【进程篇】操作系统

再谈操作系统。

操作系统

概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统（OS）。

操作系统是一款进行软硬件管理的软件。

操作系统分为狭义和广义的操作系统。

笼统的理解，操作系统包括：

内核（进程管理、内存管理、文件管理、驱动管理）（这就是狭义的操作系统）

其他程序（例如函数库，shell程序等等）

我们说安卓底层也是基于linux，也就是内核加上给手机专门设计的外壳程序，这部分就是安卓。

设计OS的目的

我们的底层硬件是需要驱动程序安装成功才能访问的。

接下来如果不特殊说明，我们说的操作系统就是狭义的只指内核的操作系统。

操作系统第一个作用是要向下进行软硬件资源的管理。

但是操作系统把硬件管理起来根本就不是目的，是手段。

目的是为了对上，给用户提供一个良好的执行环境。（主要目的，以人为本）

软硬件体系结构层状结构

在说软硬件体系结构时，要想到从用户到硬件整个过程。这是被设计成层状的一个结构。

软件层状结构本质是在软件工程上体现出高内聚，低耦合。

高内聚就是把相同功能、逻辑的代码数据放在同一层内部，比如操作系统这一层就都是操作系统的数据，驱动程序这一层就都是驱动程序的数据。

低耦合指的是层与层之间，本身只使用接口的方式来互相调用，在数据和逻辑上没有强耦合。

所以未来如果想改动操作系统这一层，驱动和硬件都不用变。修改硬件，驱动和操作系统也不用变。

也就是为了代码后续的可维护性。

一个模块出问题就在一个模块改不用改其他模块。

就像我们的函数或者说接口，也是这样。

C++里的封装继承多态也是。继承关系就是个层状结构。

层状结构式软件领域最常见的模式。

我们的计算机里的各种硬件设计都是高内聚低耦合的。哪个硬件坏了把硬件换了就可以，比如计算机变得太慢了，换内存或者加内存条；计算机芯片有问题了，换个CPU；磁盘有问题换磁盘……

可以说整个计算机世界就是高内聚低耦合的。

访问操作系统必须使用系统调用

（——其实就是函数，只不过是系统提供的）

操作系统本身不允许用户直接访问内存，直接读取进程，直接访问文件，直接读取驱动。

而是要通过操作系统自己提供的一些C封装的接口来访问操作系统。这些接口就称为系统调用：

目前为止系统调用我们一个都没有用过。

这个系统调用用起来太麻烦了，理论上说还要懂操作系统才能会用。

比如想往显示器上进行打印，本质是把数据写到硬件。

程序只要是访问了硬件，它必须是贯穿整个操作系统的

我们是不可能绕过操作系统直接到达硬件的，所以本质上printf函数（库函数）底层一定要封装系统调用， 然后通过操作系统对对应的驱动进行访问，然后才能把数据交到硬件上。scanf也是类似。只要涉及到文件操作IO操作的，都必须贯穿操作系统。

库可能在底层封装了系统调用

以前我们所做的都叫做应用开发，只要使用对应的库就行了。

因为我们并没有研究过printf的底层实现。底层封装了一些接口。

因为系统调用太麻烦了，所以有人给我们封装成了库。

库将系统调用接口封装成库。

所以我们只需要用上层的代码就可以。

我们平时做开发在整个体系结构的最上层。

所以我们做的所有操作不管是开发、指令还是管理（比如新建文件删除文件）都必须被应用程序转化成系统 调用接口，访问操作系统。

理解操作系统

在这个层次图中我们也可以看到，操作系统这一层处于一个非常承上启下的位置。

在整个计算机硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件。

如何理解管理？

我们日常做的事可以简单分为两种：1.决策 2.执行

比如一个学校里，做决策的是管理者。执行者是中间层，比如辅导员。学生是被管理者。

我们的软硬件层次结构的下三层，操作系统、驱动程序、底层硬件。其中操作系统相当于校长的角色，学生相当于底层硬件，辅导员相当于驱动程序。

1.要管理，管理者和被管理者可以不需要见面

2.那，怎么管理呢？

见面并非管理的本质，而是要拿到数据进行管理。

3.不见面，如何得到数据？

由中间层获取。

比如做决策——让执行者去获取底层相关数据。

所以管理者不用管理被管理者，而是管理数据。对人的管理转为对数据的管理和决策。

如果数据太多呢？管理数据本身是增删查改。（操作系统是C语言写的）可以定义一个结构体，来表示所有学生的信息：

以前的相当于顺序表，现在在stu里加上指向下一个stu的指针，就变成了链表。

如果我们要找某个属性的最大值，就变成了在链表中的遍历查找，删除就变成了删除结点……

校长管理学生的工作就变成了链表的增删查改。（建模过程）

先描述（结构体）再组织（数据结构）。完成对现实世界任何管理场景的建模。

所以操作系统怎么管理硬件的？硬件名、硬件状态、硬件的其他属性，操作系统也可以先描述后组织，把网卡、硬盘、显卡、显示器这些，统一struct device。所以操作系统管理硬件转化成了对硬件数据的增删查改。

操作系统怎么对进程做管理？首先要对每个进程定义struct结构体对象，然后把进程相关的属性放到结构体里，用结点全部链接起来，将进程管理转换成对链表的增删查改。

所以C++等语言为什么要提供类的概念和STL？

因为类解决的就是先描述的问题。

STL就是各种算法和容器（即数据结构），容器解决的是再组织的问题。

我们写的各种东西，操作系统、贪吃蛇扫雷、学生管理系统这些，本质都是对数据做管理，所以本质就是先描述再组织。所以任何面向对象的语言都必须提供类和容器。

世界就是个先描述后组织的世界、数据结构才能让计算机处理…

所以C语言中也有struct，并能让我们自己实现数据结构。

总结：

先描述就是可以用class或者struct包含被管理对象的属性集，再组织就是用数据结构将其管理起来。

组织起来后我们就可以将对结点的管理转化成对算法的设置。所以大部分语言提供类和容器，类解决描述问题，容器解决组织问题。

操作系统与底层硬件不直接打交道而是拿到底层硬件的数据，将其先描述再组织，转化成对链表等容器的增删查改。

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预言：操作系统内一定会存在大量数据结构以及与该数据结构匹配的算法。

（这也是学懂数据结构的意义——为了学操作系统，网络等所有基于数据结构的所有学科。

操作系统如何对进程做管理？

也是先描述再组织，将对进程的管理转化成对某种数据结构的增删查改。对内存文件、网络也一样是先描述再组织！

理解系统调用

操作系统要向上提供对应的服务（什么是服务？访问硬件的能力）

操作系统不相信任何用户或者人

不相信但又要提供服务？听起来有些抽象。

这其实就像银行。我们可以存取钱，但不能进到金库里，而是在门口等，设置了一个个窗口。

所以操作系统必须把自己的细节封装起来，给人提供系统调用。所以系统调用本质是操作系统给我们提供的函数调用。

我们使用的各种操作系统无论是Linux 、Windows 、macOS，基本都是C语言写的，既然是C语言写的，基本就是提供C函数。

只要是函数就要想到输入参数和返回值，前者是用户给操作系统的，后者是操作系统给用户的。

用户和操作系统之间，进行某种数据交互，耦合度较低，保证自身安全情况下提供服务。

由于直接使用系统调用很难，所以有专门的人写好了库、外壳、指令，来将系统调用封装，让我们使用。