操作系統——概述

文章目錄

什么是操作系統

操作系統結構

Linux 內核 vs Windows 內核

內核

什么是內核呢？

內核有哪些能力呢？

內核是怎么工作的？

計算機啟動過程

系統調用

UNIX 系統調用

Windows系統調用

什么是操作系統

不知道你有沒有產生過這些疑問：

桌面上的圖標到底是啥？憑啥我在鼠標上一雙擊，就會出來一個美麗的畫面？這都是從哪里跑出來的？

憑什么我在鍵盤上噼里啪啦地敲，某個位置就會顯示我想要的那些字符？

電腦怎么知道我鼠標點擊的是這個地方，又是怎么知道我要輸入的是這個地方？

我在鍵盤上點“a”，是誰在顯示器上畫出“a”這個圖像呢？

為什么我一回車，這些字符就發到遙遠的另外一臺機器上去了？

現代計算機系統由一個或多個處理器、主存、打印機、鍵盤、鼠標、顯示器、網絡接口以及各種輸入/輸出設備構成。

然而，程序員不會直接和這些硬件打交道，而且每位程序員不可能會掌握所有計算機系統的細節，這樣我們就不用再編寫代碼了，所以在硬件的基礎之上，計算機安裝了一層軟件，這層軟件能夠通過響應用戶輸入的指令達到控制硬件的效果，從而滿足用戶需求，這種軟件稱之為 操作系統，它的任務就是為用戶程序提供一個更好、更簡單、更清晰的計算機模型。

我們一般常見的操作系統主要有Windows、Linux、FreeBSD 或 OS X，這種帶有圖形界面的操作系統被稱為 圖形用戶界面(Graphical User Interface, GUI)，而基于文本、命令行的通常稱為 Shell。

這是一個操作系統的簡化圖，最下面的是硬件，硬件包括芯片、電路板、磁盤、鍵盤、顯示器等我們上面提到的設備，在硬件之上是軟件。大部分計算機有兩種運行模式：內核態和 用戶態，軟件中最基礎的部分是操作系統，它運行在 內核態中，內核態也稱為 管態和 核心態，它們都是操作系統的運行狀態，只不過是不同的叫法而已。操作系統具有硬件的訪問權，可以執行機器能夠運行的任何指令。軟件的其余部分運行在 用戶態下。

操作系統結構

Linux 內核 vs Windows 內核

Windows 和 Linux 可以說是我們比較常見的兩款操作系統的。

Windows 基本占領了電腦時代的市場，商業上取得了很大成功，但是它并不開源，所以要想接觸源碼得加入 Windows 的開發團隊中。

對于服務器使用的操作系統基本上都是 Linux，而且內核源碼也是開源的，任何人都可以下載，并增加自己的改動或功能，Linux 最大的魅力在于，全世界有非常多的技術大佬為它貢獻代碼。

這兩個操作系統各有千秋，不分伯仲。

操作系統核心的東西就是內核，這次我們就來看看，Linux 內核和 Windows 內核有什么區別？

內核

什么是內核呢？

計算機是由各種外部硬件設備組成的，比如內存、cpu、硬盤等，如果每個應用都要和這些硬件設備對接通信協議，那這樣太累了。

所以，這個中間人就由內核來負責，讓內核作為應用連接硬件設備的橋梁，應用程序只需關心與內核交互，不用關心硬件的細節。

內核有哪些能力呢？

現代操作系統，內核一般會提供 4 個基本能力：

管理進程、線程，決定哪個進程、線程使用 CPU，也就是進程調度的能力；

管理內存，決定內存的分配和回收，也就是內存管理的能力；

管理硬件設備，為進程與硬件設備之間提供通信能力，也就是硬件通信能力；

提供系統調用，如果應用程序要運行更高權限運行的服務，那么就需要有系統調用，它是用戶程序與操作系統之間的接口。

內核是怎么工作的？

內核具有很高的權限，可以控制 cpu、內存、硬盤等硬件，而應用程序具有的權限很小，因此大多數操作系統，把內存分成了兩個區域：

內核空間，這個內存空間只有內核程序可以訪問；

用戶空間，這個內存空間專門給應用程序使用；

用戶空間的代碼只能訪問一個局部的內存空間，而內核空間的代碼可以訪問所有內存空間。

因此，當程序使用用戶空間時，我們常說該程序在用戶態執行，而當程序使內核空間時，程序則在內核態執行。

應用程序如果需要進入內核空間，就需要通過「系統調用」，下面來看看系統調用的過程：

內核程序執行在內核態，用戶程序執行在用戶態。當應用程序使用系統調用時，會產生一個中斷。發生中斷后， CPU 會中斷當前在執行的用戶程序，轉而跳轉到中斷處理程序，也就是開始執行內核程序。內核處理完后，主動觸發中斷，把 CPU 執行權限交回給用戶程序，回到用戶態繼續工作。

Linux 內核由如下幾部分組成：內存管理、進程管理、設備驅動程序、文件系統和網絡管理等.如圖：

當今 Windows 7、Windows 10 使?的內核叫 Windows NT，NT 全稱叫 New Technology。

下圖是 Windows NT 的結構圖?：

計算機啟動過程

當你輕輕按下計算機的啟動按鈕時，你的主板就加上電了。

主板一般為矩形電路板，上面安裝了組成計算機的主要電路系統，一般有 BIOS 芯片、I/O 控制芯片、鍵盤和面板控制開關接口、指示燈插接件、擴充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。

在主板上，有一個東西叫ROM（Read Only Memory，只讀存儲器）。這和咱們平常說的內存RAM（Random Access Memory，隨機存取存儲器）不同。

咱們平時買的內存條是可讀可寫的，這樣才能保存計算結果。而 ROM 是只讀的，上面早就固化了一些初始化的程序，也就是BIOS（Basic Input and Output System，基本輸入輸出系統）。

如果你自己安裝過操作系統，剛啟動的時候，按某個組合鍵，顯示器會彈出一個藍色的界面。能夠調整啟動順序的系統，就是我說的 BIOS，然后我們就可以先執行它。

然后操作系統會詢問 BIOS 獲取配置信息。對于每個設備來說，會檢查是否有設備驅動程序。如果沒有，則會向用戶詢問是否需要插入 CD-ROM驅動（由設備制造商提供）或者從 Internet 上下載。一旦有了設備驅動程序，操作系統會把它們加載到內核中，然后初始化表，創建所需的后臺進程，并啟動登錄程序或GUI。

系統調用

你會發現，一個項目要想順暢進行，需要用到公司的各種資源，比如說蓋個公章、開個證明、申請個會議室、打印個材料等等。這里有個兩難的權衡，一方面，資源畢竟是有限的，甚至是涉及機密的，不能由項目組濫取濫用；另一方面，就是效率，咱是一個私營企業，保證項目申請資源的時候只跑一次，這樣才能比較高效。

為了平衡這一點，一方面涉及核心權限的資源，還是應該被公司嚴格把控，審批了才能用；另外一方面，為了提高效率，最好有個統一的辦事大廳，明文列出提供哪些服務，誰需要可以來申請，然后就會有回應。

在操作系統中，也有同樣的問題，例如多個進程都要往打印機上打印文件，如果隨便亂打印進程，就會出現同樣一張紙，第一行是 A 進程輸出的文字，第二行是 B 進程輸出的文字，全亂套了。所以，打印機的直接操作是放在操作系統內核里面的，進程不能隨便操作。但是操作系統也提供一個辦事大廳，也就是系統調用（System Call）。

系統調用也能列出來提供哪些接口可以調用，進程有需要的時候就可以去調用。這其中，立項是辦事大廳提供的關鍵服務之一。同樣，任何一個程序要想運行起來，就需要調用系統調用，創建進程。

如果一個進程在用戶態下運行用戶程序，例如從文件中讀取數據。那么如果想要把控制權交給操作系統控制，那么必須執行一個異常指令或者系統調用指令。操作系統緊接著需要參數檢查找出所需要的調用進程。

然后執行系統調用，把控制權移交給系統調用下面的指令。大致來說，系統調用就像是執行了一個特殊的過程調用，但是只有系統調用能夠進入內核態而過程調用則不能進入內核態。

UNIX 系統調用

為了能夠了解具體的調用過程，下面我們以 read 方法為例來看一下調用過程。

下面，我們會列出一些常用的 POSIX 系統調用，POSIX 系統調用大概有 100 多個，它們之中最重要的一些調用見下表

進程管理

文件管理

目錄和文件系統管理

其他

上面的系統調用參數中有一些公共部分，例如 pid 系統進程 id，fd 是文件描述符，n 是字節數，position 是在文件中的偏移量、seconds 是流逝時間。

Windows系統調用

UNIX 程序由執行某些操作或執行其他操作的代碼組成，進行系統調用以執行某些服務。Windows 系統則不同，Windows 應用程序通常是由事件驅動的。主程序會等待一些事件發生，然后調用程序去處理。最簡單的事件處理是鍵盤敲擊和鼠標滑過，或者是鼠標點擊，或者是插入 USB 驅動，然后操作系統調用處理器去處理事件，更新屏幕和更新程序內部狀態。這是與 UNIX 不同的設計風格。

當然，Windows 也有系統調用。在 UNIX 中，系統調用（比如 read）和系統調用所使用的調用庫（例如 read）幾乎是一對一的關系。而在 Windows 中，情況則大不相同。首先，函數庫的調用和實際的系統調用幾乎是不對應的。微軟定義了一系列過程，稱為Win32應用編程接口(Application Programming Interface)，程序員通過這套標準的接口來實現系統調用。這個接口支持從 Windows 95 版本以來所有的 Windows 版本。

Win32 API 有大量的調用，用來管理視窗、幾何圖形、文本、字體、滾動條、對話框、菜單以及 GUI 的其他功能。為了使圖形子系統在內核態下運行，需要系統調用，否則就只有函數庫調用。

我們把關注點放在和 Win32 系統調用中來，我們可以簡單看一下 Win32 API 中的系統調用和 UNIX 中有什么不同（并不是所有的系統調用）

Linux Windows 任務調度

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