(diào)度模型

6.3 軟件體系結(jié)構(gòu)

一、計算機(jī)簡介

在講解操作系統(tǒng)之前，我們先從整體上講一下計算機(jī)，再從硬件講到軟件，最后再講操作系統(tǒng)。

1.1 什么是計算機(jī)

我們生活中幾乎到處都能接觸到計算機(jī)，從我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、平板，到辦公使用的筆記本、臺式機(jī)，到銀行的ATM機(jī)，到各處可見的監(jiān)控設(shè)備，還有我們平時看不見但是我們?yōu)g覽的網(wǎng)頁其所在的服務(wù)器，還有微信、抖音等我們?nèi)粘Ｋ玫腁PP它們所在的服務(wù)器，等等，這些都是計算機(jī)。如果沒有了計算機(jī)，我們的生活將難以想象。那么究竟什么是計算機(jī)呢，這個還真不好下定義的，那我們就來看一下百度百科對計算機(jī)的定義：計算機(jī)俗稱電腦，是現(xiàn)代一種用于高速計算的電子計算機(jī)器，可以進(jìn)行數(shù)值計算，又可以進(jìn)行邏輯計算，還具有存儲記憶功能。是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。計算機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，從我們?nèi)粘Ｗ畛Ｒ姷呐_式機(jī)、筆記本到手機(jī)平板都是計算機(jī)，而且大到服務(wù)器、超級計算機(jī)，小到各種嵌入式設(shè)備也都是計算機(jī)。現(xiàn)在我們對計算機(jī)既有了感性的認(rèn)識，又知道了的它的權(quán)威定義，那么計算機(jī)是怎么產(chǎn)生的呢，下面我們來看一看計算機(jī)的發(fā)展史。

1.2 計算機(jī)發(fā)展史

計算機(jī)的發(fā)展史從概念上最早可以追溯到結(jié)繩計數(shù)、手指頭計數(shù)，有了計數(shù)然后我們就有了加減乘除各種計算需求。但是人類天然的計算能力不太行，于是便開始創(chuàng)造工具、使用工具進(jìn)行計算。最古老的計算工具當(dāng)數(shù)中國的算盤了，算盤運用熟練的話可以使加減運算的速度大大加快。后來歐洲人發(fā)明了計算尺，通過對數(shù)方式把乘除運算轉(zhuǎn)換為加減運算，使得乘除的計算速度有了很大的飛躍。歐洲在文藝復(fù)興和科學(xué)革命之后，很多科學(xué)家都想發(fā)明一種通過齒輪和力學(xué)原理來驅(qū)動的機(jī)械計算機(jī)，最出名的當(dāng)數(shù)帕斯卡發(fā)明的加法器了，可以進(jìn)行6位數(shù)的加減運算。與牛頓同時期的著名數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家萊布尼茨在帕斯卡之后發(fā)明了乘法器，可以進(jìn)行加減乘除開方運算。萊布尼茨的理想遠(yuǎn)不止于此，他一直想把邏輯思維轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)運算，并且用機(jī)器實現(xiàn)邏輯運算。雖然在當(dāng)時沒有實現(xiàn)，但是為后來的計算機(jī)發(fā)展提供了很大的啟發(fā)。據(jù)說萊布尼茨看了中國的易經(jīng)八卦之后從中發(fā)現(xiàn)了二進(jìn)制，并認(rèn)為以后的計算機(jī)可能會采取二進(jìn)制來實現(xiàn)。

19世紀(jì)早期的英國科學(xué)家巴貝奇發(fā)明了差分機(jī)，差分機(jī)可以進(jìn)行一些非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，如多項式計算、求解三角函數(shù)等。后來他又設(shè)計出了分析機(jī)，但是由于分析機(jī)過于復(fù)雜，在當(dāng)時并沒有制造出來。雖然分析機(jī)沒有造出來，但是它的意義卻是非常巨大的。它的內(nèi)部有存儲部分，有碾磨(相當(dāng)于現(xiàn)在的CPU)，還有輸入輸出部分，已經(jīng)可以看到現(xiàn)代計算機(jī)的影子了。而且巴貝奇是第一個意識到計算機(jī)是需要編程的人，在此之前人們一直覺得計算機(jī)如果造出來了，它就可以做任何它能做的事情，并不需要人類為它編程，當(dāng)然之前的人也意識不到編程是什么意思。英國著名詩人拜倫的女兒Ada，自幼對數(shù)學(xué)興趣濃厚，與科學(xué)家交往甚密。后來在其它人的介紹下認(rèn)識了巴貝奇，兩人很快就成為了亦師亦友的關(guān)系。雖然分析機(jī)并沒有造出來，但是Ada還是為分析機(jī)寫了很多程序，所以被后世稱為歷史上第一個程序員。估計絕大多數(shù)人都想不到世界上第一個程序員竟然是位女程序員。后來美國國防部設(shè)計了一種計算機(jī)語言，用的就是Ada的名字來命名的。

然后計算機(jī)從機(jī)械時代到了機(jī)電時代，很快又到了電子時代。1946年2月14日，被認(rèn)為是世界上第一臺電子計算機(jī)的ENIAC誕生了，之后計算機(jī)的發(fā)展就走上了快車道，從電子管到晶體管到集成電路到大規(guī)模集成電路，一直發(fā)展至今。這一段歷史比較清晰，網(wǎng)上的資料也很多，而且這段歷史中計算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生多大的變化，所以我們就不展開細(xì)說了。

1.3 計算機(jī)的二元結(jié)構(gòu)

計算機(jī)是由硬件和軟件組成的，就像人是由肉體和靈魂組成的一樣。計算機(jī)的各種硬件就像是人的大腦、心肝脾肺腎、骨骼、皮膚一樣，支撐著人活著。但是人要是只有肉體沒有靈魂，那就是植物人，電腦要是只有硬件沒有軟件，那就是一堆金屬和塑料，沒有用處。下面兩章我們分別講一下計算機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)。

二、計算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)

我們按照從簡單到復(fù)雜、從抽象到具體的過程來講一講計算機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)。

2.1 圖靈機(jī)模型

什么是圖靈機(jī)，我們?yōu)槭裁匆v圖靈機(jī)?圖靈機(jī)是計算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，我們在這里講圖靈機(jī)并不是為了學(xué)習(xí)圖靈機(jī)本身，圖靈機(jī)的理論還是很復(fù)雜的。我們這里講圖靈機(jī)就是為了理解一下計算機(jī)的運行模型，明白CPU的運行是線性的。我們先來看一下圖靈機(jī)的定義，圖靈機(jī)是英國數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈于1936年提出的一種抽象的計算機(jī)模型，即將人們使用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運算的過程進(jìn)行抽象，由一個虛擬的機(jī)器替代人類進(jìn)行數(shù)學(xué)運算。它有一條無限長的紙帶，紙帶分成了一個一個的小方格，每個方格有不同的內(nèi)容。有一個機(jī)器頭在紙帶上移來移去。機(jī)器頭有一組內(nèi)部狀態(tài)，還有一些固定的程序。在每個時刻，機(jī)器頭都要從當(dāng)前紙帶上讀入一個方格信息，然后結(jié)合自己的內(nèi)部狀態(tài)查找程序表，根據(jù)程序把信息輸出到紙帶方格上，并轉(zhuǎn)換自己的內(nèi)部狀態(tài)，然后進(jìn)行移動。我們可以看出圖靈機(jī)的定義還是很簡單的，圖靈機(jī)的運行模式和我們現(xiàn)在的CPU運行模式還是很像的，我們下面畫一個圖靈機(jī)的運行模型。

從圖中我們可以看到圖靈機(jī)模型確實非常簡單，有一個讀寫磁頭，磁頭有自己的內(nèi)部狀態(tài)，磁頭根據(jù)自己的內(nèi)部狀態(tài)會讀或者寫當(dāng)前方格里面的內(nèi)容，然后相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)，然后向左或者向右移動一格或者若干格繼續(xù)執(zhí)行。圖靈機(jī)本身的理論非常復(fù)雜，想學(xué)習(xí)的同學(xué)可以去搜索一下或者查閱相關(guān)的書籍。我們在這里想要說的就一點，圖靈機(jī)的運行是線性的，線性的意思不是說它是單向直線性的，而是說它只能在一條線上運行，而且所有運行的點按時間記錄排序是線性的。

2.2 馮諾依曼結(jié)構(gòu)

馮諾依曼結(jié)構(gòu)是計算機(jī)的物理模型，是計算機(jī)能夠制造出來的關(guān)鍵。馮諾依曼結(jié)構(gòu)由三部分組成：一是計算機(jī)硬件實現(xiàn)上采用二進(jìn)制;二是存儲程序設(shè)計，就是把計算機(jī)程序放到存儲器中，關(guān)于這一部分的論述就參看《深入理解編譯體系》的第一章;三是計算機(jī)由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五個部分組成?？刂破魇钦麄€計算機(jī)的神經(jīng)中樞，控制著整個計算機(jī)的運轉(zhuǎn)。控制器從存儲器中取指令，解析指令，然后根據(jù)指令的內(nèi)容讓運算器進(jìn)行相應(yīng)的運算或者向其它部件發(fā)出一些命令。運算器是負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)學(xué)運算和邏輯運算的部件，數(shù)學(xué)運算包括加減乘除移位比較等運算，邏輯運算包括與、或、非、異或等運算。存儲器是存儲程序和數(shù)據(jù)的地方。輸入設(shè)備和輸出設(shè)備是負(fù)責(zé)和人交互的設(shè)備，人們通過輸入設(shè)備向計算機(jī)輸入命令和數(shù)據(jù)，通過輸出設(shè)備得到計算機(jī)運算出來的結(jié)果。下面我們畫一張馮諾依曼結(jié)構(gòu)的圖。

可以看到馮諾依曼結(jié)構(gòu)比圖靈機(jī)模型復(fù)雜了不少，但是總體上還是很簡單的。有了馮諾依曼結(jié)構(gòu)，計算機(jī)就有了被造出來的物理模型，我們也可以從馮諾依曼結(jié)構(gòu)中更好地去理解計算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)。

2.3 現(xiàn)代計算機(jī)結(jié)構(gòu)

其實并沒有現(xiàn)代計算機(jī)結(jié)構(gòu)這個術(shù)語，現(xiàn)代計算機(jī)結(jié)構(gòu)是我把馮諾依曼結(jié)構(gòu)再具體化一下，把具體計算機(jī)結(jié)構(gòu)再抽象化一下總結(jié)出來的，可以讓大家更方便更深入地理解計算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代計算機(jī)和馮諾依曼結(jié)構(gòu)最主要的區(qū)別是把控制器和運算器合二為一稱作CPU，把存儲器一分為二，分為內(nèi)存和外存。我們來畫一下現(xiàn)代計算機(jī)結(jié)構(gòu)的圖。

現(xiàn)代計算機(jī)的具體體系結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，我只是撿其中比較關(guān)鍵的畫了出來，很多細(xì)節(jié)沒有畫，如總線、南橋、北橋、各種控制器等，上圖中也有很多連線沒有畫。計算機(jī)運行的時候先從外存中加載程序到內(nèi)存，然后CPU不斷地執(zhí)行內(nèi)存中的指令、讀寫內(nèi)存數(shù)據(jù)，CPU也會使內(nèi)存繼續(xù)從外存中讀取數(shù)據(jù)或者把內(nèi)存的數(shù)據(jù)更新到外存。CPU通過IO端口或者內(nèi)存映射IO來控制外設(shè)獲取外設(shè)的狀態(tài)或者數(shù)據(jù)，外設(shè)通過中斷控制器(APIC)向CPU通知報告一些事情。計算機(jī)就是這樣不斷運行的。

推薦閱讀：

想要學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)理論的話，推薦閱讀《Modern Operating Systems》《Operating System Concepts》《Operating Systems Design and Implementation》《Operating Systems Three Easy Pieces》《Operating Systems In Depth》《Operating Systems Internals and Design Principles》《Operating Systems A Concept-Based Approach》《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》這本是陳海波/夏虞斌著，和第一本的漢譯版重名，并不是同一本書。

想要學(xué)習(xí)Windows操作系統(tǒng)的話，推薦閱讀《Windows Internals 7th Part 1》和《Windows Internals 7th Part 2》

想要學(xué)習(xí)Mac OS操作系統(tǒng)的話，推薦閱讀《Mac OS X and iOS Internals》和《Mac OS X Internals A Systems Approach》

3.2 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件就比較好理解了，就是那些面向普通用戶實現(xiàn)某些特定需求的軟件，如上網(wǎng)-瀏覽器，聽歌-千千靜聽，看視頻-暴風(fēng)影音，追劇-愛奇藝，社交-微信，購物-淘寶，刷視頻-抖音。所有應(yīng)用軟件都運行在操作系統(tǒng)之上，享受操作系統(tǒng)的服務(wù)，并接受操作系統(tǒng)的管理。

四、操作系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

我們經(jīng)常說操作系統(tǒng)，那么究竟什么是操作系統(tǒng)呢，我們先來從操作系統(tǒng)的構(gòu)成成分的角度來講一講。操作系統(tǒng)是由三部分構(gòu)成的，其中最重要的是內(nèi)核部分，但是內(nèi)核并不是操作系統(tǒng)的全部，除了內(nèi)核外，OS庫和OS進(jìn)程也是操作系統(tǒng)的一部分。OS庫是運行在用戶空間進(jìn)程中的共享庫，雖然它是運行在用戶空間，雖然它只是共享庫，但是它是操作系統(tǒng)的一部分，因為它參與實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的一部分功能。OS進(jìn)程雖然是運行在用戶空間的進(jìn)程，但是它并不屬于應(yīng)用程序，因為它是實現(xiàn)操作系統(tǒng)功能必不可少的一部分。

4.1 內(nèi)核

內(nèi)核是操作系統(tǒng)最重要的部分，是操作系統(tǒng)的核心，它運行在內(nèi)核空間，運行在CPU特權(quán)模式，直接與硬件打交道，并直接管理著進(jìn)程的運行。內(nèi)核可以分為宏內(nèi)核與微內(nèi)核，宏內(nèi)核就是傳統(tǒng)的內(nèi)核方式，所有的內(nèi)核功能都放在內(nèi)核空間里。微內(nèi)核是把一些最基本的無法移出內(nèi)核的功能才放在內(nèi)核里，其它能放到用戶空間的功能全都放到用戶空間進(jìn)程里，叫做微服務(wù)，應(yīng)用進(jìn)程通過IPC與微服務(wù)溝通，微服務(wù)與微內(nèi)核一起構(gòu)成一個完成的內(nèi)核。

微內(nèi)核辯論:

我對微內(nèi)核的態(tài)度是和Linus是一樣的，下面的話是節(jié)選自Linus寫的書《Just For Fun》。

微內(nèi)核的理論依據(jù)是，操作系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，所以要通過模式化來減少復(fù)雜性。微內(nèi)核方法的原則，即核心的核心，是盡量減少功能。它的主要功能是傳播。電腦所提供的一系列不同的服務(wù)都是通過微內(nèi)核的傳播渠道實現(xiàn)的。因此，應(yīng)盡量分割問題的空間，使其不再復(fù)雜。我認(rèn)為這種做法很愚蠢。是的，每一個單獨的部分是簡單的，但是相互作用的多種功能如果放在一起就要復(fù)雜得多，而 Linux 就是后者的情況。想一想自己的大腦。每一個單獨的部分都很簡單，但是各部分的相互作用構(gòu)成了一個復(fù)雜的系統(tǒng)。這是一個整體比個別更大的問題。拿一個問題來說，如果你簡單地將問題一分為二，說半個問題要容易一半，那么你就忽略了一個事實，即：你必須要考慮到兩個半個之間的聯(lián)系所帶來的復(fù)雜性。微內(nèi)核的理論是，如果把核分為五十份，那么每一份都只有五十分之一的復(fù)雜性。但是每個人都忽視了一個事實，即各部分之間的聯(lián)系事實上比源系統(tǒng)更加復(fù)雜，而且那些個別部分也不是那么簡單。這是我對微內(nèi)核最重要的反駁：你想實現(xiàn)的簡單化是錯誤的簡單化。

上面是Linus的分析，我是非常贊同的，內(nèi)核的復(fù)雜是內(nèi)核的固有屬性，是它內(nèi)在邏輯的復(fù)雜，你把它人為的劃分到不同的用戶空間進(jìn)程，并沒有減少它內(nèi)在的邏輯復(fù)雜性。把一個事物模塊化能減少它的復(fù)雜性，但是模塊化不是說非得要在形式上把它們分割到不同的進(jìn)程，在邏輯上把它們分割開來就可以了。比如說有一個進(jìn)程非常復(fù)雜，你把它弄成一坨不分模塊是不對的，但是模塊化的形式可以是把它分割成一個exe和n個so就可以了，不一定非要把它做成n+1個進(jìn)程。n+1個模塊無論是在進(jìn)程內(nèi)交互，還是在進(jìn)程間交互，其本身的復(fù)雜性并沒有減少，進(jìn)程間通信還降低了效率。

微內(nèi)核還有一個經(jīng)常宣傳的優(yōu)點是如果某個微服務(wù)出了問題，只重啟這個微服務(wù)就可以了，不用重啟整個內(nèi)核。但是這個優(yōu)點是禁不起推敲的，以我在安卓系統(tǒng)上的工作經(jīng)驗為例，如果某個重要的JAVA進(jìn)程崩潰重啟了比如SystemServer，就會導(dǎo)致很多Java進(jìn)程包括所有的APK進(jìn)程都會重啟，雖然內(nèi)核沒有重啟，但是在用戶看來還是整個系統(tǒng)都重啟了。所以如果某個微服務(wù)重啟了，一定會導(dǎo)致所有的應(yīng)用進(jìn)程重啟的，在用戶看來還是整個系統(tǒng)重啟了，也許你會說微內(nèi)核本身并沒有重啟，所以整個重啟時間減少了，但是這點時間減少并沒有多少意義。而微內(nèi)核帶來的整個系統(tǒng)性能的大幅度下降這個問題，則是無法容忍和無法克服的。

我發(fā)現(xiàn)很多嵌入式系統(tǒng)使用的都是微內(nèi)核。因為嵌入式系統(tǒng)是一個相對封閉的系統(tǒng)，不會有經(jīng)常下載新程序、突然運行很多進(jìn)程的情況，所以嵌入式系統(tǒng)對性能的需求是穩(wěn)定的。所以微內(nèi)核只要在測試中能滿足嵌入式系統(tǒng)的性能需求，問題就不大。通用操作系統(tǒng)包括手機(jī)系統(tǒng)、桌面系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)，都有面臨負(fù)載突然暴增的情況，所以對性能的要求非常高。

目前所有流行的通用操作系統(tǒng)內(nèi)核都是宏內(nèi)核，有些宣稱自己是微內(nèi)核或者混合內(nèi)核的，本質(zhì)上還是宏內(nèi)核?！禡ac OS X Internals A Systems Approach》6.2章節(jié)明確說XNU不是微內(nèi)核，是宏內(nèi)核，《Mac OS X and iOS Internals》第8章Hybrid Kernels這一節(jié)說，Windows、MacOS雖然是混合內(nèi)核，但是實際上還是宏內(nèi)核。

4.2 OS庫

有些運行在用戶空間的動態(tài)庫，是屬于操作系統(tǒng)的一部分，這些庫雖然是庫，但是并不是由應(yīng)用程序開發(fā)者開發(fā)，而是由操作系統(tǒng)廠商開發(fā)，因為它們是構(gòu)成操作系統(tǒng)功能的一部分。在Linux上常見的OS庫有l(wèi)ibc.so、ld-linux-x86-64.so、libm.so、libpthread.so、libdl.so、librt.so、libcrypt.so、libpam.so、libX11.so等。Linux上的OS庫是非常多的，上面只是隨便舉幾個例子，下面我們對其中最重要的幾個進(jìn)行一下分析。

libc.so，libc(C Library)的二進(jìn)制動態(tài)庫形式，它的源碼實現(xiàn)有很多，Linux發(fā)行版一般用的是glibc，安卓上的libc的實現(xiàn)叫做bionic。libc不僅生成libc.so,還有l(wèi)ibpthread.so、ld-linux-x86-64.so等很多庫都是libc生成的。libc.so里面不僅有C標(biāo)準(zhǔn)庫的實現(xiàn)，還有對系統(tǒng)調(diào)用的封裝，所以libc.so不是一個普通的庫，它是內(nèi)核的對外接口庫，是非常重要的，是進(jìn)程運行必不可少的。你cat 任何一個進(jìn)程的 /proc/pid/maps 幾乎一定會看到libc.so,如果看不到，那是因為有些進(jìn)程是把libc靜態(tài)鏈接到自身了，進(jìn)程里面還是包含libc的。

ld-linux-x86-64.so，是Linux系統(tǒng)的加載器，負(fù)載在進(jìn)程啟動時把進(jìn)程所依賴的所有動態(tài)庫都加載到內(nèi)存并進(jìn)行一些重定位工作。沒有了ld-linux-x86-64.so，幾乎所有的應(yīng)用進(jìn)程都無法啟動運行。

libpthread.so，Linux的多線程實現(xiàn)庫，想要使用系統(tǒng)的多線程功能的進(jìn)程必須要調(diào)用這個so才行。

4.3 OS進(jìn)程

并不是所有的操作系統(tǒng)功能都放進(jìn)了內(nèi)核里，還有很多功能是放在了用戶進(jìn)程里來實現(xiàn)的，我們把這些進(jìn)程叫做OS進(jìn)程。我總結(jié)了一些常見的放在用戶空間的操作系統(tǒng)功能，它們是 init system、package system、window system。這些都被叫做某某系統(tǒng)，可見它們并不是簡單的一個進(jìn)程而已，它們一般是由一個進(jìn)程加上一些配置文件，有的還提供一些so，它們有著自己的邏輯體系，下面我們來一一講解一下。

Init system，是操作系統(tǒng)啟動的第一個用戶空間進(jìn)程，它負(fù)責(zé)把整個用戶空間給啟動起來，啟動系統(tǒng)所有的守護(hù)進(jìn)程，設(shè)置一些系統(tǒng)配置，在系統(tǒng)運行的過程中監(jiān)管著整個系統(tǒng)，系統(tǒng)的關(guān)機(jī)也由它負(fù)責(zé)。最早的init system 叫 sysv init，它的實現(xiàn)比較簡單直接方便，大量使用腳本。后來sysv init 變成了系統(tǒng)啟動速度慢的最大瓶頸，一是因為腳本的運行比較慢，二是因為它是單線程的，沒能發(fā)揮出多核的優(yōu)勢。后面就出現(xiàn)了兩個init system，分別是upstart 和 systemd 來解決sysv init 的問題，現(xiàn)在大部分linux發(fā)行版都把init system 換成了systemd。

Package system，一個系統(tǒng)上有那么多的軟件，該如何安裝、如何卸載、如何管理，安裝包該采取什么格式，這便是package system要做的工作。目前Linux上有兩個比較流行的package system，一個是redhat 推出的rpm，一個是debian推出的dpkg。

Window system 也叫做Graphics system，也就是一個操作系統(tǒng)的圖形界面該如何管理，這是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，牽涉面非常廣，為什么是Android呢，因為我在手機(jī)廠商工作的時候做過這方面的工作，相對比較熟悉，對Linux的圖形系統(tǒng)不太熟悉。

除了上面三個很大的系統(tǒng)之外，還有一些GUI程序，看起來像是應(yīng)用程序，但是實際上應(yīng)該劃到操作系統(tǒng)的內(nèi)容里面，比如桌面、文件管理器、設(shè)置等程序，因為它們是和操作系統(tǒng)緊密相關(guān)的，而且一般也是由操作系統(tǒng)廠商來開發(fā)和維護(hù)的。

五、操作系統(tǒng)本質(zhì)解析

前面我們對操作系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，下面我們從操作系統(tǒng)的功能作用的角度再對操作系統(tǒng)進(jìn)行具體的分析。我們先來思考一個問題，什么是操作系統(tǒng)，為什么要有操作系統(tǒng)?我們通過對操作系統(tǒng)發(fā)展歷史的研究以及對Linux內(nèi)核實現(xiàn)的深入研究發(fā)現(xiàn)，操作系統(tǒng)的存在就是為了一個目的，就是為了運行程序，如果再加個形容詞的話，那就是多快好省地運行程序。為了實現(xiàn)這個目的，操作系統(tǒng)提供了兩個作用：1.操作系統(tǒng)是一個更加高級的抽象計算機(jī)，2.操作系統(tǒng)是計算機(jī)資源管理器。下面我們對一個目的、兩個作用展開討論。

5.1 操作系統(tǒng)的目的

操作系統(tǒng)存在的目的就是為了運行程序。我們還可以用反證法來論證這個結(jié)論，假設(shè)操作系統(tǒng)不能用來運行程序，那么操作系統(tǒng)要它還有什么用呢。所以操作系統(tǒng)存在的目的就是為了運行程序，為了多快好省地運行程序，多就是多任務(wù)，快就是效率高，好就是安全穩(wěn)定，省就是節(jié)省資源，為了實現(xiàn)這個目的，操作系統(tǒng)做了非常大的努力。

既然是為了運行程序，那么我們要問的第一個問題就是程序是怎么來的呢。首先程序是用計算機(jī)編程語言編寫的。編寫程序的工具是什么呢，是文本編輯器。編寫的原則是什么呢，隨便怎么寫都可以嗎，不是的，首先要符合所使用語言的語法才行。其次我們對程序還有幾個要求，其中首先最重要的要求就是正確性，程序運行結(jié)果不正確可不行，除了編程時我們小心翼翼盡量保證程序邏輯正確外，我們在運行的時候發(fā)現(xiàn)程序不正確時還要用調(diào)試工具GDB來調(diào)試程序，找到程序的錯誤改正它。對于程序的內(nèi)存錯誤，我們還可以使用asan、malloc-debug、valgrind等工具來排查錯誤。再者我們寫的程序還要簡潔清晰、可讀性強(qiáng)、可維護(hù)性強(qiáng)，為了達(dá)到這個目的，我們要學(xué)習(xí)很多編程的藝術(shù)，在此給大家推薦幾本書：《Agile Software Development》《Clean Code》《The Clean Coder》《Clean Architecture》《Code Complete》《Design Patterns》《Refactoring Improving the Design of Existing Code》。其中大家在很多博客上經(jīng)常看到的一些編程原則如開閉原則、單一責(zé)任原則、依賴倒置原則等都是出自第一本書，漢譯書名叫《敏捷軟件開發(fā)》。再者我們寫的程序還要具有高效性，程序效率低運行慢可不行，那么怎么讓我們寫的程序比較高效呢，為此我們要學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，只有把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法學(xué)透了，我們才能把我們學(xué)到的方法和我們的需求結(jié)合起來，寫出來運行又快占用空間又小的程序。為此我向大家推薦幾本書：《Introduction to Algorithms》《Algorithm Design and Applications》《Algorithms in a Nutshell》《Data Structures and Algorithms in Java》《Algorithms》《An Introduction to the Analysis of Algorithms》。如果是已經(jīng)寫好的程序嫌它運行慢應(yīng)該怎么辦呢，我們有性能剖析工具gprof，它能幫你找到熱點代碼，然后你就可以進(jìn)行定向優(yōu)化，必要時還可以使用匯編語言實現(xiàn)一些函數(shù)來提高效率。

當(dāng)我們把源代碼都寫好了之后，程序就可以運行了嗎，不行，CPU不認(rèn)識源代碼，只認(rèn)識二進(jìn)制程序，所以我們還需要把源代碼編譯、鏈接成二進(jìn)制程序才行。二進(jìn)制程序有沒有格式呢，隨便怎么生成都行嗎，不行，不同的操作系統(tǒng)都有自己特定的二進(jìn)制程序格式。Linux使用的二進(jìn)制程序格式叫做ELF格式，ELF是一個總體格式，在不同的操作系統(tǒng)上、不同的CPU架構(gòu)上又有一些具體細(xì)化的要求，如都有哪些段，函數(shù)怎么傳遞參數(shù)等，這些統(tǒng)稱為ABI，應(yīng)用程序二進(jìn)制接口。源碼生成的二進(jìn)制程序可以分為exe主程序和so動態(tài)庫程序，主程序可以直接執(zhí)行，庫程序不能直接執(zhí)行，只能在別人的進(jìn)程里被調(diào)用執(zhí)行。程序運行起來就是進(jìn)程，一個進(jìn)程由一個exe主程序和n個so庫程序構(gòu)成。

還有一個概念叫做IDE，集成開發(fā)環(huán)境，它是一個圖形界面程序，里面集成了文件編輯器、調(diào)試器、編譯器、鏈接器、Build工具等，可以在一個程序里完成一系列開發(fā)操作。

5.2 操作系統(tǒng)的作用之一

操作系統(tǒng)為了運行程序提供了哪些作用呢，第一個就是操作系統(tǒng)是一個更加高級的抽象計算機(jī)。怎么理解這句話呢，我們從計算機(jī)發(fā)展的歷史來講解。最開始的時候是沒有操作系統(tǒng)的，只有應(yīng)用程序，應(yīng)用程序的開發(fā)要直接面向硬件開發(fā)，因為沒有人給你提供API。比如說你要讀寫一個文件，你該怎么辦，要是擱現(xiàn)在那是很簡單的，你只需要open(file path),read(fd),write(fd)就可以了。但是在當(dāng)時讀寫卻是非常復(fù)雜的，你需要了解磁盤的型號，知道磁盤的端口，知道磁盤的各個技術(shù)參數(shù)如磁盤有多少個盤面柱面扇區(qū)，你要自己編程管理每一個扇區(qū)，記錄哪一個扇區(qū)用過了哪一個扇區(qū)沒用過，想想都頭疼，都想放棄?，F(xiàn)在好了，現(xiàn)在有操作系統(tǒng)幫你做這些事情，你只需要按照操作系統(tǒng)給你的API去做就行了，那是十分的方便啊。操作系統(tǒng)向應(yīng)用程序提供的功能，從底層實現(xiàn)的角度來看叫做系統(tǒng)調(diào)用，從上層應(yīng)用的角度來看叫做API，系統(tǒng)調(diào)用和API看起來很像又不太一樣，但是它倆又有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。

5.3 操作系統(tǒng)的作用之二

操作系統(tǒng)的第一個作用是從單個進(jìn)程的角度來看的，操作系統(tǒng)是一個更加高級的抽象計算機(jī)。現(xiàn)在我們從多個進(jìn)程的角度來看，又發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)其實是個計算機(jī)資源管理器。這和操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定義又很契合，我們來看一下操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定義：操作系統(tǒng)是管理計算機(jī)硬件與軟件資源的計算機(jī)程序。操作系統(tǒng)需要處理如管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入設(shè)備與輸出設(shè)備、操作網(wǎng)絡(luò)與管理文件系統(tǒng)等基本事務(wù)。操作系統(tǒng)也提供一個讓用戶與系統(tǒng)交互的操作界面。

既然操作系統(tǒng)是計算機(jī)資源管理器，那么我們先來看一看計算機(jī)都有哪些資源呢?從第二章我們可以看出，計算機(jī)最主要的資源有CPU、內(nèi)存、外存、外設(shè)，因此我們可以很輕易地看出操作系統(tǒng)的四個必要組成部分分別是CPU管理、內(nèi)存管理、外存管理、設(shè)備管理。CPU管理就是CPU時間管理就是進(jìn)程調(diào)度。內(nèi)存管理是對內(nèi)存資源進(jìn)行管理，包括物理內(nèi)存的管理和虛擬內(nèi)存的管理。外存管理包括文件系統(tǒng)和磁盤驅(qū)動兩部分。設(shè)備管理是最復(fù)雜的，一般都是由內(nèi)核提供基礎(chǔ)代碼和驅(qū)動模型，由各個硬件廠商具體去寫自家設(shè)備的驅(qū)動程序，系統(tǒng)還會制定用戶空間接口，提供一些基礎(chǔ)操作庫。由于Linux支持的設(shè)備眾多，因此設(shè)備驅(qū)動代碼是Linux里面代碼最多的部分，占Linux總代碼的比例高達(dá)60%多。

操作系統(tǒng)管理計算機(jī)資源總體上有四種模式，分別是：1時間分割管理，2空間分割管理，3獨占性管理，4直接管理。我們把資源分為共享性資源和非共享性資源。共享不共享是相對于進(jìn)程來說的，有些資源直接對整個系統(tǒng)起作用，對進(jìn)程不可用，我們把系統(tǒng)對這種資源的管理方法叫做直接管理，例如中斷控制器。對于共享性資源，我們要根據(jù)資源自身的特點采取相應(yīng)的管理方式。資源的特點包括時間分割相似性和空間分割相似性。時間分割相似性是指在一個較少的時間片上資源仍然是可用的?？臻g分割相似性是指把資源分割成若干份，每一個仍然能達(dá)到資源本身的作用。對于具有時間分割相似性的資源我們采取時間分割管理，對于具有空間分割相似性的資源我們采取空間分割管理，如果兩者都不具有我們采取獨占性管理。

CPU管理：

對CPU應(yīng)該怎么管理呢，我們來思考一下。我們能不能采用空間分割管理呢?試一下，如果用空間分割管理，那么就是把一個CPU分割為n個部分，每個部分都是一個獨立的執(zhí)行單元，n個進(jìn)程各占一個各運行各的，好像也行，但是根據(jù)我們在第二章所學(xué)的知識，CPU做不到啊。如果用時間分割管理呢，把時間分成一片一片的，輪流分給每個進(jìn)程來使用，由于CPU是一條指令一條指令地執(zhí)行，不同進(jìn)程之間的指令是沒有依賴關(guān)系的，所以是可以的。所以我們對CPU采取的管理方式是時間分割管理。對CPU進(jìn)行時間分割管理就是進(jìn)程調(diào)度。

進(jìn)程調(diào)度需要統(tǒng)計進(jìn)程的運行時間，被動調(diào)度需要有定時器的支持，文件系統(tǒng)需要給文件打上時間戳，用戶空間也有查看時間、修改時間、設(shè)置定時器的需求。

內(nèi)存管理：

我們再來看一下對內(nèi)存應(yīng)該使用什么管理方式。內(nèi)存能不能進(jìn)行時間分割管理呢?能，把時間分成一片一片的，每個時間片就只有一個進(jìn)程就能獨享整個內(nèi)存。顯然這么做很不利于充分使用內(nèi)存，太浪費了，違背了多快好省地運行進(jìn)程的原則。那么能不能對內(nèi)存進(jìn)行空間分割管理呢?能，每個進(jìn)程占用一小塊內(nèi)存進(jìn)行運行，這樣能充分利用整個內(nèi)存。這么做有沒有什么缺點呢?有，內(nèi)核和各個進(jìn)程都在物理內(nèi)存里，大家都可以相互訪問甚至破壞別人的內(nèi)存，顯然是不安全的。對此有什么辦法呢，最先想到的也是最直觀的方法就是分段機(jī)制，修改CPU的運行原理，實現(xiàn)分段機(jī)制，內(nèi)核、每個進(jìn)程各自運行在各自的段里面。由于是在CPU硬件上實現(xiàn)的限制，誰也無法訪問自己段外面的內(nèi)存，這樣就實現(xiàn)了進(jìn)程隔離，非常安全了。但是這么做有沒有缺點呢?有，物理內(nèi)存本來就少，分完段之后物理空間就更小了，而且還有一個缺點就是程序啟動的時候就要把程序全部加載到內(nèi)存才行，不然運行到?jīng)]有加載的程序就崩潰了。對此有什么解決辦法嗎，最剛開始想的辦法是軟件的，每個程序要自己要寫個overlay manager，程序員要對自己程序的執(zhí)行流程有清晰的認(rèn)識，自己控制何時把哪部分即將會用到的程序加載到內(nèi)存，何時將哪部分暫時不會使用的程序再放回外存，這樣程序就可以使用較少的內(nèi)存也能順利運行了。但是這個做法非常麻煩，對程序員的考驗非常大，要解決這個問題還是得使用硬件機(jī)制才行。于是后來就產(chǎn)生了虛擬內(nèi)存/分頁機(jī)制，每個進(jìn)程都運行在虛擬內(nèi)存上，并且獨占整個虛擬內(nèi)存空間，這樣就實現(xiàn)了進(jìn)程隔離，非常安全，同時進(jìn)程并不立即分配物理內(nèi)存，而是程序在運行的過程中產(chǎn)生page fault 按需調(diào)頁，用到的時候再去分配物理內(nèi)存，這樣就可以節(jié)省物理內(nèi)存。所以Linux對內(nèi)存的管理方式是在形式上每個進(jìn)程都獨占整個虛擬內(nèi)存空間，在實際上進(jìn)程之間對物理內(nèi)存進(jìn)行空間分割管理，而且是延遲分配，用到的才分配，用不到就不分配，又節(jié)省了物理內(nèi)存，分頁機(jī)制真是太完美了。

外存管理：

顯然，外存也是采用空間分割管理的。

外設(shè)管理：

有些設(shè)備比如相機(jī)，既不具有時間分割相似性，也不具有空間分割相似性，只能對其進(jìn)行獨占性管理。我們可以來假設(shè)一下，如果對相機(jī)進(jìn)行時間分割管理的話，比如說A進(jìn)程用了0.5秒拍照拍了一半，B進(jìn)程又用了0.5秒拍照拍了一半，然后A進(jìn)程又用了0.5秒把整個照片拍完了，接著B進(jìn)程又用0.5秒把整個照片拍完了，顯然這是不可能的，因為相機(jī)做不到。我們再假設(shè)對相機(jī)進(jìn)行空間分割管理，比如說這個相機(jī)拍照的分辨率是1000×800的，A、B兩個進(jìn)程同時用相機(jī)，分別拍出了一個1000×400的照片，這也是不可能的，相機(jī)做不到。所以對相機(jī)只能采取獨占性管理，每個進(jìn)程在使用相機(jī)前都要先申請，使用完后再釋放，使用期間進(jìn)程對相機(jī)是獨占的。

計算機(jī)中除了CPU、內(nèi)存、主板、總線等之外的設(shè)備都叫做外設(shè)，內(nèi)核對外設(shè)的管理叫做設(shè)備管理，也是操作系統(tǒng)中非常重要的一塊。外設(shè)的運行需要驅(qū)動程序，內(nèi)核一般會提供總線的驅(qū)動和一些設(shè)備類型的框架代碼，然后由各個硬件廠商去編寫具體的驅(qū)動程序。想學(xué)習(xí)Linux驅(qū)動編程的話，推薦閱讀《Linux Device Drivers》《Essential Linux Device Drivers》《Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解》。

有些設(shè)備，并不是單單有個驅(qū)動就能獨立運行了，而是與用戶空間庫和進(jìn)程一起構(gòu)成了一個新的系統(tǒng)，比如網(wǎng)卡和顯示器。網(wǎng)卡需要網(wǎng)卡驅(qū)動，但是只有網(wǎng)卡驅(qū)動，網(wǎng)卡還是沒有用，網(wǎng)卡與網(wǎng)卡驅(qū)動還有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還有一些相關(guān)的硬件軟件共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。再說顯示器，光有個顯示驅(qū)動也是沒有意義的，顯示器只是計算機(jī)圖形系統(tǒng)中的一個組成部分。計算機(jī)圖形系統(tǒng)還包括GPU、渲染庫、窗口系統(tǒng)等很多組件。

中斷機(jī)制：

計算機(jī)中外設(shè)與CPU的交互方式，除了CPU可以控制外設(shè)之外，外設(shè)也可以主動向CPU報告事情，避免了CPU輪詢外設(shè)的低效行為，這種方式就叫做中斷。中斷除了這個作用之外還有其它一些作用，比如可以用來處理CPU異常、用來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，定時器中斷還可以用來實現(xiàn)搶占式多任務(wù)。所以中斷機(jī)制對操作系統(tǒng)來說是非常重要的，重要性就相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)加呼吸系統(tǒng)一樣重要。

編程設(shè)施：

計算機(jī)除了管理硬件之外，還為軟件提供了兩個編程設(shè)施，分別是線程同步和進(jìn)程間通信。線程同步是因為多個執(zhí)行流(線程)同時訪問公共數(shù)據(jù)引起的，如果不采取一些措施的話就會產(chǎn)生程序錯誤，因此操作系統(tǒng)提供了線程同步這個編程設(shè)施來解決這個問題。線程同步中有一個非常常用的方法叫做自旋鎖。

進(jìn)程間通信是因為有了虛擬內(nèi)存/分頁機(jī)制之后產(chǎn)生了進(jìn)程隔離，進(jìn)程之間無法直接訪問對方，所以需要通過內(nèi)核提供的進(jìn)程間通信機(jī)制來進(jìn)行溝通，具體內(nèi)容請參看《深入理解Linux進(jìn)程間通信》。Linux還有一個重要的機(jī)制叫做信號機(jī)制(signal)，它和IPC很像，但又不是典型的IPC，也不僅僅是IPC，它還是系統(tǒng)處理CPU異常的方法。

其它模塊：

操作系統(tǒng)還有兩個重要的模塊：一個是和社會因素有關(guān)的安全防護(hù)，一個是和物理因素有關(guān)的電源管理。電源管理包括基本電源管理和高級電源管理，基本電源管理包括：睡眠、休眠、關(guān)機(jī)、重啟，高級電源管理也就是各種省電機(jī)制，如CPUIdle、CPUFrequ、DEVFreq，另外溫控也可以算到電源管理里面。