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概念
任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都包含?個(gè)基本的程序集合，稱為操作系統(tǒng)(OS)。
其核心功能如圖片所示，包括：
- 內(nèi)核 (Kernel)：
內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心部分，被認(rèn)為是狹義上的操作系統(tǒng)，直接與硬件打交道。負(fù)責(zé)進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理和設(shè)備管理。
在圖片中，內(nèi)核被描述為包含關(guān)鍵功能，例如：- 進(jìn)程管理：如何調(diào)度任務(wù)、切換任務(wù)、分配 CPU 時(shí)間片。
- 內(nèi)存管理：分配和釋放內(nèi)存、提供虛擬內(nèi)存功能。
- 文件管理：存儲(chǔ)和訪問磁盤上的文件。
- 驅(qū)動(dòng)管理：硬件與系統(tǒng)的接口。
- 其他程序：
除了內(nèi)核外，操作系統(tǒng)還包括輔助用戶交互和程序開發(fā)的組件，例如函數(shù)庫、Shell 程序等。
操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的
對(duì)下管理硬件資源（不是目的，是手段）
如圖所示，操作系統(tǒng)與硬件直接交互，管理所有軟硬件資源。它可以屏蔽底層硬件的復(fù)雜性，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口。例如：
- CPU 時(shí)間的分配；
- 內(nèi)存的分配與回收；
- 文件的讀取與寫入。
對(duì)上為用戶和應(yīng)用程序提供環(huán)境（目的，服務(wù)用戶）
操作系統(tǒng)為用戶程序提供執(zhí)行環(huán)境，包括：
- 抽象硬件： 屏蔽底層復(fù)雜的硬件接口；
- 系統(tǒng)調(diào)用： 提供基礎(chǔ)功能調(diào)用接口，例如文件操作、內(nèi)存分配等。
圖片中通過銀行窗口的比喻形象地說明了這一點(diǎn)：
- 用戶（用戶程序）與銀行柜員（操作系統(tǒng)）交互，柜員接收用戶指令，完成后臺(tái)操作；
- 銀行后臺(tái)資源（硬件）被柜員高效管理，用戶無需直接接觸。
操作系統(tǒng)如何通過分層結(jié)構(gòu)和接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)資源管理和安全性？
軟件硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)
理解：
- 軟件和硬件系統(tǒng)是層次化的，系統(tǒng)的不同層次之間通過接口進(jìn)行交互。
- 硬件位于底層，它是最基礎(chǔ)的物理資源，直接負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
- 操作系統(tǒng)位于硬件之上，充當(dāng)中間層，負(fù)責(zé)管理硬件資源并為上層應(yīng)用程序提供接口。
- 應(yīng)用程序在最上層運(yùn)行，用戶通過應(yīng)用程序與硬件進(jìn)行間接交互。
例子：
- 用戶通過一個(gè)文本編輯器（應(yīng)用程序）保存文件，實(shí)際調(diào)用了操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)接口，最終將數(shù)據(jù)寫入硬件（磁盤）。
- 這種分層結(jié)構(gòu)讓硬件的復(fù)雜性被操作系統(tǒng)屏蔽，開發(fā)者只需關(guān)注高層的接口，而不需要了解硬件的底層操作。
訪問操作系統(tǒng)，必須使用系統(tǒng)調(diào)用
理解：
- 系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)交互的橋梁。通過系統(tǒng)調(diào)用，應(yīng)用程序可以訪問操作系統(tǒng)管理的資源（如文件、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存等）。
- 系統(tǒng)調(diào)用本質(zhì)上就是操作系統(tǒng)提供的一組函數(shù)，通過這些函數(shù)，應(yīng)用程序可以向操作系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，完成特定的任務(wù)。
例子：
- 程序需要讀取文件時(shí)，會(huì)通過調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用
read()請(qǐng)求操作系統(tǒng)打開文件、讀取內(nèi)容。 - 這些調(diào)用本質(zhì)上是程序員使用的函數(shù)，但這些函數(shù)是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，而不是直接操作硬件。
關(guān)鍵點(diǎn)：
- 系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)對(duì)外暴露的功能接口，它們是固定的，程序必須通過這些接口訪問硬件資源。
訪問硬件時(shí)，必須穿越整個(gè)軟件硬件體系結(jié)構(gòu)
理解：
- 如果程序需要訪問硬件（如讀取硬盤、打印文件等），操作必須逐層向下傳遞：
- 程序向操作系統(tǒng)發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求。
- 操作系統(tǒng)內(nèi)部將請(qǐng)求映射到具體的硬件驅(qū)動(dòng)程序。
- 硬件驅(qū)動(dòng)直接控制硬件完成任務(wù)。
- 這種機(jī)制確保了硬件操作的安全性和一致性，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)充當(dāng)了硬件和程序之間的“守門人”。
例子：
- 一個(gè)瀏覽器需要加載網(wǎng)頁，最終會(huì)訪問網(wǎng)絡(luò)適配器（硬件）發(fā)送請(qǐng)求。這個(gè)過程包括：
- 瀏覽器調(diào)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò) API；
- 操作系統(tǒng)將請(qǐng)求傳遞給網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序；
- 驅(qū)動(dòng)程序控制網(wǎng)絡(luò)硬件發(fā)送數(shù)據(jù)包。
關(guān)鍵點(diǎn)：
- 程序無法直接訪問硬件，必須經(jīng)過操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)確保硬件資源的安全和公平使用。
庫函數(shù)可能底層封裝了系統(tǒng)調(diào)用
理解：
- 庫函數(shù)是對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的進(jìn)一步封裝，提供了更高級(jí)、更易用的功能。底層的系統(tǒng)調(diào)用是基礎(chǔ)功能，而庫函數(shù)對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展和優(yōu)化。
- 通過調(diào)用庫函數(shù)，開發(fā)者無需直接與復(fù)雜的系統(tǒng)調(diào)用打交道，而是通過更簡單的接口完成同樣的任務(wù)。
例子：
- C 語言的
printf()函數(shù)用于輸出內(nèi)容到終端，它底層調(diào)用了操作系統(tǒng)的write()系統(tǒng)調(diào)用來完成實(shí)際的輸出。 - 類似地，標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)
fopen()封裝了文件操作的系統(tǒng)調(diào)用，使開發(fā)者可以更簡單地處理文件。
關(guān)鍵點(diǎn)：
- 庫函數(shù)是對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的進(jìn)一步抽象，提供了更方便的功能，同時(shí)隱藏了底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
小結(jié)
這四個(gè)要點(diǎn)說明了操作系統(tǒng)作為用戶程序與硬件之間的橋梁，如何通過分層結(jié)構(gòu)和接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)資源管理和安全性：
- 軟件硬件的層狀結(jié)構(gòu)讓復(fù)雜的硬件操作被逐層抽象。
- 系統(tǒng)調(diào)用是訪問操作系統(tǒng)的唯一合法方式，程序必須通過它請(qǐng)求資源。
- 程序訪問硬件時(shí)，必須經(jīng)過操作系統(tǒng)的管理，確保硬件安全和公平。
- 庫函數(shù)對(duì)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行了封裝，使開發(fā)更加方便。
這種機(jī)制體現(xiàn)了操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想——通過抽象和封裝，隱藏復(fù)雜性，提供易用性，同時(shí)確保安全性和穩(wěn)定性。
操作系統(tǒng)的核心功能
管理。
在整個(gè)計(jì)算機(jī)軟硬件架構(gòu)中，操作系統(tǒng)的定位是：一款純正的“搞管理”的軟件。 （決策，執(zhí)行）
管理時(shí)，管理與被管理者可以不需要見面：
一個(gè)學(xué)校的校長（管理者）不需要直接與每個(gè)學(xué)生（被管理者）接觸，就可以管理整個(gè)學(xué)校。這是因?yàn)樾ｉL可以通過輔導(dǎo)員或者班主任提供的學(xué)生數(shù)據(jù)（如成績、出勤率等）來完成管理。
管理者（如操作系統(tǒng)）和被管理者（如進(jìn)程、內(nèi)存、文件等）之間的交互并不需要直接接觸。它們通過數(shù)據(jù)（描述信息）來完成管理，而不是通過面對(duì)面或者直接交互。換句話說，操作系統(tǒng)不需要直接干預(yù)具體的硬件或程序，只需要維護(hù)這些被管理對(duì)象的狀態(tài)和描述信息，然后根據(jù)需要進(jìn)行操作。
管理者和被管理者，根據(jù)“數(shù)據(jù)”進(jìn)行管理：
數(shù)據(jù)是管理的核心。操作系統(tǒng)不直接操作資源本身，而是通過對(duì)資源數(shù)據(jù)的讀取和操作來實(shí)現(xiàn)管理。
管理的核心是數(shù)據(jù)，管理者通過記錄和操作被管理者的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。在操作系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在內(nèi)核中，描述了被管理資源的狀態(tài)和屬性。
不需要見面，由中間層獲取得到數(shù)據(jù)：
在學(xué)校中，校長通過輔導(dǎo)員獲取學(xué)生的信息，而不需要直接接觸每個(gè)學(xué)生。輔導(dǎo)員就像操作系統(tǒng)中的“中間層”，負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)并提供給校長。
操作系統(tǒng)作為“中間層”負(fù)責(zé)采集和維護(hù)資源數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)為用戶程序提供服務(wù)。被管理者（如硬件設(shè)備、程序）本身并不會(huì)直接暴露其內(nèi)部信息，而是通過操作系統(tǒng)的中間層將這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給管理者。
將上文所述例子進(jìn)行延伸，如果學(xué)生的數(shù)量過多則會(huì)造成管理的不便，所以就會(huì)使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將學(xué)生的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，用結(jié)構(gòu)體將一個(gè)學(xué)生的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，然后將所有結(jié)構(gòu)體進(jìn)行聯(lián)系。
同樣，操作系統(tǒng)對(duì)管理的進(jìn)程、內(nèi)存、文件等就可以將他們的狀態(tài)和描述信息進(jìn)行存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)體中，然后使用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，進(jìn)行增刪查改。
系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)
系統(tǒng)調(diào)用
操作系統(tǒng)要向上提供服務(wù)。
但是操作系統(tǒng)不信任任何用戶，所以會(huì)有系統(tǒng)調(diào)用的概念。
操作系統(tǒng)對(duì)外暴露的接口稱為系統(tǒng)調(diào)用，是用戶程序與操作系統(tǒng)交互的橋梁。
通過接口可以降低操作系統(tǒng)和用戶之間的耦合度，不同的服務(wù)對(duì)應(yīng)不同的接口，提高安全性。
例如：
- 文件操作：創(chuàng)建、刪除、讀寫文件；
- 進(jìn)程操作：創(chuàng)建進(jìn)程、終止進(jìn)程；
- 內(nèi)存操作：分配和釋放內(nèi)存。
庫函數(shù)
只要庫函數(shù)最終使用了硬件，則該庫函數(shù)一定使用了系統(tǒng)調(diào)用。
系統(tǒng)調(diào)用直接提供基礎(chǔ)功能，但對(duì)于用戶來說，使用這些功能可能過于復(fù)雜。因此，開發(fā)者會(huì)基于系統(tǒng)調(diào)用開發(fā)封裝好的庫函數(shù)。
比如軟件的使用中我們只需要點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鍵，即可執(zhí)行程序員已經(jīng)封裝好的系統(tǒng)調(diào)用。程序員用已經(jīng)把系統(tǒng)調(diào)用封裝好的庫函數(shù)再次進(jìn)行封裝成接口，提供給用戶使用，這就是對(duì)上進(jìn)行服務(wù)。
例如：
printf()是基于 I/O 系統(tǒng)調(diào)用封裝的函數(shù)；- 標(biāo)準(zhǔn) C 庫（如
libc）對(duì)操作系統(tǒng)的功能進(jìn)行了更高層次的抽象。
管理的本質(zhì)
描述和組織。
比如，大部分高級(jí)語言都可以面向?qū)ο缶幊?#xff0c;以及有類似于STL庫的使用。面向?qū)ο?#xff0c;將事物用結(jié)構(gòu)體進(jìn)行封裝的過程實(shí)際上就是描述，用STL庫使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將結(jié)構(gòu)體進(jìn)行管理就是將描述后的內(nèi)容進(jìn)行組織。
- 描述被管理對(duì)象：
使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如結(jié)構(gòu)體）對(duì)資源進(jìn)行描述。例如：- 文件描述符；
- 進(jìn)程控制塊（PCB）。
- 組織被管理對(duì)象：
使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如鏈表、隊(duì)列）將資源高效組織起來。例如：- 進(jìn)程調(diào)度使用的就緒隊(duì)列；
- 內(nèi)存管理中的空閑鏈表。
這種管理方式貫穿于操作系統(tǒng)的各個(gè)模塊，是操作系統(tǒng)高效運(yùn)行的核心思想。
承上啟下：操作系統(tǒng)的核心價(jià)值
操作系統(tǒng)的核心價(jià)值體現(xiàn)在：
- 對(duì)資源的統(tǒng)一管理和抽象： 提供統(tǒng)一的接口，屏蔽硬件復(fù)雜性；
- 保障用戶程序的安全與高效： 防止資源沖突，提高系統(tǒng)性能。
操作系統(tǒng)的管理方法（描述 + 組織）也貫穿其設(shè)計(jì)理念：
- 描述資源（結(jié)構(gòu)體）；
- 組織資源（鏈表等高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。
通過以上詳細(xì)的講解，我們可以更好地理解操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的定位：它既是硬件資源的管理者，又是用戶與硬件交互的橋梁。無論是進(jìn)程管理、內(nèi)存管理還是文件管理，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)哲學(xué)始終圍繞“管理”展開。