1. 為什么“緒論”這一章值得單獨(dú)拿出來講很多人翻操作系統(tǒng)教材看到第一章“緒論”就自動(dòng)進(jìn)入速讀模式——覺得無非是些概念定義、發(fā)展歷史、功能分類考試考個(gè)選擇題就完事了。我?guī)н^幾輪操作系統(tǒng)相關(guān)的課程輔導(dǎo)也跟不少準(zhǔn)備考研和面試的同學(xué)聊過發(fā)現(xiàn)一個(gè)很普遍的現(xiàn)象真正在后續(xù)章節(jié)里學(xué)得吃力的人往往就是緒論沒讀透的人。緒論這一章表面上在講“操作系統(tǒng)是什么”實(shí)際上它在給你搭建整個(gè)課程的認(rèn)知坐標(biāo)系。你后面要學(xué)的進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理每一個(gè)模塊都能在緒論里找到它對(duì)應(yīng)的位置。如果你不知道操作系統(tǒng)到底要解決什么問題、它在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中扮演什么角色、它的核心目標(biāo)之間怎么權(quán)衡那后面學(xué)到的每一個(gè)算法你都會(huì)覺得是“憑空冒出來的”。這篇文章我打算把緒論這一章拆開揉碎從操作系統(tǒng)的定義與角色、核心功能與設(shè)計(jì)目標(biāo)、發(fā)展歷程背后的邏輯、分類與典型結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制與核心概念這幾個(gè)維度把這一章真正講清楚。不管你是正在上這門課的學(xué)生、準(zhǔn)備考研的備考者還是想系統(tǒng)補(bǔ)一補(bǔ)基礎(chǔ)的程序員這篇內(nèi)容都能幫你把緒論的骨架立起來。我寫這篇東西的原則很簡單不堆砌定義而是講清楚每個(gè)概念為什么存在、它解決了什么問題、跟后面的章節(jié)怎么銜接。教材上有的我盡量用更好懂的方式說教材上沒明說但實(shí)際理解時(shí)繞不過去的我會(huì)補(bǔ)上。2. 操作系統(tǒng)到底是個(gè)什么東西從“裸機(jī)”說起2.1 沒有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)是什么樣要理解操作系統(tǒng)最直接的辦法是先想象一臺(tái)沒有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。你面前有一堆硬件CPU、內(nèi)存條、硬盤、顯示器、鍵盤、網(wǎng)卡。通電之后CPU 可以從某個(gè)固定地址開始執(zhí)行指令內(nèi)存里可以存數(shù)據(jù)硬盤可以讀寫扇區(qū)。但問題是——誰來協(xié)調(diào)這些硬件如果沒有操作系統(tǒng)你想在屏幕上顯示一行字就得自己寫代碼直接操作顯卡的寄存器想從硬盤讀一個(gè)文件就得自己計(jì)算數(shù)據(jù)存在哪個(gè)柱面、哪個(gè)磁頭、哪個(gè)扇區(qū)想讓 CPU 同時(shí)處理兩個(gè)任務(wù)就得自己寫調(diào)度邏輯。每一件事都要從最底層做起而且換一個(gè)硬件型號(hào)你的代碼可能就全廢了。這就是所謂的裸機(jī)狀態(tài)。裸機(jī)不是不能跑程序而是跑程序的代價(jià)極高且?guī)缀鯖]有通用性。操作系統(tǒng)要解決的第一個(gè)問題就是把這堆復(fù)雜的硬件抽象成一套簡單、統(tǒng)一、可編程的接口。2.2 操作系統(tǒng)的三層角色從不同角度看操作系統(tǒng)扮演的角色不一樣。我習(xí)慣把它理解成三層第一層它是硬件資源的管理者。CPU 時(shí)間怎么分配給多個(gè)程序、內(nèi)存空間怎么劃分、硬盤上的文件怎么組織、外設(shè)什么時(shí)候被哪個(gè)進(jìn)程使用——這些都是操作系統(tǒng)在背后做決策。它的目標(biāo)是把有限的硬件資源管好讓多個(gè)任務(wù)能公平、高效、安全地共享這些資源。第二層它是應(yīng)用程序的服務(wù)提供者。你寫的程序不需要直接跟硬件打交道而是通過操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用來請(qǐng)求服務(wù)。比如你調(diào)用一個(gè)讀文件的函數(shù)底層實(shí)際上是操作系統(tǒng)幫你完成了“找到文件在磁盤上的位置、把數(shù)據(jù)讀進(jìn)內(nèi)存、返回給你的程序”這一整套操作。操作系統(tǒng)把硬件的復(fù)雜性封裝起來給上層提供了一套相對(duì)友好的編程接口。第三層它是用戶與計(jì)算機(jī)之間的交互界面。命令行終端、圖形界面、觸摸交互這些用戶直接接觸的東西本質(zhì)上都是操作系統(tǒng)提供的人機(jī)接口。用戶不需要知道底層發(fā)生了什么只需要通過界面發(fā)出指令操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)翻譯成硬件能理解的操作。這里有個(gè)容易混淆的點(diǎn)操作系統(tǒng)內(nèi)核和操作系統(tǒng)不是一回事。內(nèi)核是操作系統(tǒng)最核心的部分直接管理硬件而完整的操作系統(tǒng)還包括命令行工具、圖形界面、系統(tǒng)庫等外圍組件。教材上講“操作系統(tǒng)”時(shí)很多時(shí)候指的是內(nèi)核但考試和面試?yán)镆獏^(qū)分清楚。2.3 一個(gè)生活化類比操作系統(tǒng)像什么如果非要打個(gè)比方操作系統(tǒng)很像一家大型酒店的前臺(tái)加后勤管理系統(tǒng)。客人應(yīng)用程序來了不需要自己去開鍋爐、調(diào)空調(diào)、修水管只需要跟前臺(tái)說“我要一間朝南的房間”。前臺(tái)操作系統(tǒng)接口記錄需求然后通知后勤部門硬件驅(qū)動(dòng)去準(zhǔn)備房間。同時(shí)酒店里有很多客人房間數(shù)量有限誰先住、誰后住、住多久、怎么收費(fèi)都需要一套規(guī)則來管理——這就是資源分配和調(diào)度。后勤系統(tǒng)還要保證一個(gè)客人不能隨便闖進(jìn)另一個(gè)客人的房間內(nèi)存保護(hù)不能把酒店的電力系統(tǒng)搞崩資源限制客人退房后房間要能快速清理出來給下一個(gè)人用資源回收。這些看似瑣碎的事情恰恰是操作系統(tǒng)最核心的工作。這個(gè)類比能幫你記住操作系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵特征它是中介不是直接干活的它要管理共享資源它要保證安全和隔離它要追求整體效率而不是單個(gè)任務(wù)的最優(yōu)。3. 操作系統(tǒng)的核心功能五大管理模塊拆解3.1 處理機(jī)管理CPU 時(shí)間怎么分處理機(jī)管理說白了就是決定誰在什么時(shí)候用 CPU、用多久。CPU 是計(jì)算機(jī)里最寶貴的資源之一同一時(shí)刻一個(gè)核心只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)但系統(tǒng)里可能同時(shí)有幾十上百個(gè)任務(wù)在等著。怎么分配這里涉及幾個(gè)核心概念。進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行實(shí)例操作系統(tǒng)以進(jìn)程為單位來分配 CPU 時(shí)間。調(diào)度是決定哪個(gè)進(jìn)程獲得 CPU 的算法比如先來先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、優(yōu)先級(jí)調(diào)度等。同步與互斥解決的是多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問共享資源時(shí)怎么不打架的問題。死鎖則是多個(gè)進(jìn)程互相等待對(duì)方釋放資源結(jié)果誰都無法推進(jìn)的僵局。這一塊是操作系統(tǒng)課程里最核心也最難的模塊之一。緒論里不會(huì)展開講具體算法但你必須知道處理機(jī)管理的目標(biāo)是讓 CPU 盡可能忙碌同時(shí)保證每個(gè)任務(wù)都能得到合理的響應(yīng)機(jī)會(huì)。3.2 存儲(chǔ)器管理內(nèi)存怎么分才不出亂子內(nèi)存管理要解決的問題是多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行每個(gè)程序都需要內(nèi)存空間怎么分配才能既不沖突、又不浪費(fèi)核心任務(wù)包括內(nèi)存分配與回收給程序分配空間程序結(jié)束后收回、地址映射程序里用的是邏輯地址實(shí)際訪問的是物理地址中間需要轉(zhuǎn)換、內(nèi)存保護(hù)防止一個(gè)程序訪問另一個(gè)程序的內(nèi)存區(qū)域、內(nèi)存擴(kuò)充用虛擬內(nèi)存技術(shù)讓程序可以使用比實(shí)際物理內(nèi)存更大的地址空間。虛擬內(nèi)存這個(gè)概念在緒論里通常會(huì)提到但不會(huì)深入。你只需要先建立一個(gè)直覺操作系統(tǒng)給每個(gè)程序制造了一個(gè)“獨(dú)享整個(gè)內(nèi)存”的假象實(shí)際上背后是操作系統(tǒng)在偷偷做映射和調(diào)度。這個(gè)假象讓程序編寫變得簡單也讓內(nèi)存利用率大幅提升。3.3 文件管理數(shù)據(jù)怎么組織才靠譜文件管理負(fù)責(zé)的是在存儲(chǔ)設(shè)備上組織、存儲(chǔ)、檢索和修改數(shù)據(jù)。用戶看到的是“文件”和“文件夾”操作系統(tǒng)看到的是磁盤塊、索引節(jié)點(diǎn)、目錄項(xiàng)。文件管理要解決的核心問題包括文件的結(jié)構(gòu)怎么定義按字節(jié)流還是按記錄、目錄怎么組織樹形結(jié)構(gòu)還是圖形結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)空間怎么分配連續(xù)分配、鏈?zhǔn)椒峙洹⑺饕峙?、磁盤空間怎么管理空閑塊怎么記錄和查找。這一塊跟日常使用關(guān)系最密切。你每天在電腦上新建、復(fù)制、刪除文件背后都是文件管理系統(tǒng)在工作。緒論里會(huì)給出文件管理的基本框架后續(xù)章節(jié)再展開具體實(shí)現(xiàn)。3.4 設(shè)備管理外設(shè)怎么管才不拖后腿設(shè)備管理處理的是 CPU 與外部設(shè)備之間的交互。外設(shè)的速度通常比 CPU 慢好幾個(gè)數(shù)量級(jí)如果 CPU 直接等待外設(shè)完成操作效率會(huì)極低。所以設(shè)備管理的核心任務(wù)之一是緩沖技術(shù)在內(nèi)存里開辟緩沖區(qū)讓 CPU 和外設(shè)可以異步工作。另一個(gè)核心任務(wù)是設(shè)備分配與驅(qū)動(dòng)。不同的外設(shè)有不同的通信協(xié)議和控制方式操作系統(tǒng)通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來屏蔽這些差異給上層提供統(tǒng)一的接口。還有中斷處理外設(shè)完成操作后通過中斷通知 CPUCPU 暫停當(dāng)前工作去處理中斷處理完再回來繼續(xù)。3.5 用戶接口人怎么跟系統(tǒng)打交道用戶接口包括命令接口命令行、腳本和程序接口系統(tǒng)調(diào)用。命令接口面向普通用戶讓用戶通過輸入命令來操作計(jì)算機(jī)程序接口面向開發(fā)者讓程序通過系統(tǒng)調(diào)用來請(qǐng)求操作系統(tǒng)服務(wù)。緒論里通常還會(huì)提到圖形用戶接口也就是我們熟悉的窗口、圖標(biāo)、菜單、鼠標(biāo)操作。圖形界面降低了使用門檻但底層仍然是命令和系統(tǒng)調(diào)用在支撐。這五大功能模塊不是孤立的。比如文件管理需要存儲(chǔ)器管理提供內(nèi)存空間設(shè)備管理需要處理機(jī)管理來調(diào)度中斷處理程序用戶接口需要調(diào)用其他所有模塊的服務(wù)。理解它們之間的關(guān)聯(lián)比單獨(dú)記住每個(gè)模塊的定義更重要。4. 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程每個(gè)階段都在解決前一個(gè)階段的痛點(diǎn)4.1 手工操作階段效率低到令人發(fā)指最早的計(jì)算機(jī)沒有操作系統(tǒng)程序員直接操作硬件。上機(jī)流程大致是先把程序?qū)懺诩垘先缓箢A(yù)約機(jī)時(shí)到機(jī)房后把紙帶裝進(jìn)去啟動(dòng)機(jī)器等待運(yùn)行結(jié)果。如果程序有錯(cuò)就得回去改紙帶重新預(yù)約。這個(gè)階段最大的問題是人機(jī)矛盾計(jì)算機(jī)速度快但人的操作速度慢大量機(jī)時(shí)浪費(fèi)在人工準(zhǔn)備和等待上。而且一臺(tái)機(jī)器同一時(shí)間只能一個(gè)人用資源利用率極低。4.2 批處理階段讓任務(wù)排隊(duì)自動(dòng)執(zhí)行批處理的核心思想是把一批作業(yè)提前準(zhǔn)備好讓系統(tǒng)自動(dòng)、連續(xù)地處理減少人工干預(yù)。單道批處理系統(tǒng)一次只處理一個(gè)作業(yè)作業(yè)之間自動(dòng)銜接減少了人工切換的時(shí)間。但問題是當(dāng)一個(gè)作業(yè)在做 I/O 操作時(shí)CPU 只能干等利用率仍然不高。多道批處理系統(tǒng)解決了這個(gè)問題在內(nèi)存中同時(shí)存放多個(gè)作業(yè)當(dāng)一個(gè)作業(yè)等待 I/O 時(shí)CPU 切換去執(zhí)行另一個(gè)作業(yè)。這就是多道程序設(shè)計(jì)的基本思想也是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但多道批處理也有代價(jià)用戶提交作業(yè)后要等很久才能拿到結(jié)果交互性差而且系統(tǒng)要處理更復(fù)雜的資源分配和 protection 問題。4.3 分時(shí)系統(tǒng)讓每個(gè)用戶都感覺自己獨(dú)占機(jī)器分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了解決批處理系統(tǒng)缺乏交互性的問題。核心思路是把 CPU 時(shí)間切成很短的時(shí)間片輪流分配給各個(gè)終端用戶。因?yàn)榍袚Q速度極快每個(gè)用戶都感覺自己在一臺(tái)獨(dú)享的機(jī)器上操作。分時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)是響應(yīng)時(shí)間。時(shí)間片太短切換開銷大時(shí)間片太長響應(yīng)變慢。操作系統(tǒng)需要在兩者之間找平衡。分時(shí)系統(tǒng)還引入了會(huì)話的概念用戶可以隨時(shí)輸入命令、查看結(jié)果、修改程序交互體驗(yàn)大幅提升。4.4 實(shí)時(shí)系統(tǒng) deadline 就是生命線實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求系統(tǒng)必須在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)完成響應(yīng)和處理。它分為兩類硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)錯(cuò)過 deadline 會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果比如飛行控制系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)偶爾錯(cuò)過 deadline 可以接受但會(huì)降低服務(wù)質(zhì)量比如視頻播放。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度算法跟分時(shí)系統(tǒng)完全不同。分時(shí)系統(tǒng)追求公平和響應(yīng)速度實(shí)時(shí)系統(tǒng)追求可預(yù)測(cè)性和確定性——它必須能保證最壞情況下的響應(yīng)時(shí)間也在可接受范圍內(nèi)。4.5 從發(fā)展史里能讀出什么把這段歷史串起來看你會(huì)發(fā)現(xiàn)一條清晰的主線操作系統(tǒng)一直在追求更高的資源利用率和更好的用戶體驗(yàn)而這兩者之間往往存在矛盾。批處理追求利用率犧牲交互性分時(shí)系統(tǒng)追求交互性調(diào)度開銷更大實(shí)時(shí)系統(tǒng)追求確定性犧牲吞吐量。這個(gè)矛盾在后續(xù)章節(jié)里會(huì)反復(fù)出現(xiàn)。比如調(diào)度算法里吞吐量和響應(yīng)時(shí)間就是一對(duì)矛盾內(nèi)存管理里內(nèi)存利用率和訪問速度也是一對(duì)矛盾。緒論里講發(fā)展史不是讓你背年份而是讓你理解操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)本質(zhì)上是在多個(gè)目標(biāo)之間做權(quán)衡。5. 操作系統(tǒng)的分類與典型結(jié)構(gòu)5.1 按應(yīng)用場(chǎng)景分類除了前面提到的批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)還有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)資源提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、分布式操作系統(tǒng)多臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)同工作對(duì)用戶呈現(xiàn)為一臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)、嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行在嵌入式設(shè)備上資源受限強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和可靠性、個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)面向單用戶強(qiáng)調(diào)易用性和多媒體支持。這些分類不是互斥的。一個(gè)操作系統(tǒng)可能同時(shí)具備多種特征。比如現(xiàn)代通用操作系統(tǒng)既有分時(shí)交互能力也有實(shí)時(shí)調(diào)度策略還能支持網(wǎng)絡(luò)功能。5.2 宏內(nèi)核與微內(nèi)核兩種設(shè)計(jì)哲學(xué)宏內(nèi)核把操作系統(tǒng)的所有核心功能都放在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等。優(yōu)點(diǎn)是性能好因?yàn)槟K之間可以直接函數(shù)調(diào)用不需要頻繁切換特權(quán)級(jí)。缺點(diǎn)是內(nèi)核龐大一處出錯(cuò)可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰維護(hù)和擴(kuò)展也困難。微內(nèi)核只把最核心的功能如進(jìn)程調(diào)度、基本內(nèi)存管理、進(jìn)程間通信放在內(nèi)核態(tài)其他服務(wù)如文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)作為用戶態(tài)進(jìn)程運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是可靠性和可擴(kuò)展性好一個(gè)服務(wù)崩潰不影響內(nèi)核。缺點(diǎn)是性能開銷大因?yàn)榉?wù)之間需要頻繁通過消息傳遞通信。實(shí)際的操作系統(tǒng)往往不是純粹的宏內(nèi)核或微內(nèi)核而是混合結(jié)構(gòu)。比如很多現(xiàn)代系統(tǒng)采用宏內(nèi)核架構(gòu)但支持動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊兼顧性能和靈活性。5.3 分層結(jié)構(gòu)與模塊化結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu)把操作系統(tǒng)分成若干層每層只依賴下一層提供的服務(wù)不關(guān)心更底層的實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)試方便缺點(diǎn)是層次劃分困難而且層層調(diào)用會(huì)帶來性能損失。模塊化結(jié)構(gòu)把操作系統(tǒng)劃分為多個(gè)獨(dú)立模塊模塊之間通過接口通信。優(yōu)點(diǎn)是靈活、易于擴(kuò)展缺點(diǎn)是模塊之間的依賴關(guān)系可能變得復(fù)雜不如分層結(jié)構(gòu)清晰。這兩種結(jié)構(gòu)在緒論里通常只會(huì)簡單提及但理解它們的設(shè)計(jì)思想對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)很有幫助。你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多具體的技術(shù)方案比如文件系統(tǒng)的層次設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的分層都借鑒了這些結(jié)構(gòu)思想。6. 運(yùn)行機(jī)制與核心概念緒論里埋下的伏筆6.1 內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)為什么要有兩種狀態(tài)操作系統(tǒng)必須區(qū)分內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)根本原因是保護(hù)。如果用戶程序可以隨意執(zhí)行特權(quán)指令、訪問任意內(nèi)存地址、直接操作硬件那系統(tǒng)就沒有安全性可言。內(nèi)核態(tài)下CPU 可以執(zhí)行所有指令訪問所有內(nèi)存和硬件資源。用戶態(tài)下CPU 只能執(zhí)行非特權(quán)指令訪問受限的內(nèi)存區(qū)域。當(dāng)用戶程序需要操作系統(tǒng)提供服務(wù)時(shí)通過系統(tǒng)調(diào)用發(fā)起請(qǐng)求CPU 從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)操作系統(tǒng)完成服務(wù)后再切換回用戶態(tài)。這個(gè)切換過程是有開銷的所以高性能場(chǎng)景下要盡量減少系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)。這也是為什么很多庫函數(shù)會(huì)在用戶態(tài)做緩存而不是每次都請(qǐng)求內(nèi)核。6.2 中斷與異常操作系統(tǒng)被喚醒的方式操作系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。它不會(huì)主動(dòng)去輪詢每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)而是等待事件發(fā)生。中斷是外部設(shè)備通知 CPU 的方式比如鍵盤按下、網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)、定時(shí)器到期。異常是 CPU 在執(zhí)行指令時(shí)遇到的特殊情況比如除零錯(cuò)誤、缺頁、非法指令。中斷和異常會(huì)觸發(fā) CPU 從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序。操作系統(tǒng)通過中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)了并發(fā)一個(gè)程序在等待 I/O 時(shí)CPU 可以被中斷喚醒去處理其他任務(wù)。6.3 系統(tǒng)調(diào)用用戶程序進(jìn)入內(nèi)核的唯一入口系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的唯一合法入口。用戶程序不能直接調(diào)用內(nèi)核函數(shù)必須通過系統(tǒng)調(diào)用接口。常見的系統(tǒng)調(diào)用包括進(jìn)程控制創(chuàng)建、終止、等待、文件操作打開、讀、寫、關(guān)閉、設(shè)備管理請(qǐng)求、釋放、信息維護(hù)獲取時(shí)間、系統(tǒng)參數(shù)、通信管道、共享內(nèi)存。系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)通常涉及陷入指令trapCPU 執(zhí)行這條指令后切換到內(nèi)核態(tài)根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)查找對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)。這個(gè)過程對(duì)程序員是透明的你調(diào)用read()函數(shù)時(shí)底層已經(jīng)完成了狀態(tài)切換和內(nèi)核處理。6.4 并發(fā)與并行容易混淆的一對(duì)概念并發(fā)是指多個(gè)任務(wù)在同一時(shí)間段內(nèi)交替執(zhí)行宏觀上看起來是同時(shí)進(jìn)行的但微觀上同一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)在 CPU 上運(yùn)行。并行是指多個(gè)任務(wù)在同一時(shí)刻真正同時(shí)執(zhí)行需要多個(gè) CPU 核心或處理器。單核 CPU 上只能實(shí)現(xiàn)并發(fā)多核 CPU 上才能實(shí)現(xiàn)并行。操作系統(tǒng)的調(diào)度算法在單核和多核場(chǎng)景下的設(shè)計(jì)考慮是不同的。緒論里區(qū)分這兩個(gè)概念是為了后續(xù)講進(jìn)程同步和調(diào)度時(shí)不會(huì)混淆。6.5 這些概念為什么放在緒論你可能會(huì)問內(nèi)核態(tài)、中斷、系統(tǒng)調(diào)用這些細(xì)節(jié)為什么不放到后面章節(jié)講我的理解是這些概念是理解操作系統(tǒng)如何工作的基礎(chǔ)框架。如果不先建立“操作系統(tǒng)通過中斷被喚醒、通過系統(tǒng)調(diào)用被請(qǐng)求、在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間切換”這個(gè)基本圖景后面學(xué)進(jìn)程調(diào)度時(shí)會(huì)覺得調(diào)度器是憑空運(yùn)行的學(xué)文件系統(tǒng)時(shí)會(huì)覺得文件操作是魔法。緒論的作用就是先給你一張地圖告訴你操作系統(tǒng)這片領(lǐng)域里有哪些主要地形后面每一章再帶你深入某個(gè)區(qū)域。地圖不要求你記住每條街道但你必須知道大致方位。7. 常見理解誤區(qū)與實(shí)操心得7.1 誤區(qū)一把操作系統(tǒng)等同于圖形界面很多人日常接觸的“操作系統(tǒng)”就是桌面、圖標(biāo)、開始菜單所以容易把操作系統(tǒng)等同于圖形界面。實(shí)際上圖形界面只是操作系統(tǒng)的一個(gè)外圍組件內(nèi)核才是核心。服務(wù)器上的操作系統(tǒng)通常沒有圖形界面但照樣是完整的操作系統(tǒng)。7.2 誤區(qū)二認(rèn)為操作系統(tǒng)越“大”越好功能多不等于好。嵌入式設(shè)備上的操作系統(tǒng)可能只有幾十 KB但完全能滿足需求。操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足需求的前提下盡可能簡單可靠。緒論里講分類和結(jié)構(gòu)其實(shí)就是在告訴你不同的場(chǎng)景需要不同的設(shè)計(jì)取舍。7.3 誤區(qū)三死記硬背定義不理解關(guān)聯(lián)緒論里定義很多但如果孤立地背很快就會(huì)忘。我的建議是用一條主線串起來操作系統(tǒng)要管理硬件資源、給程序提供服務(wù)、給用戶提供接口為了做好這些事它需要處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、文件管理、設(shè)備管理等功能這些功能在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行通過中斷和系統(tǒng)調(diào)用與外界交互。7.4 實(shí)操心得用“問題驅(qū)動(dòng)”的方式讀緒論我在帶人學(xué)習(xí)這一章時(shí)通常會(huì)讓他們先問自己幾個(gè)問題如果沒有操作系統(tǒng)我寫的程序要怎么運(yùn)行為什么我可以在電腦上同時(shí)開瀏覽器、編輯器、音樂播放器為什么一個(gè)程序崩潰了其他程序還能繼續(xù)運(yùn)行為什么我的電腦內(nèi)存只有 16GB但可以運(yùn)行需要 20GB 內(nèi)存的程序這些問題在緒論里都能找到方向性的答案。帶著問題去讀比從頭到尾劃重點(diǎn)效率高得多。7.5 常見問題速查表問題常見誤解正確理解操作系統(tǒng)是什么就是 Windows/macOS/Linux是管理硬件、服務(wù)程序、提供接口的系統(tǒng)軟件內(nèi)核是核心內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)只是理論概念實(shí)際不重要是保護(hù)機(jī)制的基礎(chǔ)系統(tǒng)調(diào)用、中斷都涉及狀態(tài)切換并發(fā)和并行是一回事并發(fā)是交替執(zhí)行并行是同時(shí)執(zhí)行多核才能并行宏內(nèi)核和微內(nèi)核微內(nèi)核一定更好各有取舍宏內(nèi)核性能好微內(nèi)核可靠性擴(kuò)展性好虛擬內(nèi)存就是硬盤當(dāng)內(nèi)存用是一套地址映射和調(diào)度機(jī)制讓程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間8. 緒論與后續(xù)章節(jié)的銜接關(guān)系8.1 處理機(jī)管理章節(jié)的伏筆緒論里提到的“多道程序設(shè)計(jì)”“并發(fā)”“調(diào)度”在后續(xù)章節(jié)會(huì)展開成進(jìn)程與線程、調(diào)度算法、同步互斥、死鎖處理。如果你在緒論里理解了“操作系統(tǒng)要在多個(gè)任務(wù)之間分配 CPU 時(shí)間”這個(gè)核心問題后面學(xué)調(diào)度算法時(shí)就不會(huì)覺得突兀。8.2 存儲(chǔ)器管理章節(jié)的伏筆緒論里提到的“內(nèi)存分配”“地址映射”“虛擬內(nèi)存”后續(xù)會(huì)展開成連續(xù)分配、分頁、分段、頁面置換算法。緒論里建立的“操作系統(tǒng)給程序制造獨(dú)享內(nèi)存假象”這個(gè)直覺是理解虛擬內(nèi)存的關(guān)鍵。8.3 文件管理章節(jié)的伏筆緒論里提到的“文件組織”“目錄結(jié)構(gòu)”“磁盤空間管理”后續(xù)會(huì)展開成文件的邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、目錄實(shí)現(xiàn)、空閑空間管理。緒論里不需要深入細(xì)節(jié)但要知道文件管理是操作系統(tǒng)的一大功能模塊。8.4 設(shè)備管理章節(jié)的伏筆緒論里提到的“緩沖”“中斷”“設(shè)備驅(qū)動(dòng)”后續(xù)會(huì)展開成 I/O 控制方式、緩沖技術(shù)、設(shè)備分配、磁盤調(diào)度。緒論里建立的“外設(shè)速度慢需要異步處理”這個(gè)認(rèn)知是理解設(shè)備管理的基礎(chǔ)。8.5 怎么用緒論指導(dǎo)后續(xù)學(xué)習(xí)我的建議是學(xué)完緒論后自己畫一張思維導(dǎo)圖把操作系統(tǒng)的五大功能模塊、兩種運(yùn)行狀態(tài)、中斷與系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制、幾種典型結(jié)構(gòu)畫出來。每學(xué)完后面一章就回到這張圖上把新學(xué)的具體算法和機(jī)制掛到對(duì)應(yīng)的分支上。這樣你始終知道自己在學(xué)什么、為什么學(xué)、跟前面有什么關(guān)聯(lián)。操作系統(tǒng)這門課的知識(shí)點(diǎn)很多但骨架其實(shí)在緒論里就已經(jīng)搭好了。后面每一章都是在給骨架填血肉。如果你覺得后面越學(xué)越亂大概率是因?yàn)榫w論的骨架沒立穩(wěn)?；c(diǎn)時(shí)間把這一章真正吃透后面的路會(huì)順很多。