写给小白的操作系统入门科普

在这篇文章中，我们来谈谈操作系统（Operating System, OS）。

我们每天都在使用操作系统。Windows、Linux、安卓、iOS，它们都是非常经典的操作系统。有了它们，我们可以更好地使用硬件终端设备，如计算机和手机。

那么，操作系统的本质是什么呢？它的功能和特点是什么？我们常说的过程、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。

█ 操作系统是什么？

从本质上讲，操作系统实际上是一套软件。它也是由代码编写的，就像我们现在常用的一样 Windows10主要是 C / C 写的。

操作系统属于软件，但也是一个非常特殊的软件。

在整个计算机架构中，它最接近硬件，是最重要和最基本的软件。它负责控制和管理整个计算机系统的资源，并进行合理的组织、调度和分配。

计算机的层次结构

对于用户（user）以及上层应用软件（application）就操作系统而言，隐藏了许多底层细节，通过标准接口进行调用，极大地简化了上层应用软件的开发。

同时，它还提供了许多辅助工具和功能，使用户能够更好地控制计算机的运行状态。

换句话说，操作系统是一个超级管家。它管理一切，为用户服务，并对用户负责。

█ 操作系统的核心功能

操作系统的核心功能可分为以下几个方面：

一是流程管理。

进程（Process）和线程（Thread），这两个概念在操作系统中非常重要。

流程是资源分配的基本单位。操作系统负责过程之间的创建、终止、调度、同步和通信。应用程序的运行，包括操作系统本身的核心功能，都以过程的形式存在。

每个过程包括程序的代码、数据和状态，以及操作系统为程序分配的资源（如内存空间、文件句柄、网络端口等）。操作系统通过过过程管理确保每个过程的高效和安全共享 CPU 时间。

我们使用“Ctrl Alt Del"快捷键调出 Windows 任务管理器可以看到许多过程：

任务管理器

线程是操作系统操作调度的最小单位。

线程比过程低一级，是过程中可以独立调度和分配的执行单位。

一个过程中可以有多个线程，共享相同的内存空间和资源，更容易通信和数据共享。

进程与线程

例如，如果您启动浏览器程序，操作系统将打开相应的过程。在这个过程中，会有多个线程，例如 HTTP 请求线程、事件响应线程、渲染线程等。

如果您关闭浏览器程序，您可以从任务管理器中看到，此过程和相应的线程都消失了。当然，您也可以直接右键关闭任务管理器中的过程，程序将被迫退出。Linux 在里面干掉一个过程，使用的命令是“kill(杀)”。

操作系统直到后期才引入线程。它进一步提供了程序执行的并发性，提高了系统的效率。

过程和线程可以包括执行状态、就绪状态、阻塞状态等。管理过程和线程本质上是为了实现 CPU 资源分配调度。

过程的状态变化

需要注意的是，一个程序可以对应一个或多个过程。一个过程也可以对应一个或多个程序(尽管这是罕见的)。

二是内存管理。

我们以前多次提到过冯冯・诺依曼体系结构。只有当程序从硬盘到内存时，它才能被计算器使用（CPU）处理。为了保证正常运行，每个程序都有足够的内存空间。

冯・诺依曼架构

运行后，内存也需要及时释放，以便其他程序能够继续占用。

操作系统还负责内存的分配和回收。

除了内存分配外，操作系统还负责内存保护（确保每个程序只在自己的内存区域运行，过程不会相互干扰）、地址映射(将程序装入内存运行时，逻辑地址需要转换为内存单元限制的物理地址)、内存扩展(借助虚拟存储技术，从逻辑上扩展内存容量)等。

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。

具体来说，它可以完成用户流程提出的 I/O（输入 / 输出)请求分配用户流程所需的要求 I/O 设备，提高 CPU 和 I/O 提高设备利用率 I/O 速度等。高效 I/O 可以避免调度 I/O 设备拖动系统的运行。

四是文件系统管理。

文件系统是操作系统组织、存储和检索数据的一套规则。

操作系统为组织、存储、检索和保护文件提供了一套机制，包括文件的创建、删除、读写操作和目录结构的维护。也可以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，我们还需要指定谁能使用它们。

操作系统提供完善的安全机制，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。

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工具。如果我们想让计算机工作，我们需要一个良好的交互界面来发布命令、查询结果和状态。

操作系统提供图形用户界面（GUI，Graphical User Interface）或者命令行界面（CLI，Command Line Interface），方便用户与计算机交互。这是计算机在社会上全面普及的前提。

很多人都用过“很多人都用过”cmd“调出的命令行界面称为在线命令接口，也称为交互式命令接口。

我们以前也学过写批处理文件（.bat 文件)，给出几个命令，让计算机一个接一个地执行。这叫脱机命令接口。

除了(在线、离线)命令接口外，操作系统还提供程序接口。

一组系统调用程序接口（system call）该组成允许应用程序间接调用资源。

目前，许多应用程序通过高级语言提供的库函数间接调用系统。我们可以将这些库函数视为系统调用的进一步包装。

需要注意的是，所有与共享资源相关的操作(如存储分配、I/O 操作、文件管理等。)，必须通过系统调用向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这可以保证系统的稳定性和安全性。

█ 操作系统的主要特点

除上述六个功能外，操作系统还具有并发、共享、异步和虚拟四个特点。

并发（concurrency）

并发性是指在同一时间间隔内发生两个或两个以上的事件。操作系统具有并发性，是指其同时处理和调度多个程序的能力。

并发和并行（parallellism）有区别。并行是两个或两个以上的事件同时发生。例如，吃苹果和看电视是并行的。在 1 在几分钟内，吃苹果、香蕉和橘子是并发的。

显然，从宏观角度来看，并发是同时发生的，但从微观角度来看，它是分时交替发生的（有点像通信中的“时间重用”）。并发测试了资源调度的能力，并行需要硬件的支持，如多核处理器。

共享（sharing）

共享是指系统中的资源可以通过多个并发过程共同使用。它分为两种方式，相互排斥和共享。

互排斥共享，顾名思义，就是不能同时使用。只有在一个过程访问并释放资源时，才允许另一个过程访问资源。这种资源被称为临界资源或独家资源。计算机系统中的大多数物理设备都是临界资源。

同时共享意味着可以同时使用多个过程。硬盘是最典型的设备。

我们也应该看到，共享的底层逻辑也与通信中的“重用”非常相似，要么是时间共享（时间重用），要么是物理资源空间共享（空间重用），主要取决于资源本身的属性。

异步（asynchronous）

异步是同步的反义词。同步意味着每个人都保持统一的节奏。而异步，就是走自己的路。

异步的前提是并发性。如果没有并发性，所有任务只能是 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。我们经常在云计算中提到这一点。虚拟是将一个物理实体变成几个逻辑实体。

虚拟的本质是资源的再利用。它只是通过软件实现的。用户感受到的是多个逻辑实体。

█ 操作系统的组成架构

让我们来看看操作系统的组成架构。

操作系统的核心是我们经常听到的核心（Kernel）。

核心直接与硬件交互，并为其他系统软件和应用程序提供服务。除交互界面外，上述操作系统的核心功能大多与核心密切相关。

计算机里的 CPU，工作状态可分为内核状态(也称管状态)和用户状态(也称目状态)。操作内核程序时，是内核状态。操作应用程序时，是用户状态。

操作系统有两种指令：“非特权指令”和“特权指令”。

应用程序只能使用“非特权指令”，如加法指令、减法指令等。作为“管理者”，操作系统的核心有时会让 CPU 执行一些 high level 内存清零指令等“特权指令”。这些指令影响很大，只允许操作系统内核使用。

当操作系统处于核心状态时，可以执行特权指令。如果处于用户状态，则只能执行非特权指令。

一般情况下，用户启动应用程序后，操作系统内核程序会在适当的时候主动放弃 CPU，转向用户状态。此时，如果中断，操作系统的核心将被迫恢复 CPU 控制权，让 CPU 从用户态到内核态。

这里只是说中断（Interrupt）。

当处理器收到信号并提示发生事件时，应注意。这种情况称为中断。

中断分为内中断和外中断。

内部中断又称异常，是指来自 CPU 内部事件与当前执行指令有关。如程序的非法操作代码、地址越界、操作溢出等。异常不能被屏蔽，一旦发生，应立即处理。

三种典型的内部中断类型包括：陷入困境（trap，由陷入指令引起)、故障（fault，内核程序可以通过错误的条件进行修复)、终止（abort，内核程序因致命错误而无法修复)。

外部中断是狭义的中断，信号来自 CPU 外部事件与当前执行的指令无关。典型的是时钟中断和时钟中断 I/O 中断，或人为干预。

继续说内核。

内核也分为大内核、微内核等多种类型。

所有操作系统服务都在内核空间运行，即大内核，又称宏内核和单内核。

只有最基本的系统服务在核心空间运行，其他服务移出核心，放在用户空间运行，是微核心。

微内核比大内核更灵活，架构更清晰，代码不那么大，更容易维护。

操作系统负责交互界面，称为外壳（Shell）。包括命令解释器和图形用户界面。

除内核和外壳外，操作系统还包括备份工具、恢复工具、防火墙、网络服务等许多其他工具和服务。

以下是操作系统整体架构的示意图：

这个是 Linux 系统架构示意图，供参考：

█ 常见的操作系统分类

随着技术的发展，现代操作系统已经发展了几十年。

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越来越复杂，代码体积越来越大。

以前的操作系统只有几个 MB，一个软盘可以安装。现在的操作系统，通常有几个 GB，甚至几十 GB，DVD 光盘装不下。

对于不同的设备终端类型，以及不同的应用场景，操作系统也有细化分类的趋势，演变成多个类别。

一般来说，操作系统大致可分为桌面操作系统、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：

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，今天就不赘述了：

操作系统最强入门科普（Unix / Linux 篇）

操作系统的发展历史（DOS / Windows 篇）

手机操作系统的起起落落(上)

过去手机操作系统的起伏(下)

以上就是今天文章的全部内容。

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本文来自微信公众号：微信公众号（ID：null），作者：小枣君

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