【Linux】操作系统的认识

摘要

操作系统是计算机系统中最核心的软件，用于对底层硬件进行统一管理，并为上层用户提供安全、稳定和高效的运行环境。它通过内核实现内存管理、进程调度、文件管理和驱动控制等核心功能；同时借助驱动程序完成与底层硬件的解耦；再向上提供用户操作接口（命令行、图形界面、库函数等），让用户能够以简洁、直观的方式使用复杂的系统资源。理解操作系统的管理本质，就是理解其如何通过“抽象”和“组织”来屏蔽底层复杂性，实现对硬件和软件的统一调度与管理。

一、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)。笼统的理解，操作系统包括：内核和其他程序

• 内核：进程/任务/线程管理，文件系统，内存管理，驱动管理。
• 其他程序：例如函数库，shell程序等等。

二、设计OS的目的

• 对下，与硬件交互，管理所有的硬件资源。
• 对上，为用户提供良好（稳定，高效，安全）的执行环境。

但是这里的用户是指程序员，而不是普通人、用户，因为普通用户使用的app软件和客户端是由程序员开发的，并不会接触到操作系统；而程序员开发软件等，必然会接触到操作系统。所以此处的用户指的是程序员。

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三、对上，对下解析

1. 底层硬件

我们肉眼可见的计算机就相当于计算机的底层硬件，如CPU，RAM，显示屏等等，如下的表格，看似他们很多，很乱，但是他们是遵守冯·诺依曼体系结构的：输入设备到内存，然后通过中央处理器（CPU）处理后返回到内存，然后到输出设备。

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2. 操作系统

但是单单只有硬件是不够的，我们还需要有一个软件来对这些硬件进行管理。例如，内存何时从输入设备读取数据？读取多少数据？内存何时刷新缓冲区到输出设备？是按行刷新还是全刷新？这些都是由软件进行管理的，而这个软件就是操作系统（Operator System）。

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而操作系统又主要进行着四项管理：分别是内存管理，进程管理，文件管理和驱动管理。

• 内存管理：内存分配、内存共享、内存保护以及内存扩张等等。
• 进程管理：其工作主要是进程的调度。
• 文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理以及文件保护等等。
• 驱动管理：对计算机设备驱动程序的分类、更新、删除等操作。

3. 驱动

但是我们直接让操作系统和底层硬件打交道吗？如果我们使用操作系统来对输入内容进行读取操作，那么当我们改变键盘的输入模式，会导致读取的方式改变，我们操作系统内核的源代码就需要重新进行编译，这样对操作系统的维护成本太高了，所以我们需要一个驱动层。

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而驱动层的主要工作就是单独去控制底层硬件的。例如，键盘有键盘驱动，网卡有网卡驱动，硬盘有硬盘驱动，磁盘有磁盘驱动。驱动简单来说就是对应去访问某个硬件，访问这个硬件的读、写以及硬件当前的状态等等，驱动层就是直接和硬件打交道的。而驱动一般是由硬件制造厂商提供的，或是由操作系统相关的模块进行开发的（例如网卡）。此时操作系统就只需关心何时读取数据，而不用关心数据是如何读取的了，也就是完成了操作系统与硬件之间的解耦。

4. 用户层

而操作系统往上就是面向普通用户的用户层，用户可以通过命令行和图形用户界面与操作系统进行交互。而背后所有的硬件管理与资源分配都由操作系统的内核层来完成。

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5. 系统调用接口

如果用户直接访问操作系统的话（尤其是内核），会破坏其安全性，稳定性和隔离性，可能导致系统崩溃、数据丢失甚至安全漏洞。因此现代操作系统都采用 用户态 / 内核态隔离，只允许通过受控的 系统调用接口 来访问内核。

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6. 用户操作接口

操作系统提供的底层硬件接口通常非常复杂且具体，直接操作这些底层资源对于普通用户和开发者来说不现实。用户操作接口（如系统调用、库函数、命令行和图形界面）提供了一种 抽象层，使得开发者和用户不需要关心复杂的硬件细节，而可以通过简单的指令或函数调用来实现目标。 例如：通过 printf 输出文本，而不需要了解字符如何通过硬件发送到显示器。

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四、理解操作系统的“管理”

精髓：先描述，再组织！

这里我们举一个例子来了解管理，我们有学生、辅导员和校长三个角色。显然，校长在这三个人当中是管理者，学生是被管理者，那么辅导员充当什么角色？

1. 其实我们完成任何一件事情都需要经过两个过程，第一个是决定要不要做这件事或者如何做这件事（相当于做决策）；第二是付出行动的做这件事（相当于执行）。如上述例子，校长是管理者，管理学校的学生，校长就是那个做决策的人，但是他做决策后并不需要自己去执行（因为他是校长，哈哈哈），所以我们辅导员的作用就是去充当做执行的校色。所以辅导员的主要任务就是执行管理者的决策，称之为执行者。
2. 虽然校长是管理者，但是我们学生身为被管理者在学校一般能看到校长人吗？所以校长是如何做到在我们看不到的情况下对我们进行管理的呢？

举个例子，现在校长要求辅导员将电子信息工程02班成绩排名前十的学生的各科资料以及平时表现记录拿过来，他将从这十名同学之中选出三名学生参加本次的全国电子设计大赛，当辅导员将资料拿来后校长选出三名学生说：“就这三个了，你找个老师对这三名学生进行一下强化训练，然后参加本次的大赛。”然后校长就什么也不管了。

1. 在这个过程中，校长根本没有见过这三名同学，就对其进行了管理，他根据的是什么？没错，他根据的是数据。
2. 实际上，学校将我们每个学生的各种信息都进行了管理，基本信息、成绩信息以及健康信息等等。
3. 每一套信息就描述了一名学生，校长通过对这些信息的管理就能做到对学生的管理。这么一套信息在C语言当中我们称之为抽象结构体，而在C++当中又叫做面向对象。
4. 当学生的数量多起来了，校长就可以将全部学生的信息组织起来，当然组织的方式有很多种（链表、顺序表、树），而每种组织方式都有其自己的优势，于是就有了一门课程专门教我们管理数据的方式，那就是数据结构。这里我们假设校长以双链表的形式将学生的信息组织起来。
5. 此时校长对各个学生的管理，实际上就变成了对双链表的增删查改。当有新生时直接向该双链表加入一个结点，当学生毕业后直接将学生信息从该双链表当中移除即可。

总结

操作系统的核心价值在于 对下管理硬件、对上提供接口。通过内核、驱动和用户接口三层递进，操作系统既保证了硬件的高效利用，又为用户和开发者提供了友好、简洁的交互方式。同时，操作系统的管理精髓在于对复杂资源的 抽象与组织，这与我们在数据结构中学习到的思想相一致。掌握操作系统，不仅是理解计算机如何工作的关键，也是进一步深入编程、系统开发和计算机科学的必经之路。