啃碎操作系统(一)：操作系统概念

前言

最近在看《现代操作系统》这本书，想写几篇文章记录一下。

啃碎操作系统(一)：操作系统概念
啃碎操作系统(二)：进程与线程

正文

什么是操作系统？

现代计算机系统由一个或多个处理器、主存、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口以及各种输入/输出设备构成。

一般而言，现代计算机是一个复杂的系统。如果每位应用程序员都不得不掌握系统的所有细节，那就不可能再编写代码了。所以，计算机安装了一层软件，称为操作系统，它的任务是为用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型，并管理刚才提到的所有设备。

这是一个操作系统的简化图，最下面的是硬件，硬件包括芯片、电路板、磁盘、键盘、显示器等我们上面提到的设备，在硬件之上是软件。大部分计算机有两种运行模式：内核态 和 用户态，软件中最基础的部分是操作系统，它运行在 内核态 中。操作系统具有硬件的访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。软件的其余部分运行在 用户态 下。

计算机硬件介绍

操作系统与运行操作系统的内核硬件关系密切。操作系统扩展了计算机指令集并管理计算机的资源。因此，操作系统因此必须足够了解硬件的运行，这里我们先简要介绍一下现代计算机中的计算机硬件。

从概念上来看，一台简单的个人电脑可以被抽象为上面这种相似的模型，CPU、内存、I/O 设备都和总线串联起来并通过总线与其他设备进行通信。

CPU

CPU 是计算机的大脑，它主要和内存进行交互，从内存中提取指令并执行它。一个 CPU 的执行周期是从内存中提取第一条指令、解码并决定它的类型和操作数，执行，然后再提取、解码执行后续的指令。重复该循环直到程序运行完毕。

由于访问内存获取执行或数据要比执行指令花费的时间长，因此所有的 CPU 内部都会包含一些寄存器来保存关键变量和临时结果。因此，在指令集中通常会有一些指令用于把关键字从内存中加载到寄存器中，以及把关键字从寄存器存入到内存中。还有一些其他的指令会把来自寄存器和内存的操作数进行组合，例如 add 操作就会把两个操作数相加并把结果保存到内存中。

除了用于保存变量和临时结果的通用寄存器外，大多数计算机还具有几个特殊的寄存器，这些寄存器对于程序员是可见的。其中之一就是 程序计数器(program counter)，程序计数器会指示下一条需要从内存提取指令的地址。提取指令后，程序计数器将更新为下一条需要提取的地址。

内存

计算机中第二个主要的组件就是内存。理想情况下，内存应该非常快速(比执行一条指令要快，从而不会拖慢 CPU 执行效率)，而且足够大且便宜，但是目前的技术手段无法满足三者的需求。于是采用了不同的处理方式，存储器系统采用一种分层次的结构：

顶层的存储器速度最高，但是容量最小，成本非常高，层级结构越向下，其访问效率越慢，容量越大，但是造价也就越便宜。

寄存器

存储器的顶层是 CPU 中的寄存器，它们用和 CPU 一样的材料制成，所以和 CPU 一样快。程序必须在软件中自行管理这些寄存器（即决定如何使用它们）

高速缓存

位于寄存器下面的是高速缓存。当应用程序需要从内存中读取关键词的时候，高速缓存的硬件会检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中。如果在的话，那么这就是高速缓存命中(cache hit)。高速缓存满足了该请求，并且没有通过总线将内存请求发送到主内存。高速缓存命中通常需要花费两个时钟周期。缓存未命中需要从内存中提取，这会消耗大量的时间。高速缓存行会限制容量的大小因为它的造价非常昂贵。

主存

在上面的层次结构中再下一层是主存，这是内存系统的主力军，主存通常叫做 RAM(Random Access Memory)。所有不能再高速缓存中得到满足的内存访问请求都会转往主存中。

除了主存之外，许多计算机还具有少量的非易失性随机存取存储器。它们与 RAM 不同，在电源断电后，非易失性随机访问存储器并不会丢失内容。ROM(Read Only Memory) 中的内容一旦存储后就不会再被修改。它非常快而且便宜。

磁盘

下一个层次是磁盘(硬盘)，磁盘同 RAM 相比，每个二进制位的成本低了两个数量级，而且经常也有两个数量级大的容量。磁盘唯一的问题是随机访问数据时间大约慢了三个数量级。

I/O 设备

CPU 和存储器不是操作系统需要管理的全部，I/O 设备也与操作系统关系密切。可以参考上面这个图片，I/O 设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。控制器本身是一块芯片或者一组芯片，它能够控制物理设备。它能够接收操作系统的指令，例如，从设备中读取数据并完成数据的处理。

在许多情况下，实际控制设备的过程是非常复杂而且存在诸多细节。因此控制器的工作就是为操作系统提供一个更简单（但仍然非常复杂）的接口。也就是屏蔽物理细节。任何复杂的东西都可以加一层代理来解决，这是计算机或者人类社会很普世的一个解决方案。

总线

总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。

计算机启动过程

那么有了上面一些硬件再加上操作系统的支持，我们的计算机就可以开始工作了，那么计算机的启动过程是怎样的呢？下面只是一个简要版的启动过程：

在每台计算机上有一块双亲板，也就是母板，母板也就是主板，它是计算机最基本也就是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有 BIOS 芯片、I/O 控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。

在母板上有一个称为 基本输入输出系统(Basic Input Output System, BIOS)的程序。在 BIOS 内有底层 I/O 软件，包括读键盘、写屏幕、磁盘I/O 以及其他过程。如今，它被保存在闪存中，它是非易失性的，但是当BIOS 中发现错误时，可以由操作系统进行更新。

在计算机启动(booted)时，BIOS 开启，它会首先检查所安装的 RAM 的数量，键盘和其他基础设备是否已安装并且正常响应。接着，它开始扫描 PCIe 和 PCI 总线并找出连在上面的所有设备。即插即用的设备也会被记录下来。如果现有的设备和系统上一次启动时的设备不同，则新的设备将被重新配置。

最后，BIOS 通过尝试存储在 CMOS 存储器中的设备清单尝试启动设备。

操作系统概念

大部分操作系统提供了特定的基础概念和抽象，例如进程、地址空间、文件等，它们是需要理解的核心内容。

进程

操作系统一个很关键的概念就是 进程(Process)。进程的本质就是操作系统执行的一个程序。与每个进程相关的是地址空间(address space)，这是从某个最小值的存储位置(通常是零)到某个最大值的存储位置的列表。在这个地址空间中，进程可以进行读写操作。地址空间中存放有可执行程序，程序所需要的数据和它的栈。与每个进程相关的还有资源集，通常包括寄存器(registers)（寄存器一般包括程序计数器(program counter)和堆栈指针(stack pointer)）、打开文件的清单、突发的报警、有关的进程清单和其他需要执行程序的信息。你可以把进程看作是容纳运行一个程序所有信息的一个容器。

对进程建立一种直观感觉的方式是考虑建立一种多程序的系统。考虑下面这种情况：用户启动一个视频编辑程序，指示它按照某种格式转换视频，然后再去浏览网页。同时，一个检查电子邮件的后台进程被唤醒并开始运行，这样，我们目前就会有三个活动进程：视频编辑器、Web 浏览器和电子邮件接收程序。操作系统周期性的挂起一个进程然后启动运行另一个进程，这可能是由于过去一两秒钟程序用完了 CPU 分配的时间片，而 CPU 转而运行另外的程序。

像这样暂时中断进程后，下次应用程序在此启动时，必须要恢复到与中断时刻相同的状态，这在我们用户看起来是习以为常的事情，但是操作系统内部却做了巨大的事情。这就像和足球比赛一样，一场完美精彩的比赛是可以忽略裁判的存在的。这也意味着在挂起时该进程的所有信息都要被保存下来。例如，进程可能打开了多个文件进行读取。与每个文件相关联的是提供当前位置的指针（即下一个需要读取的字节或记录的编号）。当进程被挂起时，必须要保存这些指针，以便在重新启动进程后执行的 read调用将能够正确的读取数据。在许多操作系统中，与一个进程有关的所有信息，除了该进程自身地址空间的内容以外，均存放在操作系统的一张表中，称为 进程表(process table)，进程表是数组或者链表结构，当前存在每个进程都要占据其中的一项。

地址空间

每台计算机都有一些主存用来保存正在执行的程序。在一个非常简单的操作系统中，仅仅有一个应用程序运行在内存中。为了运行第二个应用程序，需要把第一个应用程序移除才能把第二个程序装入内存。

复杂一些的操作系统会允许多个应用程序同时装入内存中运行。为了防止应用程序之间相互干扰（包括操作系统），需要有某种保护机制。虽然此机制是在硬件中实现，但却是由操作系统控制的。

通常，每个进程有一些可以使用的地址集合，典型值从 0 开始直到某个最大值。一个进程可拥有的最大地址空间小于主存。在这种情况下，即使进程用完其地址空间，内存也会有足够的内存运行该进程。

但是，在许多 32 位或 64 位地址的计算机中，分别有 2^32 或 2^64 字节的地址空间。如果一个进程有比计算机拥有的主存还大的地址空间，而且该进程希望使用全部的内存，那该怎么处理？在早期的计算机中是无法处理的。但是现在有了一种虚拟内存的技术，操作系统可以把部分地址空间装入主存，部分留在磁盘上，并且在需要时来回交换它们。

文件

几乎所有操作系统都支持的另一个关键概念就是文件系统。如前所述，操作系统的一项主要功能是屏蔽磁盘和其他 I/O 设备的细节特性，给程序员提供一个良好、清晰的独立于设备的抽象文件模型。创建文件、删除文件、读文件和写文件 都需要系统调用。在文件可以读取之前，必须先在磁盘上定位和打开文件，在文件读过之后应该关闭该文件，有关的系统调用则用于完成这类操作。

在读写文件之前，首先需要打开文件，检查其访问权限。若权限许可，系统将返回一个小整数，称作文件描述符(file descriptor)，供后续操作使用。若禁止访问，系统则返回一个错误码。

在 UNIX 中，另一个重要的概念是 特殊文件(special file)。提供特殊文件是为了使 I/O 设备看起来像文件一般。这样，就像使用系统调用读写文件一样，I/O 设备也可以通过同样的系统调用进行读写。按照惯例，特殊文件保存在 /dev 目录中。例如，/devv/lp 是打印机。

还有一种与进程和文件相关的特性是管道，管道(pipe) 是一种虚文件，他可以连接两个进程：

如果 A 和 B 希望通过管道对话，他们必须提前设置管道。当进程 A 相对进程 B 发送数据时，它把数据写到管道上，相当于管道就是输出文件。这样，在 UNIX 中两个进程之间的通信就非常类似于普通文件的读写了。

输入输出

所有的计算机都有用来获取输入和产生输出的物理设备。毕竟，如果用户不能告诉计算机该做什么，且在计算机完成了所要求的工作之后竟不能得到结果，那么计算机还有什么用处呢？有各种类型的输入输出设备，包括键盘、显示器等等，对这些设备的管理全靠操作系统。

保护

计算机中含有大量的信息，用户希望能够对这些信息中有用而且重要的信息加以保护，这些信息包括电子邮件、商业计划等，管理这些信息的安全性完全依靠操作系统来保证。例如，文件提供授权用户访问。

比如 UNIX 操作系统，UNIX 操作系统通过对每个文件赋予一个 9 位二进制保护代码，对 UNIX 中的文件实现保护。该保护代码有三个位子段，一个用于所有者，一个用于与所有者同组（用户被系统管理员划分成组）的其他成员，一个用于其他人。每个字段中有一位用于读访问，一位用于写访问，一位用于执行访问。这些位就是著名的 rwx位。例如，保护代码 rwxr-x--x 的含义是所有者可以读、写或执行该文件，其他的组成员可以读或执行（但不能写）此文件、而其他人可以执行（但不能读和写）该文件。

shell

操作系统是执行系统调用的代码。编辑器、编译器、汇编程序、链接程序、使用程序以及命令解释符等，尽管非常重要，非常有用，但是它们确实不是操作系统的组成部分。下面我们着重介绍一下 UNIX 下的命令提示符，也就是 shell，shell 虽然有用，但它也不是操作系统的一部分，然而它却能很好的说明操作系统很多特性，下面我们就来探讨一下。

shell 有许多种，例如 sh、csh、ksh 以及 bash等，它们都支持下面这些功能，最早起的 shell 可以追溯到 sh

用户登录时，会同时启动一个 shell，它以终端作为标准输入和标准输出。首先显示提示符(prompt)，它可能是一个美元符号($)，提示用户 shell 正在等待接收命令，假如用户输入

date 

shell 会创建一个子进程，并运行 date 做为子进程。在该子进程运行期间，shell 将等待它结束。在子进程完成时，shell 会显示提示符并等待下一行输入。

用户可以将标准输出重定向到一个文件中，例如

date > file 

同样的，也可以将标准输入作为重定向

sort  file2 

这会调用 sort 程序来接收 file1 的内容并把结果输出到 file2。

可以将一个应用程序的输出通过管道作为另一个程序的输入，因此有

cat file1 file2 file3 | sort > /dev/lp 

这会调用 cat 应用程序来合并三个文件，将其结果输送到 sort 程序中并按照字典进行排序。sort 应用程序又被重定向到 /dev/lp ，显然这是一个打印操作。

系统调用

多数现代操作系统都有功能相同但是细节不同的系统调用，引发操作系统的调用依赖于计算机自身的机制，而且必须用汇编代码表达。任何单核CPU 计算机一次执行执行一条指令。如果一个进程在用户态下运行用户程序，例如从文件中读取数据。那么如果想要把控制权交给操作系统控制，那么必须执行一个异常指令或者系统调用指令。操作系统紧接着需要参数检查找出所需要的调用进程，然后执行系统调用，把控制权移交给系统调用下面的指令。大致来说，系统调用就像是执行了一个特殊的过程调用，但是只有系统调用能够进入内核态，而过程调用则不能进入内核态。

为了能够了解具体的调用过程，下面我们以 read 方法为例来看一下调用过程。像上面提到的那样，会有三个参数，第一个参数是指定文件、第二个是指向缓冲区、第三个参数是给定需要读取的字节数。就像几乎所有系统调用一样，它通过使用与系统调用相同的名称来调用一个函数库，从而从C程序中调用：read。

count = read(fd,buffer,nbytes); 

系统调用在 count 中返回实际读出的字节数。这个值通常与 nbytes 相同，但也可能更小。比如在读过程中遇到了文件尾的情况。

如果系统调用不能执行，不管是因为无效的参数还是磁盘错误，count 的值都会被置成 -1，然后在全局变量 errno 中放入错误信号。程序应该进场检查系统调用的结果以了解是否出错。

下面，我们会列出一些常用的系统调用，POSIX 系统调用大概有 100 多个，它们之中最重要的一些调用见下表：

进程管理

调用	说明
pid = fork()	创建与父进程相同的子进程
pid = waitpid(pid, &statloc,options)	等待一个子进程终止
s = execve(name,argv,environp)	替换一个进程的核心映像
exit(status)	终止进程执行并返回状态

文件管理

调用	说明
fd = open(file, how,...)	打开一个文件使用读、写
s = close(fd)	关闭一个打开的文件
n = read(fd,buffer,nbytes)	把数据从一个文件读到缓冲区中
n = write(fd,buffer,nbytes)	把数据从缓冲区写到一个文件中
position = iseek(fd,offset,whence)	移动文件指针
s = stat(name,&buf)	取得文件状态信息

目录和文件系统管理

调用	说明
s = mkdir(nname,mode)	创建一个新目录
s = rmdir(name)	删去一个空目录
s = link(name1,name2)	创建一个新目录项 name2,并指向 name1
s = unlink(name)	删去一个目录项
s = mount(special,name,flag)	安装一个文件系统
s = umount(special)	卸载一个文件系统

其它

调用	说明
s = chdir(dirname)	改变工作目录
s = chmod(name,mode)	修改一个文件的保护位
s = kill(pid, signal)	发送信号给进程
seconds = time(&seconds)	获取从 1970 年1月1日至今的时间

上面的系统调用参数中有一些公共部分，例如 pid 系统进程 id，fd 是文件描述符，n 是字节数，position 是在文件中的偏移量、seconds 是流逝时间。

总结

好了，有关操作系统相关概念暂时介绍到这里，如果需要电子版的《现代操作系统》可以私信我。

参考

《现代操作系统》