[操作系统] 深入理解操作系统的概念及定位

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)。

其核心功能如图片所示，包括：

• 内核 (Kernel)： 内核是操作系统的核心部分，被认为是狭义上的操作系统，直接与硬件打交道。负责进程管理、内存管理、文件管理和设备管理。 在图片中，内核被描述为包含关键功能，例如：
  • 进程管理：如何调度任务、切换任务、分配 CPU 时间片。
  • 内存管理：分配和释放内存、提供虚拟内存功能。
  • 文件管理：存储和访问磁盘上的文件。
  • 驱动管理：硬件与系统的接口。
• 其他程序： 除了内核外，操作系统还包括辅助用户交互和程序开发的组件，例如函数库、Shell 程序等。

操作系统的设计目的

对下管理硬件资源（不是目的，是手段）

如图所示，操作系统与硬件直接交互，管理所有软硬件资源。它可以屏蔽底层硬件的复杂性，为应用程序提供统一的接口。例如：

• CPU 时间的分配；
• 内存的分配与回收；
• 文件的读取与写入。

对上为用户和应用程序提供环境（目的，服务用户）

操作系统为用户程序提供执行环境，包括：

• 抽象硬件： 屏蔽底层复杂的硬件接口；
• 系统调用： 提供基础功能调用接口，例如文件操作、内存分配等。

图片中通过银行窗口的比喻形象地说明了这一点：

• 用户（用户程序）与银行柜员（操作系统）交互，柜员接收用户指令，完成后台操作；
• 银行后台资源（硬件）被柜员高效管理，用户无需直接接触。

操作系统如何通过分层结构和接口设计实现资源管理和安全性？

软件硬件系统结构层状结构

理解：

• 软件和硬件系统是层次化的，系统的不同层次之间通过接口进行交互。
• 硬件位于底层，它是最基础的物理资源，直接负责执行指令和存储数据。
• 操作系统位于硬件之上，充当中间层，负责管理硬件资源并为上层应用程序提供接口。
• 应用程序在最上层运行，用户通过应用程序与硬件进行间接交互。

例子：

• 用户通过一个文本编辑器（应用程序）保存文件，实际调用了操作系统的文件系统接口，最终将数据写入硬件（磁盘）。
• 这种分层结构让硬件的复杂性被操作系统屏蔽，开发者只需关注高层的接口，而不需要了解硬件的底层操作。

访问操作系统，必须使用系统调用

理解：

• 系统调用是应用程序与操作系统交互的桥梁。通过系统调用，应用程序可以访问操作系统管理的资源（如文件、网络、内存等）。
• 系统调用本质上就是操作系统提供的一组函数，通过这些函数，应用程序可以向操作系统发出请求，完成特定的任务。

例子：

• 程序需要读取文件时，会通过调用系统调用 read() 请求操作系统打开文件、读取内容。
• 这些调用本质上是程序员使用的函数，但这些函数是操作系统实现的，而不是直接操作硬件。

关键点：

• 系统调用是操作系统对外暴露的功能接口，它们是固定的，程序必须通过这些接口访问硬件资源。

访问硬件时，必须穿越整个软件硬件体系结构

理解：

• 如果程序需要访问硬件（如读取硬盘、打印文件等），操作必须逐层向下传递：
  1. 程序向操作系统发出系统调用请求。
  2. 操作系统内部将请求映射到具体的硬件驱动程序。
  3. 硬件驱动直接控制硬件完成任务。
• 这种机制确保了硬件操作的安全性和一致性，因为操作系统充当了硬件和程序之间的“守门人”。

例子：

• 一个浏览器需要加载网页，最终会访问网络适配器（硬件）发送请求。这个过程包括：
  • 浏览器调用系统的网络 API；
  • 操作系统将请求传递给网络驱动程序；
  • 驱动程序控制网络硬件发送数据包。

关键点：

• 程序无法直接访问硬件，必须经过操作系统。操作系统确保硬件资源的安全和公平使用。

库函数可能底层封装了系统调用

理解：

• 库函数是对系统调用的进一步封装，提供了更高级、更易用的功能。底层的系统调用是基础功能，而库函数对其进行了扩展和优化。
• 通过调用库函数，开发者无需直接与复杂的系统调用打交道，而是通过更简单的接口完成同样的任务。

例子：

• C 语言的 printf() 函数用于输出内容到终端，它底层调用了操作系统的 write() 系统调用来完成实际的输出。
• 类似地，标准库函数 fopen() 封装了文件操作的系统调用，使开发者可以更简单地处理文件。

关键点：

• 库函数是对系统调用的进一步抽象，提供了更方便的功能，同时隐藏了底层实现细节。

小结

这四个要点说明了操作系统作为用户程序与硬件之间的桥梁，如何通过分层结构和接口设计实现资源管理和安全性：

1. 软件硬件的层状结构让复杂的硬件操作被逐层抽象。
2. 系统调用是访问操作系统的唯一合法方式，程序必须通过它请求资源。
3. 程序访问硬件时，必须经过操作系统的管理，确保硬件安全和公平。
4. 库函数对系统调用进行了封装，使开发更加方便。

这种机制体现了操作系统设计的核心思想——通过抽象和封装，隐藏复杂性，提供易用性，同时确保安全性和稳定性。

操作系统的核心功能

管理。

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件。 （决策，执行）

管理时，管理与被管理者可以不需要见面：

一个学校的校长（管理者）不需要直接与每个学生（被管理者）接触，就可以管理整个学校。这是因为校长可以通过辅导员或者班主任提供的学生数据（如成绩、出勤率等）来完成管理。

管理者（如操作系统）和被管理者（如进程、内存、文件等）之间的交互并不需要直接接触。它们通过数据（描述信息）来完成管理，而不是通过面对面或者直接交互。换句话说，操作系统不需要直接干预具体的硬件或程序，只需要维护这些被管理对象的状态和描述信息，然后根据需要进行操作。

管理者和被管理者，根据“数据”进行管理：

数据是管理的核心。操作系统不直接操作资源本身，而是通过对资源数据的读取和操作来实现管理。

管理的核心是数据，管理者通过记录和操作被管理者的相关数据实现对其的控制。在操作系统中，这些数据通常存储在内核中，描述了被管理资源的状态和属性。

不需要见面，由中间层获取得到数据：

在学校中，校长通过辅导员获取学生的信息，而不需要直接接触每个学生。辅导员就像操作系统中的“中间层”，负责收集数据并提供给校长。

操作系统作为“中间层”负责采集和维护资源数据，通过这些数据为用户程序提供服务。被管理者（如硬件设备、程序）本身并不会直接暴露其内部信息，而是通过操作系统的中间层将这些数据呈现给管理者。

将上文所述例子进行延伸，如果学生的数量过多则会造成管理的不便，所以就会使用数据结构将学生的信息进行存储，用结构体将一个学生的信息进行存储，然后将所有结构体进行联系。

同样，操作系统对管理的进程、内存、文件等就可以将他们的状态和描述信息进行存储在结构体中，然后使用合适的数据结构进行管理，进行增删查改。

系统调用与库函数

系统调用

操作系统要向上提供服务。 但是操作系统不信任任何用户，所以会有系统调用的概念。

操作系统对外暴露的接口称为系统调用，是用户程序与操作系统交互的桥梁。

通过接口可以降低操作系统和用户之间的耦合度，不同的服务对应不同的接口，提高安全性。

例如：

• 文件操作：创建、删除、读写文件；
• 进程操作：创建进程、终止进程；
• 内存操作：分配和释放内存。

库函数

只要库函数最终使用了硬件，则该库函数一定使用了系统调用。

系统调用直接提供基础功能，但对于用户来说，使用这些功能可能过于复杂。因此，开发者会基于系统调用开发封装好的库函数。

比如软件的使用中我们只需要点击对应的按键，即可执行程序员已经封装好的系统调用。程序员用已经把系统调用封装好的库函数再次进行封装成接口，提供给用户使用，这就是对上进行服务。

例如：

• printf() 是基于 I/O 系统调用封装的函数；
• 标准 C 库（如 libc）对操作系统的功能进行了更高层次的抽象。

管理的本质

描述和组织。

比如，大部分高级语言都可以面向对象编程，以及有类似于STL库的使用。面向对象，将事物用结构体进行封装的过程实际上就是描述，用STL库使用数据结构将结构体进行管理就是将描述后的内容进行组织。

• 描述被管理对象： 使用数据结构（如结构体）对资源进行描述。例如：
  • 文件描述符；
  • 进程控制块（PCB）。
• 组织被管理对象： 使用数据结构（如链表、队列）将资源高效组织起来。例如：
  • 进程调度使用的就绪队列；
  • 内存管理中的空闲链表。

这种管理方式贯穿于操作系统的各个模块，是操作系统高效运行的核心思想。

承上启下：操作系统的核心价值

操作系统的核心价值体现在：

• 对资源的统一管理和抽象： 提供统一的接口，屏蔽硬件复杂性；
• 保障用户程序的安全与高效： 防止资源冲突，提高系统性能。

操作系统的管理方法（描述 + 组织）也贯穿其设计理念：

1. 描述资源（结构体）；
2. 组织资源（链表等高效数据结构）。

通过以上详细的讲解，我们可以更好地理解操作系统在计算机系统中的定位：它既是硬件资源的管理者，又是用户与硬件交互的桥梁。无论是进程管理、内存管理还是文件管理，操作系统的设计哲学始终围绕“管理”展开。