三、什么是操作系统

作者：解琛
时间：2020 年 9 月 7 日

操作系统是一个软件，一个软件需要实现一定的功能，这便可以定义什么是操作系统，我们想要这个软件干什么？

目前来说，操作系统没有一个公认的精准的定义。

到底什么该放到操作系统，什么不该放，不同的人有着不同的理解。

3.1 操作系统的定义

在百科全书中，操作系统的定义如下。

操作系统是管理硬件资源、控制程序运行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件。

• 操作系统利用硬件提供的支持，来完成系统的设计实现和内核的功能；
• 应用程序的开发者，可以直接利用操作系统的功能，也可以在操作系统之上写一些通用的应用，称之为系统应用，在系统应用之上，来编写用户的应用程序；
• 哪些是系统应用，哪些该放到操作系统中，没有明确的界限。

我们将操作系统解释为：

• 操作系统是一个控制程序；
  • 是一个系统软件；
  • 控制程序执行过程，防止错误；
  • 执行用户程序，给程序提供服务；
  • 方便用户使用计算机系统。

操作系统是一个控制程序，它控制程序的执行过程，程序执行的时候，可能会出现功能不正常（比如锁死、无限循环等），会导致系统崩溃，这是不行的，我们需要防止应用程序执行过程中出错，出错需要将它停下。应用程序在执行时，操作系统需要为它提供服务（比如，往文件系统中存数据，从文件系统中读数据，通过网络收发数据等），来实现相应的功能。

为用户使用计算机提供方便，系统应用（命令行、图形界面）可以算为应用程序。

系统应用和应用程序的区别，只是使用范围上的不同而已。通常认为编译器是一个应用程序，但是它是其他应用程序都要使用到的一个公共的应用程序，这一类我们称为系统应用。

• 操作系统是一个资源管理程序；
  • 应用程序与硬件之间的中间层；
  • 管理各种软硬件资源；
  • 提供访问软硬件资源的高效手段，解决访问冲突，确保公平使用。

硬件资源指的是各种各样的设备（硬件资源、CPU 的使用）。数据存在磁盘上，数据就是软件资源。

应用程序如何寻找软件资源，也是由操作系统来完成的。

在提供资源管理的时候，需要解决两个问题。

1. 访问资源时的高效；
   • 操作系统完成之后，开发者不需要都来写这个访问数据的程序，使得开发效率提高；
2. 提供一个公平的服务；
   • 多个程序同时访问同一个硬件资源时，需要操作系统来协调，解除冲突。

3.2 操作系统软件的分类

操作系统是一个软件，通常意义上来说，最狭义的操作系统就是指内核。通过一个界面（系统调用），系统调用之上就是应用，系统调用之下的就是操作系统。

通常情况下，操作系统的含义不只是内核，还包括上面的命令行、GUI，编译器、调试器称之为系统应用，这一类构成系统软件，再向上就是应用软件（文本编译器、数据库）。

从软件分类的角度来说，操作系统是一个处在底层、起到重要作用的软件。

3.3 操作系统内核的抽象与特征

操作系统要负责 CPU 资源的管理，CPU 的具有计算的能力，操作系统抽象出进程控制块。进程用来描述一个程序如何被加载到计算机系统中，如何分配它所需要的资源，占用 CPU 执行，同时处理当多个 CPU 程序执行时的暂停和恢复。

磁盘上的数据被抽象为文件，文件是计算机系统中我们访问的一个基本单位，这个基本单位的内容是存在磁盘上的，操作系统抽象出文件的概念后，对于用户的使用来说，只需要访问一个文件，只要知道文件在哪，内容可以读出来，需要往文件写入东西时，这个文件存在哪，这是操作系统需要解决的问题。

内存是临时存数据的地方，操作系统将其抽象为地址空间。多个应用程序交替执行时，就会有地址空间上的问题，到底将哪块空间分配给哪一块进程来执行，这是操作系统需要解决的问题。

这些分配算法和程序的分配算法有什么区别？这可以总结出操作系统内核的一些特征。

• 并发：计算机系统中同时存在多个运行程序；
  • 原来理解计算机程序运行：计算机有一个 CPU，计算机程序拥有一个当前指令指针，伴随着从程序执行开始一直到程序执行结束。
  • 操作系统内核：需要管理多个正在运行的程序，让它们交替执行。一个进程占用 CPU 时，当前指令指针开始，执行到某一个位置，CPU 执行权被收回，需要记录当前执行到哪，保存哪些数据，将另一个进程上一次执行的状态恢复回来，继续执行。这种交替执行的方式，就是并发。
• 共享：程序间”同时“访问互斥共享各种资源；
  • 在计算机系统中有多个应用程序执行，原来写程序时只关心我们当前的程序占用哪些资源，在操作系统中需要关心，多个应用程序同时访问同一个资源时，如何处理？
  • 比如两个程序的执行都需要使用 CPU，这个 CPU 如何分配给两个进程？对于 CPU 来说，只能一段时间给一个进程，另一段时间给另一个进程，这种共享如何实现？
  • 内存的共享，可以将一半资源给这个进程，另一半给另一个进程，但是 CPU 不行，对于操作系统来说，不同的资源需要制定不同的分享策略，这是操作系统需要解决的问题。
• 虚拟：每个程序”独占“一个完整的计算机；
  • 原来写汇编程序时，是一个物理 CPU，有一个寄存器保存了当前指令指针的执行，现在有多个运行的进程，在计算机系统中执行，这时候每一个程序看上去都像在一个完整的、独立的计算机上执行，只是说和原来的区别是 CPU 有可能会暂停下来，将 CPU 让给另一个程序去执行，对于该程序来说，进程似乎拥有了一个独立的、完整的计算机在执行，这种”看上去，好像是一*立的计算机“，就是我们所说的虚拟。
  • 内存、磁盘都有类似的问题。将一个资源虚拟之后，让各个程序看上去都是独立的在使用全部资源，操作系统来协调这种共享方式。
• 异步：服务的完成时间不确定，也可能失败；
  • 嵌入式系统中，可以使用延迟来实现等待的操作，但是在计算机内核中，一段程序执行的时间，可能会由于 CPU 给了别的程序执行，造成当前程序运行时间的不确定，这样应用程序在执行时，不能用时钟来数当前执行了多久，这种不确定性会让原来看上正确的逻辑产生一些麻烦，这是操作系统内核需要解决的问题。