概念

任何計算機系統都包含?個基本的程序集合，稱為操作系統(OS)。

其核心功能如圖片所示，包括：

• 內核 (Kernel)：
  內核是操作系統的核心部分，被認為是狹義上的操作系統，直接與硬件打交道。負責進程管理、內存管理、文件管理和設備管理。
  在圖片中，內核被描述為包含關鍵功能，例如：
  • 進程管理：如何調度任務、切換任務、分配 CPU 時間片。
  • 內存管理：分配和釋放內存、提供虛擬內存功能。
  • 文件管理：存儲和訪問磁盤上的文件。
  • 驅動管理：硬件與系統的接口。
• 其他程序：
  除了內核外，操作系統還包括輔助用戶交互和程序開發的組件，例如函數庫、Shell 程序等。

---

操作系統的設計目的

對下管理硬件資源（不是目的，是手段）

如圖所示，操作系統與硬件直接交互，管理所有軟硬件資源。它可以屏蔽底層硬件的復雜性，為應用程序提供統一的接口。例如：

• CPU 時間的分配；
• 內存的分配與回收；
• 文件的讀取與寫入。

對上為用戶和應用程序提供環境（目的，服務用戶）

操作系統為用戶程序提供執行環境，包括：

• 抽象硬件： 屏蔽底層復雜的硬件接口；
• 系統調用： 提供基礎功能調用接口，例如文件操作、內存分配等。

圖片中通過銀行窗口的比喻形象地說明了這一點：

• 用戶（用戶程序）與銀行柜員（操作系統）交互，柜員接收用戶指令，完成后臺操作；
• 銀行后臺資源（硬件）被柜員高效管理，用戶無需直接接觸。

---

操作系統如何通過分層結構和接口設計實現資源管理和安全性？

軟件硬件系統結構層狀結構

理解：

• 軟件和硬件系統是層次化的，系統的不同層次之間通過接口進行交互。
• 硬件位于底層，它是最基礎的物理資源，直接負責執行指令和存儲數據。
• 操作系統位于硬件之上，充當中間層，負責管理硬件資源并為上層應用程序提供接口。
• 應用程序在最上層運行，用戶通過應用程序與硬件進行間接交互。

例子：

• 用戶通過一個文本編輯器（應用程序）保存文件，實際調用了操作系統的文件系統接口，最終將數據寫入硬件（磁盤）。
• 這種分層結構讓硬件的復雜性被操作系統屏蔽，開發者只需關注高層的接口，而不需要了解硬件的底層操作。

---

訪問操作系統，必須使用系統調用

理解：

• 系統調用是應用程序與操作系統交互的橋梁。通過系統調用，應用程序可以訪問操作系統管理的資源（如文件、網絡、內存等）。
• 系統調用本質上就是操作系統提供的一組函數，通過這些函數，應用程序可以向操作系統發出請求，完成特定的任務。

例子：

• 程序需要讀取文件時，會通過調用系統調用 read() 請求操作系統打開文件、讀取內容。
• 這些調用本質上是程序員使用的函數，但這些函數是操作系統實現的，而不是直接操作硬件。

關鍵點：

• 系統調用是操作系統對外暴露的功能接口，它們是固定的，程序必須通過這些接口訪問硬件資源。

---

訪問硬件時，必須穿越整個軟件硬件體系結構

理解：

• 如果程序需要訪問硬件（如讀取硬盤、打印文件等），操作必須逐層向下傳遞：
  1. 程序向操作系統發出系統調用請求。
  2. 操作系統內部將請求映射到具體的硬件驅動程序。
  3. 硬件驅動直接控制硬件完成任務。
• 這種機制確保了硬件操作的安全性和一致性，因為操作系統充當了硬件和程序之間的“守門人”。

例子：

• 一個瀏覽器需要加載網頁，最終會訪問網絡適配器（硬件）發送請求。這個過程包括：
  • 瀏覽器調用系統的網絡 API；
  • 操作系統將請求傳遞給網絡驅動程序；
  • 驅動程序控制網絡硬件發送數據包。

關鍵點：

• 程序無法直接訪問硬件，必須經過操作系統。操作系統確保硬件資源的安全和公平使用。

---

庫函數可能底層封裝了系統調用

理解：

• 庫函數是對系統調用的進一步封裝，提供了更高級、更易用的功能。底層的系統調用是基礎功能，而庫函數對其進行了擴展和優化。
• 通過調用庫函數，開發者無需直接與復雜的系統調用打交道，而是通過更簡單的接口完成同樣的任務。

例子：

• C 語言的 printf() 函數用于輸出內容到終端，它底層調用了操作系統的 write() 系統調用來完成實際的輸出。
• 類似地，標準庫函數 fopen() 封裝了文件操作的系統調用，使開發者可以更簡單地處理文件。

關鍵點：

• 庫函數是對系統調用的進一步抽象，提供了更方便的功能，同時隱藏了底層實現細節。

---

小結

這四個要點說明了操作系統作為用戶程序與硬件之間的橋梁，如何通過分層結構和接口設計實現資源管理和安全性：

1. 軟件硬件的層狀結構讓復雜的硬件操作被逐層抽象。
2. 系統調用是訪問操作系統的唯一合法方式，程序必須通過它請求資源。
3. 程序訪問硬件時，必須經過操作系統的管理，確保硬件安全和公平。
4. 庫函數對系統調用進行了封裝，使開發更加方便。

這種機制體現了操作系統設計的核心思想——通過抽象和封裝，隱藏復雜性，提供易用性，同時確保安全性和穩定性。

操作系統的核心功能

管理。

在整個計算機軟硬件架構中，操作系統的定位是：一款純正的“搞管理”的軟件。 （決策，執行）

管理時，管理與被管理者可以不需要見面：

一個學校的校長（管理者）不需要直接與每個學生（被管理者）接觸，就可以管理整個學校。這是因為校長可以通過輔導員或者班主任提供的學生數據（如成績、出勤率等）來完成管理。

管理者（如操作系統）和被管理者（如進程、內存、文件等）之間的交互并不需要直接接觸。它們通過數據（描述信息）來完成管理，而不是通過面對面或者直接交互。換句話說，操作系統不需要直接干預具體的硬件或程序，只需要維護這些被管理對象的狀態和描述信息，然后根據需要進行操作。

管理者和被管理者，根據“數據”進行管理：

數據是管理的核心。操作系統不直接操作資源本身，而是通過對資源數據的讀取和操作來實現管理。

管理的核心是數據，管理者通過記錄和操作被管理者的相關數據實現對其的控制。在操作系統中，這些數據通常存儲在內核中，描述了被管理資源的狀態和屬性。

不需要見面，由中間層獲取得到數據：

在學校中，校長通過輔導員獲取學生的信息，而不需要直接接觸每個學生。輔導員就像操作系統中的“中間層”，負責收集數據并提供給校長。

操作系統作為“中間層”負責采集和維護資源數據，通過這些數據為用戶程序提供服務。被管理者（如硬件設備、程序）本身并不會直接暴露其內部信息，而是通過操作系統的中間層將這些數據呈現給管理者。

---

將上文所述例子進行延伸，如果學生的數量過多則會造成管理的不便，所以就會使用數據結構將學生的信息進行存儲，用結構體將一個學生的信息進行存儲，然后將所有結構體進行聯系。

同樣，操作系統對管理的進程、內存、文件等就可以將他們的狀態和描述信息進行存儲在結構體中，然后使用合適的數據結構進行管理，進行增刪查改。

---

系統調用與庫函數

系統調用

操作系統要向上提供服務。

但是操作系統不信任任何用戶，所以會有系統調用的概念。

操作系統對外暴露的接口稱為系統調用，是用戶程序與操作系統交互的橋梁。

通過接口可以降低操作系統和用戶之間的耦合度，不同的服務對應不同的接口，提高安全性。

例如：

• 文件操作：創建、刪除、讀寫文件；
• 進程操作：創建進程、終止進程；
• 內存操作：分配和釋放內存。

庫函數

只要庫函數最終使用了硬件，則該庫函數一定使用了系統調用。

系統調用直接提供基礎功能，但對于用戶來說，使用這些功能可能過于復雜。因此，開發者會基于系統調用開發封裝好的庫函數。

比如軟件的使用中我們只需要點擊對應的按鍵，即可執行程序員已經封裝好的系統調用。程序員用已經把系統調用封裝好的庫函數再次進行封裝成接口，提供給用戶使用，這就是對上進行服務。

例如：

• printf() 是基于 I/O 系統調用封裝的函數；
• 標準 C 庫（如 libc）對操作系統的功能進行了更高層次的抽象。

---

管理的本質

描述和組織。

比如，大部分高級語言都可以面向對象編程，以及有類似于STL庫的使用。面向對象，將事物用結構體進行封裝的過程實際上就是描述，用STL庫使用數據結構將結構體進行管理就是將描述后的內容進行組織。

• 描述被管理對象：
  使用數據結構（如結構體）對資源進行描述。例如：
  • 文件描述符；
  • 進程控制塊（PCB）。
• 組織被管理對象：
  使用數據結構（如鏈表、隊列）將資源高效組織起來。例如：
  • 進程調度使用的就緒隊列；
  • 內存管理中的空閑鏈表。

這種管理方式貫穿于操作系統的各個模塊，是操作系統高效運行的核心思想。

---

承上啟下：操作系統的核心價值

操作系統的核心價值體現在：

• 對資源的統一管理和抽象： 提供統一的接口，屏蔽硬件復雜性；
• 保障用戶程序的安全與高效： 防止資源沖突，提高系統性能。

操作系統的管理方法（描述 + 組織）也貫穿其設計理念：

1. 描述資源（結構體）；
2. 組織資源（鏈表等高效數據結構）。

---

通過以上詳細的講解，我們可以更好地理解操作系統在計算機系統中的定位：它既是硬件資源的管理者，又是用戶與硬件交互的橋梁。無論是進程管理、內存管理還是文件管理，操作系統的設計哲學始終圍繞“管理”展開。