本篇開始，將介紹操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，這一部分的知識(shí)涵蓋操作系統(tǒng)通識(shí)到具體的平臺(tái)。和本系列前面所有文章一樣，力求精簡(jiǎn)但有所突破。

1. 硬件使用回顧

如果已經(jīng)閱讀過(guò)前面的文章，那么應(yīng)該對(duì)計(jì)算機(jī)硬件執(zhí)行計(jì)算的概念有所了解，這里做一下簡(jiǎn)單回顧，也是作為操作系統(tǒng)必要性的基礎(chǔ)。
計(jì)算機(jī)硬件主要可以分為如下四大部分：

• CPU，包括控制單元CU和執(zhí)行單元EU，執(zhí)行單元其實(shí)還是通過(guò)算術(shù)邏輯單元ALU來(lái)實(shí)現(xiàn)功能
• 存儲(chǔ)器，包括內(nèi)存、Cache，以及最貼近CPU的寄存器等
• 輸入輸出設(shè)備，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、磁盤等等
• 總線，連接上述三種元器件的電氣線纜，起到連通的作用

那么典型的計(jì)算過(guò)程是：

• 基于CPU支持的指令集ISA編寫任務(wù)描述
• 通過(guò)輸入設(shè)備輸入到存儲(chǔ)器中，注意這期間使用到了總線
• CPU執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，期間同樣使用到了總線
• 通過(guò)輸出設(shè)備輸出結(jié)果，期間使用到了總線

看起來(lái)也沒(méi)什么問(wèn)題，程序員應(yīng)該有能力獨(dú)立完成上述步驟，順利調(diào)用CPU進(jìn)行計(jì)算。但有一個(gè)問(wèn)題要先引起重視，那就是總線的使用時(shí)機(jī)。

1.1 總線使用

圖中可以看出，總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線三種，這里不去討論分類的細(xì)節(jié)，畢竟從名稱上所能觀察到的含義足夠使用。思考的問(wèn)題是，為什么總線要分類？

總線之所以要分類，首先是因?yàn)榭偩€總數(shù)有限，就是說(shuō)從硬件層面，不能將每?jī)蓚€(gè)可能發(fā)生通信的組件之間全部用總線相連。既然不能形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專線，而組件之間又確實(shí)有通信的需求，那就只能采取一個(gè)辦法，共用總線。

共用總線是好事，畢竟遠(yuǎn)離CPU的線纜大部分時(shí)候都是處于空閑狀態(tài)的，假如能夠共享硬件總線，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)還是電路設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，都是一件節(jié)約成本的事。簡(jiǎn)單的共用無(wú)非就是大家約定俗成，分時(shí)段使用，不過(guò)這樣一點(diǎn)也不高效，畢竟使不使用總線要看任務(wù)描述中的指令順序，要看指令的操作對(duì)象是數(shù)據(jù)、地址還是需要控制。為了更加高效地利用線纜，那么一定需要一個(gè)類似總線控制的單元。該單元管理并維護(hù)著所有總線的使用，擁有調(diào)度的能力，這樣才能夠及時(shí)填補(bǔ)空檔，并有效響應(yīng)其他組件使用總線的需求。

到了這里，就自然明白總線為什么要分類了。分類是為了更好地管理總線，不僅要分，最好是能進(jìn)一步細(xì)分，分類越細(xì)，越能在調(diào)度時(shí)提供更多信息支持，越能物盡其用。

說(shuō)了這么些關(guān)于總線使用的問(wèn)題，主要是引出一個(gè)概念：硬件資源獨(dú)占時(shí)，可以隨意使用，但帶來(lái)問(wèn)題是使用率低，不經(jīng)濟(jì)。如果要共享，就必須有所謂的控制單元，建立規(guī)則，進(jìn)行管理。否則各個(gè)用戶不僅無(wú)法正常完成自己的計(jì)算任務(wù)，而且還很有可能干擾其他人的計(jì)算需求。

1.2 資源管理

如上所述，當(dāng)需要共享某一硬件資源來(lái)達(dá)到提高利用率并同時(shí)保持良好響應(yīng)的目標(biāo)時(shí)，就需要有控制單元進(jìn)行管理。對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件整體而言，如獨(dú)占使用，每次只運(yùn)行一個(gè)計(jì)算任務(wù)，那么只要在總線這一層實(shí)現(xiàn)控制即可。然而如果要運(yùn)行多個(gè)計(jì)算任務(wù)，或是多個(gè)用戶共享使用，那就需要一個(gè)控制單元來(lái)完成管理、調(diào)度的功能。而在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，這個(gè)單元就叫做操作系統(tǒng)。

2. 操作系統(tǒng)

那么不言而喻，操作系統(tǒng)最根本的工作是進(jìn)行資源管理，確保計(jì)算任務(wù)可以正確執(zhí)行。當(dāng)然任何管理總是有管理理念的差異存在，對(duì)應(yīng)的也就是操作系統(tǒng)調(diào)度算法各有側(cè)重。對(duì)比操作系統(tǒng)發(fā)展史，主要有如下兩個(gè)方向：

• 追求高CPU利用率，即盡可能填滿CPU指令周期。典型的有批處理操作系統(tǒng)、多道操作系統(tǒng)
• 追求低響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，即有更好的交互體驗(yàn)。典型的有分時(shí)操作系統(tǒng)

這兩個(gè)方向有各自相違背的點(diǎn)，因?yàn)樗^的低響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，就代表著必須能夠中斷執(zhí)行中的任務(wù)，而每次中斷，實(shí)質(zhì)上，對(duì)于單個(gè)任務(wù)來(lái)講，都是延長(zhǎng)了總執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)的因素。不過(guò)如果能因此服務(wù)于更多用戶、更多計(jì)算任務(wù)，甚至更好地將使用到不同組件的任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，一點(diǎn)點(diǎn)中斷開銷還是值得的。

2.1 操作系統(tǒng)的定義

道理講到這里，也不能免俗，需要為操作系統(tǒng)下一個(gè)定義。操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，它管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源，并向計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序提供通用服務(wù)。

換成圖示的話，它在整個(gè)計(jì)算任務(wù)中的位置如下所示：

貌似前文中我們只講到操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件的，但這里的定義中還出現(xiàn)了軟件資源，那么這些軟件資源指的又是什么？

我們知道，所謂軟件、應(yīng)用程序這些名詞代表的無(wú)非是計(jì)算任務(wù)描述，它從根本上是由CPU ISA中指令加上操作對(duì)象有序組合而成。既然核心元素是CPU ISA，而各廠家CPU又有所不同，那么編寫程序時(shí)，一定需要根據(jù)具體ISA去編寫。這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，每個(gè)軟件想要運(yùn)行在某一CPU上，先要找到手冊(cè)，逐字逐句進(jìn)行翻譯（指令映射），才能運(yùn)行。但這些工作其實(shí)都是機(jī)械重復(fù)且低效的，也就意味著要重復(fù)地投入大量人力物力來(lái)完成這個(gè)步驟，然而有一個(gè)設(shè)備很擅長(zhǎng)干這種臟活累活，那就是計(jì)算機(jī)。如果我們可以將指令映射的步驟自動(dòng)化，讀取CPU ISA手冊(cè)，自動(dòng)映射，就無(wú)需再手動(dòng)處理。而這個(gè)過(guò)程，就是編譯器的雛形。

所以軟件資源指的是一些基礎(chǔ)功能資源，提供一些基礎(chǔ)功能，以供編寫計(jì)算任務(wù)描述時(shí)使用，簡(jiǎn)化任務(wù)描述的編寫時(shí)間。而也是因?yàn)檫@些基礎(chǔ)軟件資源，對(duì)底層硬件（如CPU）進(jìn)行了封裝（wrap），才使得操作系統(tǒng)可以提供通用服務(wù)。

2.2 操作系統(tǒng)提供了哪些服務(wù)

由于個(gè)人無(wú)法給出準(zhǔn)確定義，而又不能誤人誤己，只能選擇翻譯大牛書籍，書籍名稱為《Operating Systems Internals and Design Principles》 2.1.1小節(jié)內(nèi)容。

通常，一個(gè)完整的操作系統(tǒng)需要提供以下幾個(gè)方面的服務(wù)：

• 程序開發(fā)
  操作系統(tǒng)提供各式各樣的工具和服務(wù)，如編輯器、調(diào)試器，用于幫助程序員開發(fā)程序。這些工具按照封裝程度可以進(jìn)一步劃分為以下兩種：

  • Instruction Set Architecture
    指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)ISA，定義了操作系統(tǒng)使用的機(jī)器語(yǔ)言指令系統(tǒng)。事實(shí)上，應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)均可以直接訪問(wèn)ISA。

  • Applicaiton Binary Interface
    應(yīng)用程序二進(jìn)制接口ABI，定義了操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口，以及在系統(tǒng)中通過(guò)ISA能夠使用的硬件資源和服務(wù)。每個(gè)操作系統(tǒng)或平臺(tái)會(huì)選擇使用一種二進(jìn)制格式作為可執(zhí)行格式，同一程序如需在不同操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)可移植，就必須在ABI層進(jìn)行適配。

  • Application Programming Interface
    應(yīng)用程序編程接口API，API封裝了操作系統(tǒng)所提供的硬件資源和服務(wù)，使用API可以降低應(yīng)用程序復(fù)雜度，移植時(shí)，也可以直接在API層進(jìn)行映射。

• 程序運(yùn)行
  程序運(yùn)行需要很多步驟，包括加載指令和數(shù)據(jù)、初始化I/O設(shè)備和文件，以及其他相關(guān)資源。有了操作系統(tǒng)，程序員只要在編寫程序是遵循所提供接口即可，而無(wú)需關(guān)心執(zhí)行所需的具體細(xì)節(jié)。

• I/O設(shè)備訪問(wèn)
  同樣的，操作系統(tǒng)中可能會(huì)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，程序之間對(duì)I/O設(shè)備的訪問(wèn)需要管理以便順利協(xié)作。操作系統(tǒng)封裝I/O設(shè)備的硬件細(xì)節(jié)，為程序提供統(tǒng)一接口，同時(shí)也管理、維護(hù)I/O設(shè)備使用情況以便調(diào)度。

• 文件訪問(wèn)控制
  文件從操作系統(tǒng)的角度來(lái)看，是I/O設(shè)備磁盤上的一種對(duì)象。通過(guò)對(duì)象的抽象，將一組二進(jìn)制值約束為文件內(nèi)容，同時(shí)通過(guò)額外的二進(jìn)制值來(lái)代表各種訪問(wèn)屬性。所以文件實(shí)際上可以成為磁盤類I/O設(shè)備的訪問(wèn)單元，因此，對(duì)于I/O設(shè)備本身的管理自然包括了內(nèi)部所有文件情況的維護(hù)。

• 系統(tǒng)訪問(wèn)
  操作系統(tǒng)管理資源，也維護(hù)這大量有關(guān)資源的信息。這些信息的訪問(wèn)必須有所保護(hù)，否則一旦被惡意修改，輕則系統(tǒng)信息錯(cuò)誤，重則直接崩潰。同時(shí)，對(duì)于同一資源的訪問(wèn)，系統(tǒng)層也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行調(diào)度，以保證相互間互不沖突。

• 錯(cuò)誤檢測(cè)和響應(yīng)
  計(jì)算機(jī)硬件終歸是電氣電路組成的，電氣電路在使用環(huán)境、壽命等因素的影響下，會(huì)出現(xiàn)潛在錯(cuò)誤。同時(shí)，軟件編寫中也可能引入錯(cuò)誤，如除零。操作系統(tǒng)會(huì)對(duì)這些潛在錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)，并嘗試修復(fù)。如無(wú)法修復(fù)，則提示用戶或最終關(guān)機(jī)。

• 統(tǒng)計(jì)信息
  對(duì)于所有資源的管理調(diào)度，需要基于對(duì)應(yīng)的維護(hù)信息，只有在各相關(guān)組件間共享這些內(nèi)容，才能更加精確地達(dá)成提高CPU利用率或更低響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的目標(biāo)。

3. 操作系統(tǒng)組織架構(gòu)

3.1 單內(nèi)核

單內(nèi)核中所有服務(wù)如文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)管理等都由多個(gè)運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)（Kernel Mode）的模塊來(lái)完成。雖然每個(gè)模塊單獨(dú)服務(wù)，但由于高度集成，一旦某一模塊產(chǎn)生bug，則會(huì)使整個(gè)內(nèi)核崩潰。不過(guò)同樣因?yàn)榧啥雀撸胁僮魑挥谕坏刂房臻g內(nèi)，控制代碼的運(yùn)行效率會(huì)更高。

傳統(tǒng)UNIX、DOS以及早期的Mac OS系統(tǒng)均采用單內(nèi)核形式。

3.2 微內(nèi)核

微內(nèi)核的原則是將服務(wù)的實(shí)現(xiàn)和基礎(chǔ)操作分離，如某些功能可以通過(guò)運(yùn)行在微內(nèi)核之外的服務(wù)組件來(lái)提供。對(duì)比單內(nèi)核，一個(gè)模塊的錯(cuò)誤并不會(huì)引起整個(gè)內(nèi)核的崩潰，而且服務(wù)的擴(kuò)展也更加便捷。當(dāng)然微內(nèi)核在效率上就略有劣勢(shì)。

3.3 混合內(nèi)核

下圖是Windows和Linux操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，感興趣的話可以先有個(gè)概念，具體討論將放在后續(xù)文章中。

Windows

Linux

4. 總結(jié)

本篇定位于介紹操作系統(tǒng)的由來(lái)、必要性、所提供的服務(wù)，以及服務(wù)組織形式。掌握了這些概念，就應(yīng)該要朝著提高CPU使用率、降低響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的目標(biāo)去，進(jìn)一步了解內(nèi)部具體實(shí)現(xiàn)原理，而這些，均會(huì)在接下來(lái)幾篇中慢慢道來(lái)。