第四讲——操作系统内部结构

<div>　　要讲操作系统内部结构，先讲一讲什么是程序。</div>
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<div>　　程序就是个程序，鼠标双击就可以运行了嘛，有啥好讲的？是不是？</div>
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<div>　　所谓的程序就是按照人们的意愿，将计算机硬件的功能调用来完成一些特定工作的代码，当然光是代码还是不行的，因为计算机不认识啊！计算机比幼儿园的小朋友都笨，只认识0,1两个数字，其他的怎么也学不会，0,1组成的字符串叫做二进制。</div>
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<div>　　所以写完代码还得将其转换成相应硬件平台能够读懂的二进制代码，为什么说是相应硬件平台呢？因为计算机硬件也是发展的，既然在发展那么就会有新旧之分，这里面起到十分重要作用的叫做CPU，人们常说的硬件架构大多数指的是CPU芯片的不同系列，比如大家耳熟能详的inter的酷睿I系列，什么I3，I5。I7，还有老一辈的奔腾系列等等，这些CPU采用的架构不一样就导致了其内部的指令集存在差异，指令集就是CPU厂商为了提高开发人员的效率所开发出来的指令，使用这些指令就能够调用CPU的功能，这玩意儿也叫汇编语言。</div>
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<div>　　我们常见的CPU来自两大厂商inter和AMD，有X86或者X86_64的平台架构，有一个大家经常使用却很少关注的手机CPU，它来自移动平台的霸主ARM，这家公司比较诡异，它只生产知识产权，并不生产任何设备，好像是英国的一家公司。</div>
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<div>　　程序员通过编译器将代码编译之后就能够在机器上运行，能运行的这玩意儿叫做程序。</div>
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<div>　　一个程序具有局部性原理，什么叫局部性原理呢？</div>
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<div>　　1.       从时间上来说，程序具有时间上的局部性：已经访问过的数据还需要用到，这让才使缓存具有意义。</div>
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<div>　　2.       从空间上来说，程序具有空间上的局部性：访问一个数据时，会将它挨着的数据同时提取，这样就避免了从内存中重复读取。</div>
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<div>　　另外，程序需要移植也是因为不同的机器底层硬件不尽相同。</div>
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<div>　　早期的操作系统叫批处理系统，就是那种需要在纸带上打孔然后输入的那种系统，这种操作系统一次只能执行一个完整的计算过程，效率低下，后来将更长的织带打上多个程序，这样虽然快了一些但是依然一次只能执行一个程序，也叫做一个作业。因为机器的内存只有这么一段，而这段内存是完全被运行的程序霸占的，也叫做全权访问，这就造成了CPU计算能力的大量闲置，在当时计算代价是相当昂贵的，这迫使那些科学家、学者们不得不像一种办法解决这个问题。</div>
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<div>　　后来就有了多用户多任务的系统的实现，在这里面引入了进程的概念。</div>
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<div>　　首先，计算机的运算需要CPU和内存，实现多任务就需要将资源进行划分，CPU的运算是随着时间的流逝而完成的，是由时间而驱动，因此将CPU按时间片进行划分（slice CPU），内存引入了分段机制，对被划分的每一段来说都有自身的起始作业位置（相对位置）。</div>
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<div>　　怎么对这些计算机资源进行划分，是由操作系统实现的，操作系统也是一个软件，但是操作系统只是提供一些功能，并不完成具体的工作，所以是一种通用软件。</div>
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<div>　　操作系统（确切说应该是操作系统内核）提供的功能可以大致分为</div>
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<div>　　1.       进程管理</div>
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<div>　　2.       内存管理</div>
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<div>　　3.       提供文件系统</div>
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<div>　　4.       提供网络功能</div>
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<div>　　5.       提供硬件驱动</div>
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<div>　　6.       提供安全机制</div>
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<div>　　7.       内核还负责完成一个程序的启动，停止，回收，切换等等</div>
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<div>　　所以说，操作系统是运行在硬件上，负责管理硬件资源，而且将硬件资源所提供的计算能力切割分配给各个进程，并完成协调。</div>
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<div>　　这里讲到了将硬件资源分配给各个进程，为什么不是程序？</div>
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<div>　　我们要知道，一个程序是放在硬盘上的，不去动动手脚这个程序是不会自己动的，程序要运行起来就得先加载到内存中去，加载到内存的这个玩意儿我们称为进程，进程是有生命周期的，也就是说它不能黏在内存中不走，干完工作就得离开，不然就是占着茅坑不拉屎，浪费硬件资源。</div>
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<div>　　操作系统是将计算机硬件的计算能力用软件二次模拟出来，所以其他程序看到的不是硬件，而是操作系统所提供的接口，称为system call，system call都非常低层，他们负责底层硬件的各个功能的提供，这就降低了程序员的开发难度。有了操作系统后，任何程序都不能再和硬件直接交互，要想使用硬件的功能，都必须要通过操作系统进行协调。</div>
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<div>　　但是这种叫做system</div>
<div>　　call（系统调用）的接口用起来还是非常麻烦，于是就有一些人，通常是系统开发人员，将系统调用进行再次封装成较为容易使用的接口，间接提供给开发人员，这个封装了系统调用的接口被称为库，为了实现多个功能，所以就有各种各样的库。</div>
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<div>　　我们上面说的程序的运行，实际上任何一个程序都有一个程序入口，就像C语言里的main{}一样，比较诡异的是库是一堆程序，却没有入口，但是他可以被其他程序调用执行，库虽然不能独立执行，但是它被调用后会提供一个统一的调用机制。</div>
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<div>　　库（library）只是提供接口，调用称为call。</div>
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<div>　　系统调用（system</div>
<div>　　call）是非常接近硬件的，所以对于开发者也是不怎么友好的，系统调用由内核（kernel）提供，操作系统除了提供内核外，还需要将内核所提供的系统调用输出出来，而这种输出是通过较为高层一点的调用接口来实现，称为库调用（library call）。</div>
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<div>　　库调用简写为LIB，又称为API（应用编程接口）。</div>
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<div>　　程序员就是负责调用计算机所提供的某些功能，然后开发程序的过程。</div>
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<div>　　但是我们要明白，一个程序可能运行在库调用上，也可能运行在系统调用上，运行在系统调用上的程序执行的效率可能会更高，但相对也会更难，获得的权限也就越大，此处限于水平就不拓展开了。</div>
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<div>　　我们需要知道，当计算机运行起来之后，内核和程序都是放在同一个物理内存里的，那么怎么保证内核的稳定性呢？要是一个恶意程序捣蛋一下那不坏菜了？</div>
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<div>　　为了保护内核的安全，CPU厂商从硬件上做了限定，因为内存控制器都在CPU里面嘛，所以inter平台提供了一种四个同心圆级别，最内圈为零级别，又称为特权模式，零级别会映射到内存中某一段处于保护的空间当中，只有内核才能工作在特权模式下，而且其他的程序只能运行在最外层，中间两层没有使用。</div>
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<div>　　所以在任何情况下，所有应用程序是不能访问内存中处于零级别的区域的。</div>
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<div>　　现在就可以知道，当计算机运行起来之后，内存会被分为三段，第一段是开机时BIOS的映射程序，第二段就是处于零级别模式的内核，第三段则被其他应用程序所共享。</div>
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<div>　　内存中的数据如果不是连续存储的，则会产生内存碎片，这个事情内核会解决的。</div>
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<div>　　好了我现在已经知道了系统内核、系统调用、库调用，有了这些操作系统就可以运行了吗？其实原则上来说只要有内核计算机就能跑起来了，但是问题在于你怎么去和计算机交互？难道是吼两嗓子？显然这是行不通的。</div>
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<div>　　所以我们需要计算机提一个供能够和我们交互的窗口，这个窗口就是shell。</div>
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<div>　　Shell就是把计算机的功能通过人类容易理解的操作方式输出的一个接口，也称为人机交互接口。有了shell以后我们才能够去执行程序完成一些工作，才能够操作计算机看看小电影什么的。</div>
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<div>　　广义上的shell有两种。</div>
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<div>　　1.       图形化的shell，我们现在使用的windows系统提供的就是图形化的shell。</div>
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<div>　　2.       命令行的shell，可以借鉴windows下的cmd，就是那个黑黢黢的命令行。而我们的linux大多数情况下都是在这样的窗口下运行的，有时候甚至连显示器都没有，当有需要的时候再接上显示器。当然，这一步还非常之遥远。</div>
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<div>　　在linux上的图形化shell常用的有三种，称为GUI（GGraphical user interface）</div>
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<div>　　1.       GNOME  使用C语言开发的</div>
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<div>　　2.       KDE 使用c++语言开发的</div>
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<div>　　3.       Xface  主要应用于嵌入式轻量级桌面系统</div>
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<div>　　GUI接口大多通过鼠标操作，就像玩游戏那样在屏幕上点来点去。话说鼠标是施乐公司的雷锋实验室PARK发明的。</div>
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<div>　　但是linux主要工作在命令行模式下，种类很多，称为CLI（command line interface）</div>
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<div>　　1.       bash 最常用的，功能强大而且开源</div>
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<div>　　2.       csh</div>
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<div>　　3.       zsh</div>
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<div>　　4.       ksh</div>
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<div>　　5.       tcsh…………</div>
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<div>　　我们正常登陆命令行界面通常称为虚拟终端（多个模拟的显示器），tty1-tty6，通过Ctrl+Alt+（F1-F6功能键）实现虚拟终端切换。</div>
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<div>　　这里涉及到一个问题，用户的身份验证。总不能谁都可以动动你的电脑吧？</div>
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<div>　　所以就有了认证的概念，认证机制可以使指纹、虹膜、密码等等等</div>
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<div>　　我们的密级没有那么高，用密码就差不多了，主要是更高的防护手段代价也很高。</div>
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<div>　　我们首先会创建一个标识身份的用户名，但是这个用户名可能很多人都知道，所以就有了密码作为防护手段，并且使用用户名和密码来限定使用者的权限。</div>
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<div>　　认证的过程就是鉴别某个用户是否就是声称的那个人的过程，认证并不代表就是全部，之后还要完成资源访问的授权，并且系统还会做相应审计，审计就是把你干的事情都统统记录在案，以后查起来就会有依据。审计通常会以日志的形式保存在计算机中。</div>
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<div>　　那么至此，我们已经能够进入一个操作系统了，可以实现看他几天几夜伟大的小电影梦想了……</div>

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