没有操作系统的程序
复习
- 程序在内存里的样子：代码区、数据区、栈和堆的初步全景
- 从源代码到可执行文件：编译、汇编和链接的完整流水线
- 编译与解释：程序变成机器指令的两条基本道路
TL;DR
- 早期计算机没有操作系统，程序直接跑在裸机上
- 裸机程序得自己解决：从哪里开始执行、怎样使用设备、多个程序怎样共存
- 设备五花八门，每个程序都要自己写控制硬件的代码，换设备就得重写
- 正是这些麻烦，一点点催生了操作系统
正文
一路写到这里，程序已经能从文字变成可执行文件了。可我们一直享受着一样东西，却从没提过它的名字—— 操作系统 。
这一章，我们故意把它拿掉，看看“裸机”上的日子有多难过。看清了这些麻烦，也就看清了操作系统是来干什么的。
麻烦一：谁来装载
一个可执行文件静静躺在硬盘上。先问几个最基本的问题：
- CPU 通电后，第一件事从哪个地址开始执行？
- 谁把程序从硬盘搬进内存？
- 程序里写着“跳到某个地址”，可它被放到内存的哪个位置，是谁定的？
现实中的 CPU 有一个约定：上电后从某个固定地址取第一条指令。至于之后怎么一步步找到操作系统、找到你的程序，需要一整套安排。在“第一次呼吸”里，我们是手动把程序摆进地址 0 的——现实不可能每次都靠人手动摆。
麻烦二：怎么用设备
程序想从键盘读一个键，或者往屏幕打个字，怎么办？
它还是一条条指令，可键盘、屏幕、硬盘这些设备，各有各的控制方式：往哪个端口写什么、等哪个状态位、怎么判断按键有没有按下…… 每一个设备的细节，都得写进程序里。
于是就有了这样的噩梦：
- 换了块新键盘，程序得改
- 想同时支持两种显示器，程序里得写两套代码
- 硬盘型号一变，读写的代码全要重来
程序的大部分篇幅，不是在解决用户的问题，而是在伺候硬件。
麻烦三：多个程序怎么共存
更难的是：一台计算机上不止一个程序。
- 两个程序都想运行，谁先上？
- 一个程序正跑着，要不要让另一个也跑一会儿？怎么切过去、又怎么切回来？
- 两个程序都想用同一块内存怎么办？怎么保证它们互不干扰？
- 一个程序算错了、乱改内存，会不会把另一个程序也拖垮？
这些事，单靠一个个程序自己是解决不了的。它们彼此不知道对方的存在，却又共用着同一台机器。
麻烦四：资源谁来分配
再往深想一层：内存、CPU 时间、磁盘、设备，都是有限的资源。
- 谁来记录哪些资源已经被占用、哪些还空着？
- 程序用完了，谁来回收？
- 谁有资格用、谁没资格用？怎么防止某个程序独占一切？
这一桩桩，都不是某个具体程序的私事，而是 所有程序共同面对 的问题。
于是，需要一位管理者
把上面的麻烦列一列：装载、启动、设备、多程序、资源分配、保护……它们有一个共同点—— 都在替大家协调和兜底 。
与其让每个程序各自为政、重复造轮子，不如让一个专门的软件站出来，统一管理这些资源，给程序提供方便又安全的服务。这个软件，就是 操作系统 （operating system）。
它不是凭空冒出来的，而是被上面这些真实困难一步步逼出来的——就像当初计算机是被“繁琐计算”逼出来的一样。
下一部分，我们从“按下电源”那一刻开始，亲眼看着这位管理者登场：看看它怎样被加载起来、怎样划分边界、又怎样让许多程序在同一台机器上安然共处。
思考题
如果一台计算机永远只运行一个程序，而且这个程序也不在乎安全和方便，上面哪些麻烦可以不管？哪些麻烦无论如何都躲不掉？
小结
知识点
- 裸机程序要自己解决装载与启动
- 没有操作系统时，每个程序都要自己驱动设备
- 多个程序共存会带来切换、隔离和保护问题
- 资源分配与回收需要统一管理者
- 操作系统正是为解决这些问题而生
参考资料
- Wikipedia(zh)：操作系统：操作系统的职责
- Wikipedia(zh)：裸机：没有操作系统的程序
- Wikipedia(zh)：引导程序：计算机如何启动
思考题答案（仅供参考）
如果只运行一个程序，而且不在乎安全与方便，那么“多程序切换与隔离”“资源公平分配”这些可以暂时不管；但“从哪开始执行、怎样装载、怎样使用设备”这几样，无论如何都躲不掉——因为只要程序要在真实硬件上跑起来，就必须解决这些问题。换句话说，操作系统的“管理”功能可以被简化，但它“让程序跑起来”的基础功能是省不掉的。
协议
本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
封面图
设计师 | 南国微雪