操作系统是什么

复习

没有操作系统的程序：裸机程序在装载、设备和多程序共存上的困难
按下电源：复位与固件：CPU 从约定位置开始执行，固件接过控制权
引导程序与内核加载：引导程序把内核装入内存，内核初始化后接手管理

TL;DR

操作系统有两个身份：资源的管理者 和 抽象的提供者
作为管理者，它分配和回收 CPU、内存、设备、文件
作为抽象者，它提供进程、文件、地址空间等好用的概念
内核是操作系统的核心，常驻内存，程序通过它请求服务

正文

　　启动的接力跑完了，管理者终于上位。这个管理者，就是我们一直在说的操作系统（operating system）。可它到底“是什么”？

　　与其背定义，不如看它干的活。操作系统有两副面孔。

面孔一：资源的管理者

　　上一部分末尾，我们列过裸机的几大麻烦：多个程序抢 CPU、抢内存、抢设备，谁先谁后，谁多谁少。这些正是操作系统的本职工作。

　　计算机里的资源就那么几样：CPU 时间、内存、设备、以及存在设备上的数据。操作系统要做的是：

分配：谁需要，就给谁一份
回收：谁用完了，就收回来
保护：不许任何人独占一切，也不许互相破坏
记录：哪些已被占用，哪些还空着

　　它像一位调度员，手里攥着有限的资源，尽量让每一件事都办得又快又公平。

面孔二：抽象的提供者

　　可光会“分东西”还不够。硬件本身又乱又难用：磁盘有一堆位置和格式，CPU 会不停地被打断，内存是一大片地址。直接把这些丢给程序，程序会很痛苦。

　　于是操作系统又添了另一副面孔：提供抽象。

文件：把“硬盘上某处的若干数据块”包装成“一个有名字、能读写的对象”
进程：把“一小段正在用 CPU 的代码”包装成“一个正在运行的程序”
地址空间：把“散落各处的物理内存”包装成“每个程序独占的一整片连续内存”

　　程序只要会用这些概念，就不必再操心磁盘、中断和物理地址。这就是我们反复见到的加一层：在最难看的硬件和最上层的程序之间，操作系统搭了一层又好用又安全的抽象。

内核

　　操作系统里最核心、也最常驻内存的那部分，叫内核（kernel）。程序想要读文件、发数据、申请内存，最终都是在内核里完成的。

　　内核之外的软件（比如各种库、工具、图形界面）则站在内核肩膀上，一起构成我们平时说的“操作系统”。所以“操作系统”既指那个核心，也常用来指整套软件。

合起来看

       普通程序 / 工具 / 图形界面
                 │  用进程、文件、地址空间
        ┌────────▼────────┐
        │      内核        │  管理 CPU、内存、设备
        └────────┬────────┘
                 │
              硬件

　　管理者、抽象者，其实是同一件事的两面：把混乱的硬件，整理成程序能用、敢用的样子。

　　既然内核这么重要，那程序是不是可以随意指挥它、让它替自己做任何事？当然不行。下一章，我们要给机器划出一条界线：内核态与用户态。

思考题

　　“文件”是一种抽象。如果不用文件，程序直接操作磁盘上的数据块，会多出哪些麻烦？操作系统提供的抽象，是“取消了”硬件细节，还是“隐藏”了硬件细节？

小结

知识点

操作系统是资源的管理者，负责分配、回收与保护
操作系统是抽象的提供者，给出文件、进程、地址空间等概念
内核是操作系统的核心，常驻内存
操作系统在硬件与程序之间加了一层

参考资料

Wikipedia(zh)：操作系统：操作系统的职责
Wikipedia(zh)：内核：内核的组成
Wikipedia(zh)：系统资源：资源管理

思考题答案（仅供参考）

　　不用文件，程序就得自己记住数据放在磁盘的哪个磁道、哪个扇区，自己处理读写命令、错误重试和空间回收，稍微换个设备还得重写。操作系统提供的文件抽象，并没有取消这些硬件细节，而是把它们隐藏起来：细节还在，只是由内核统一替你面对。这也正是抽象的一贯做法——不消灭复杂，只把复杂挡在接口之后。

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设计师 | 南国微雪