Linux内核实战（二）- 操做系统概览

不知道你有没有产生过这些疑问：

桌面上的图标究竟是啥？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？

为何我一回车，这些字符就发到遥远的另一台机器上去了？

别小看“双击鼠标打开聊天软件”这样一个简单的操做，它几乎涵盖了操做系统的全部功能。咱们就从这个熟悉的操做，来认识陌生的操做系统。

操做系统其实就像一个软件外包，内核就至关于这家外包公司的老板。因此接下来请你将本身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做系统是如何协调各类资源，帮客户作成事情的。

从此所说的“用户”，都是指操做系统的用户，“客户”则是指外包公司的客户，这二者是对应的。

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作什么，都是经过这两个设备。

若是是一家外包公司，怎么才能知道客户的需求呢？你须要配备销售、售前等角色，专门负责和客户对接，把客户需求拿回来，咱们把这些人统称为客户对接员。你能够跟客户说，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。

不管是显示器仍是显卡，这里都有个“坐标”的概念，也就是说，什么图像在哪一个坐标，都是定义好了才画上去的。原本在某个坐标画了一个鼠标箭头，当接到鼠标移动的事件以后，你应该按相同的方向，按照必定的比例（鼠标灵敏度），在屏幕的某个坐标再画一个鼠标箭头。

做为外包公司，当客户给你提了需求，无论你作仍是不作，最终作成什么样，你都须要给客户反馈，因此你要配备交付人员，将作好的需求展现给他们看。

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，这就是操做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，对于操做系统来说，输入设备会发送一个中断。这个概念很好理解。客户确定但愿外包公司把正在作的事情都停下来服务它。因此，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，在操做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，外包公司就能够处理用户“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，这至关于客户告知客户对接员“有了新需求，须要处理一下”。你会事先把处理这种问题的方法教给客户对接员。在操做系统里面就是调用中断处理函数。操做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，由于未来的一段时间，用户要一直和QQ进行交互。

这就至关于大家公司接了一个大单，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，之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，必定要有一个项目执行计划书，说明这个项目打算怎么作，一步一步如何执行，遇到什么状况应该怎么办等等。

换句话说，对QQ这个程序来讲，它能作哪些事情，每一个事情怎么作，先作啥后作啥，都已经做为程序逻辑写在程序里面，而且编译成为二进制了。这个程序就至关于项目执行计划书。

电脑上的程序有不少，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。文件系统须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

对于大家公司，项目立得多了，项目执行计划书也会不少，一样须要有个统一保存文件的档案库，并且须要有序地管理起来。

当你从资料库里面拿到这个项目执行计划书，接下来就须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，当操做系统拿到QQ的二进制执行文件的时候，就能够运行这个文件了。

• 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，须要用到公司的各类资源，好比说盖个公章、开个证实、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，仍是应该被公司严格把控，审批了才能用；

另一方面，为了提升效率，最好有个统一的办事大厅，明文列出提供哪些服务，谁须要能够来申请，而后就会有回应。

在操做系统中，也有一样的问题。

例如多个进程都要往打印机上打印文件，若是随便乱打印进程，就会出现一样一张纸，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。因此，打印机的直接操做是放在操做系统内核里面的，进程不能随便操做。可是操做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能够调用，进程有须要的时候就能够去调用。

这其中，立项是办事大厅提供的关键服务之一。一样，任何一个程序要想运行起来，就须要调用系统调用，建立进程。

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，咱们还须要一个项目经理、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。若是项目多，可能一个开发人员须要同时执行多个项目，这就要考验项目经理的调度能力了。

在操做系统中，进程的执行也须要分配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。

因而，为了管理进程，咱们还须要一个进程管理子系统（Process Management Subsystem）。若是运行的进程不少，则一个CPU会并发运行多个进程，也就须要CPU的调度能力了。

2.5 内存管理系统

每一个项目都有本身的私密资料，这些资料不能被其余项目组看到。这些资料主要是项目在执行的过程当中，产生的不少中间成果，例如架构图、流程图。

执行过程当中，不免要在白板上或者本子上写写画画，若是不一样项目的办公空间不隔离，一方面，项目的私密性不能获得保证，A项目的细节，B项目也能看到；另外一方面，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。

若是把不一样的项目组分配到不一样的会议室，就解决了这个问题。固然会议室是有限的，须要有人管理和分配，而且须要一个会议室管理系统。

在操做系统中，不一样的进程有不一样的内存空间，可是整个电脑内存就这么点儿，因此须要统一的管理和分配，这就须要内存管理子系统（Memory Management Subsystem）。

若是想直观地了解QQ如何使用CPU和内存，能够打开任务管理器，你就能看到QQ这个进程耗费的CPU和内存。

项目执行的时候，有了必定的成果，就要给客户演示。例如客户说要作个应用，咱们作出来了要给客户看看，若是客户说哪里须要改，能够根据客户的需求再改，这就须要交付人员了。

QQ启动以后，有一部分代码会在显示器上画一个对话框，而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。

因而使用QQ的用户就会很开心地发现，他能和别人开始聊天了。

当用户经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。

咱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，由于是对接这个项目的，于是就回来报告，客户提新需求了，项目组须要处理一下。项目执行计划书里面通常都会有当遇到何种需求应该怎么作的规定，项目组就按这个规定作了，而后让交付人员再去客户那里演示就好了。

对于QQ来说，因为键盘闪啊闪的焦点在QQ这个对话框上，于是操做系统知道，这个事件是给这个进程的。QQ的代码里面确定有遇到这种事件如何处理的代码，就会执行。通常是记录下客户的输入，而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，就以为本身的输入成功了。

当用户输入完毕以后，回车一下，仍是会经过键盘驱动程序告诉操做系统，操做系统仍是会找到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，须要调用系统调用，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，可是这个需求须要和其余公司沟通，这就须要依靠公司的对外合做部，对外合做部在办事大厅有专门的窗口，很是方便。

总结

到这里，一个外包公司大部分的职能部门都凑齐了。你能够对应着下图的操做系统内核体系结构，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，我会展开讲述每一个部分是怎么工做的，最后我会再将这个过程串起来，这样你就能了解操做系统的全貌了。

操做系统内核体系结构图

参考

趣谈Linux操做系统