Linux内核实战(二)- 操作系统概览

不知道你有没有产生过这些疑问:

桌面上的图标到底是啥?凭啥我在鼠标上一双击,就会出来一些不可描述的画面?都是从哪里跑出来的? 凭什么我在键盘上噼里啪啦地敲,某个位置就会显示我想要的那些字符?

电脑怎么知道我鼠标点击的是这个地方,又是怎么知道我要输入的是这个地方?

我在键盘上点“a”,是谁在显示器上画出“a”这个图像呢?

为什么我一回车,这些字符就发到遥远的另外一台机器上去了?

别小看“双击鼠标打开聊天软件”这样一个简单的操作,它几乎涵盖了操作系统的所有功能。我们就从这个熟悉的操作,来认识陌生的操作系统。

操作系统其实就像一个软件外包,内核就相当于这家外包公司的老板。所以接下来请你将自己的角色切换成这家软件外包公司的老板,设身处地地去理解操作系统是如何协调各种资源,帮客户做成事情的。

今后所说的“用户”,都是指操作系统的用户,“客户”则是指外包公司的客户,这两者是对应的。

1 双击运行软件,触动了哪些硬件呢

1.1 鼠标和键盘

计算机的输入设备。

用户想要告诉计算机应该做什么,都是通过这两个设备。

如果是一家外包公司,怎么才能知道客户的需求呢?你需要配备销售、售前等角色,专门负责和客户对接,把客户需求拿回来,我们把这些人统称为客户对接员。你可以跟客户说,有什么事儿都找对接员。

1.2 屏幕

也就是显示器,是计算机的输出设备,将计算机处理用户请求后的结果反馈给客户。

显示器上面显示的东西是由显卡控制的。

无论是显示器还是显卡,这里都有个“坐标”的概念,也就是说,什么图像在哪个坐标,都是定义好了才画上去的。本来在某个坐标画了一个鼠标箭头,当接到鼠标移动的事件之后,你应该按相同的方向,按照一定的比例(鼠标灵敏度),在屏幕的某个坐标再画一个鼠标箭头。

作为外包公司,当客户给你提了需求,不管你做还是不做,最终做成什么样,你都需要给客户反馈,所以你要配备交付人员,将做好的需求展示给他们看。

1.3 输入设备驱动

其实就是客户对接员。有时候新插上一个鼠标的时候,会弹出一个通知你安装驱动,这就是操作系统这家外包公司给你配备对接人员呢。当客户告诉对接员需求的时候,对于操作系统来讲,输入设备会发送一个中断。这个概念很好理解。客户肯定希望外包公司把正在做的事情都停下来服务它。所以,这个时候客户发送的需求就被称为中断事件(Interrupt Event)。

1.4 输出设备驱动

显卡会有显卡驱动,在操作系统中称为输出设备驱动,也就是上面说的交付人员。

2 从点击程序,窥探OS全貌

有了客户对接员和交付人员,外包公司就可以处理用户“在桌面上点击QQ图标”的事件了。

首先,鼠标双击会触发一个中断,这相当于客户告知客户对接员“有了新需求,需要处理一下”。你会事先把处理这种问题的方法教给客户对接员。在操作系统里面就是调用中断处理函数。操作系统发现双击的是一个图标,就明白了用户的原始诉求,准备运行QQ和别人聊天。

你会发现,运行QQ是一件大事,因为将来的一段时间,用户要一直和QQ进行交互。

这就相当于你们公司接了一个大单,而不是处理零星的客户需求,这个时候应该单独立项。一旦立了项,以后与这个项目有关的事情,都由这个项目组来处理。

2.1文件管理系统

立项可不能随便立,一定要有一个项目执行计划书,说明这个项目打算怎么做,一步一步如何执行,遇到什么情况应该怎么办等等。

换句话说,对QQ这个程序来说,它能做哪些事情,每个事情怎么做,先做啥后做啥,都已经作为程序逻辑写在程序里面,并且编译成为二进制了。这个程序就相当于项目执行计划书。

电脑上的程序有很多,它们都以二进制文件的形式保存在硬盘上。硬盘是个物理设备,要按照规定格式化成为文件系统,才能存放这些程序。文件系统需要一个系统进行统一管理,称为文件管理子系统(File Management Subsystem)。

2.2 进程与程序

对于你们公司,项目立得多了,项目执行计划书也会很多,同样需要有个统一保存文件的档案库,而且需要有序地管理起来。

当你从资料库里面拿到这个项目执行计划书,接下来就需要开始执行这个项目了。项目执行计划书是静态的,项目的执行是动态的。

同理,当操作系统拿到QQ的二进制执行文件的时候,就可以运行这个文件了。

  • QQ的二进制文件是静态的,称为程序(Program),
  • 运行起来的QQ,是不断进行的,称为进程(Process)。

2.3 系统调用

你会发现,一个项目要想顺畅进行,需要用到公司的各种资源,比如说盖个公章、开个证明、申请个会议室、打印个材料等等。

这里有个两难的权衡

  • 资源有限,甚至是涉及机密的,不能由项目组滥取滥用
  • 效率,咱是一个私营企业,保证项目申请资源的时候只跑一次,这样才能比较高效。

为了平衡这一点,一方面涉及核心权限的资源,还是应该被公司严格把控,审批了才能用;

另外一方面,为了提高效率,最好有个统一的办事大厅,明文列出提供哪些服务,谁需要可以来申请,然后就会有回应。

在操作系统中,也有同样的问题。

例如多个进程都要往打印机上打印文件,如果随便乱打印进程,就会出现同样一张纸,第一行是A进程输出的文字,第二行是B进程输出的文字,全乱套了。所以,打印机的直接操作是放在操作系统内核里面的,进程不能随便操作。但是操作系统也提供一个办事大厅,也就是系统调用(System Call)。

系统调用也能列出来提供哪些接口可以调用,进程有需要的时候就可以去调用。

这其中,立项是办事大厅提供的关键服务之一。同样,任何一个程序要想运行起来,就需要调用系统调用,创建进程。

2.4 进程管理系统

一旦项目正式立项,就要开始执行,就要成立项目组,将开发人员分配到这个项目组,按照项目执行计划书一步一步执行。

为了管理这个项目,我们还需要一个项目经理、一套项目管理流程、一个项目管理系统,例如程序员比较熟悉的Jira。如果项目多,可能一个开发人员需要同时执行多个项目,这就要考验项目经理的调度能力了。

在操作系统中,进程的执行也需要分配CPU进行执行,也就是按照程序里面的二进制代码一行一行地执行。

于是,为了管理进程,我们还需要一个进程管理子系统(Process Management Subsystem)。如果运行的进程很多,则一个CPU会并发运行多个进程,也就需要CPU的调度能力了。

2.5 内存管理系统

每个项目都有自己的私密资料,这些资料不能被其他项目组看到。这些资料主要是项目在执行的过程中,产生的很多中间成果,例如架构图、流程图。

执行过程中,难免要在白板上或者本子上写写画画,如果不同项目的办公空间不隔离,一方面,项目的私密性不能得到保证,A项目的细节,B项目也能看到;另一方面,项目之间会相互干扰,A项目组的人刚在白板上画了一个架构图,出去上个厕所,结果B项目组的人就给擦了。

如果把不同的项目组分配到不同的会议室,就解决了这个问题。当然会议室是有限的,需要有人管理和分配,并且需要一个会议室管理系统。

在操作系统中,不同的进程有不同的内存空间,但是整个电脑内存就这么点儿,所以需要统一的管理和分配,这就需要内存管理子系统(Memory Management Subsystem)。

如果想直观地了解QQ如何使用CPU和内存,可以打开任务管理器,你就能看到QQ这个进程耗费的CPU和内存。

项目执行的时候,有了一定的成果,就要给客户演示。例如客户说要做个应用,我们做出来了要给客户看看,如果客户说哪里需要改,可以根据客户的需求再改,这就需要交付人员了。

QQ启动之后,有一部分代码会在显示器上画一个对话框,并且将键盘的焦点放在了输入框里面。CPU根据这些指令,就会告知显卡驱动程序,将这个对话框画出来。

于是使用QQ的用户就会很开心地发现,他能和别人开始聊天了。

当用户通过键盘噼里啪啦打字的时候,键盘也是输入设备,也会触发中断,通知相应的输入设备驱动程序。

我们假设用户输入了一个“a”。这就像客户提出了新的需求给客户对接员。客户对接员收到需求后,因为是对接这个项目的,因而就回来报告,客户提新需求了,项目组需要处理一下。项目执行计划书里面一般都会有当遇到何种需求应该怎么做的规定,项目组就按这个规定做了,然后让交付人员再去客户那里演示就行了。

对于QQ来讲,由于键盘闪啊闪的焦点在QQ这个对话框上,因而操作系统知道,这个事件是给这个进程的。QQ的代码里面肯定有遇到这种事件如何处理的代码,就会执行。一般是记录下客户的输入,并且告知显卡驱动程序,在那个地方画一个“a”。显卡画完了,客户看到了,就觉得自己的输入成功了。

当用户输入完毕之后,回车一下,还是会通过键盘驱动程序告诉操作系统,操作系统还是会找到QQ,QQ会将用户的输入发送到网络上。QQ进程是不能直接发送网络包的,需要调用系统调用,内核使用网卡驱动程序进行发送。

这就像客户对接员接到一个需求,但是这个需求需要和其他公司沟通,这就需要依靠公司的对外合作部,对外合作部在办事大厅有专门的窗口,非常方便。

总结

到这里,一个外包公司大部分的职能部门都凑齐了。你可以对应着下图的操作系统内核体系结构,回顾一下它们是如何组成一家公司的。

QQ的运行过程,只是一个简单的比喻。在后面的章节中,我会展开讲述每个部分是怎么工作的,最后我会再将这个过程串起来,这样你就能了解操作系统的全貌了。

操作系统内核体系结构图

参考

趣谈Linux操作系统

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