操作系統原理

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我們每天都同操作系統打交道，了解一些操作系統原理上的知識是絕對有必要的，它能夠讓你了解操作系統內部是怎么工作的，為什么會出現這樣那樣的問題，為我們解決這些問題提供思路。
??? 本文全然是為普通電腦用戶寫的，省略了全部難以理解的算法、原理，沒有太多細節上的東西，僅僅是針對普通電腦用戶可能感興趣的問題給出了實現思想。寫這些東西僅僅是我的一相情愿，就怕我還是寫得深了些，剛開始學習的人讀不懂。假設這10K文字能讓你對操作系統有更深的了解，那也就不枉了這幾個汗流浹背的夏日午后了。

Q: 什么是中斷？
A:中斷嘛，舉個easy理解的樣例吧。
?? 比方蓮蓮和唐唐在下象棋，眼看蓮蓮就快招架不住了，正當此緊要關頭，唐
唐的女友來了，非要唐唐陪她上街買衣服不可（唐唐暈倒:-) ），于是唐唐
不得不同蓮蓮商議，先把棋盤封了，待買完衣服后繼續戰斗。掌燈時分，唐
唐帶著滿臉疲憊回到了棋盤前，結果蓮蓮不費吹灰僅僅力便反敗為勝。
這就是整個中斷過程。我們來看看中斷過程是怎樣發生的：
? 1)中斷請求：唐唐的女友要他逛街
? 2)中斷響應：唐唐準備放下棋局陪女友逛街
? 3)現場保護：先把棋盤封了
? 4)中斷處理：唐唐陪女友逛街買衣服
? 5)恢復現場：把棋盤解封
? 6)中斷返回：繼續戰斗
? 在計算機中，中斷機制是非常重要的，它用于協調系統對各種外部事件的響
應和處理，而且是實現多任務的必要條件。能夠這么說，假設沒有中斷機制，
就沒有計算機。噢，對了，假設唐唐把棋移到密室中下，不讓他的女友打攪，
這就叫“中斷屏蔽”。

Q:RING3 、 RING0 是什么意思？
A:這得從CPU指令系統（用于控制CPU完畢各種功能的命令）的特權級別說起。
在CPU的全部指令中，有一些指令是非常危急的，假設錯用，將導致整個系統
崩潰。比方：清內存、設置時鐘等。假設全部的程序都能使用這些指令，那
么你的系統一天死機n回就不足為奇了。所以，CPU將指令分為特權指令和非
特權指令，對于那些危急的指令，僅僅同意操作系統及其相關模塊使用，普通
的應用程序僅僅能使用那些不會造成災難的指令。形象地說，特權指令就是那
些兒童不宜的東東，而非特權指令則是老少皆宜。
?? Intel的CPU將特權級別分為4個級別：RING0,RING1,RING2,RING3。Windows僅僅
使用當中的兩個級別RING0和RING3，RING0僅僅給操作系統用，RING3誰都能用。
假設普通應用程序企圖執行RING0指令，則Windows會顯示“非法指令”錯誤信
息。雖然有CPU的特權級別作保護，遺憾的是WINDOW98本身漏洞非常多，使用
Windows 98的系統一天死機n回也是正常的。

Q: 為什么要有操作系統？
A:哈哈，難道你還沒感受到操作系統的魅力嗎？由于有了象Windows這樣優秀的
操作系統，我們的機器才一天到晚地出問題——這個那個的問題，我們才需
要一天到晚地重裝Windows，這樣才使我們牢牢地記住了象微軟這種公司的
名字，和象比爾蓋茨這樣優秀的程序猿兼老板的名字……

?? 好了，說正經的，雖然Windows不穩定，但絕對不是否能認它是當今最棒的操
作系統之中的一個。操作系統在計算機中起著重要作用，它為全部的應用程序提供
一個執行環境，并將應用程序同詳細硬件隔離。比方在機器中換一塊聲卡，僅僅
須要又一次安裝一下聲卡驅動程序就完事了，但假設沒有操作系統，你就必須
為這塊新的聲卡又一次購買全部的應用程序，以便這些應用程序能夠認識這塊聲
卡并能夠使用它。
?? 操作系統就象計算機的大管家，管理著計算機的各種資源，比方內存、磁盤、
CPU等。應用程序想使用這些資源，都必須經過操作系統同意（資源申請），
而且由操作系統統一安排使用時間（資源分配），應用程序用完后必須將資源
還給操作系統（資源回收），以便其它應用程序使用。就這樣，計算機系統在
操作系統的管理下以最可能高的效率有條不紊地工作著。

Q: 什么叫進程？進程同程序有什么區別？
A:進程是程序在計算機上的一次執行活動。當你執行一個程序，你就啟動了一個
進程。顯然，程序是死的（靜態的），進程是活的（動態的）。
進程能夠分為系統進程和用戶進程。凡是用于完畢操作系統的各種功能的進程
就是系統進程，它們就是處于執行狀態下的操作系統本身；用戶進程就不必我
多講了吧，全部由你啟動的進程都是用戶進程。
進程是操作系統進行資源分配的單位。在Windows
下，進程又被細化為線程，也就是一個進程下有多個能獨立執行的
更小的單位。

Q: 什么是多任務？
A:在同一個時間里，同一個計算機系統中假設同意兩個或兩個以上的進程處于運
行狀態，這便是多任務。現代的操作系統差點兒都是多任務操作系統，能夠同一時候
管理多個進程的執行。多任務帶來的優點是明顯的，比方你能夠邊聽mp3邊上網，
與此同一時候甚至能夠將下載的文檔打印出來，而這些任務之間絲毫不會相互干擾。

Q: 什么是 “ 并發 ” ？什么是 “ 并行 ” ？
A:俗話說，一心不能二用，這對計算機也一樣，原則上一個CPU僅僅能分配給一個
進程，以便執行這個進程。我們通常使用的計算機中僅僅有一個CPU，也就是說
僅僅有一顆心，要讓它一心多用，同一時候執行多個進程，就必須使用并發技術。
實現并發技術相當復雜，最easy理解的是“時間片輪轉進程調度算法”，它
的思想簡介例如以下：
?? 在操作系統的管理下，全部正在執行的進程輪流使用CPU，每一個進程同意占用
CPU的時間非常短（比方10毫秒），這樣用戶根本感覺不出來CPU是在輪流為
多個進程服務，就好象全部的進程都在不間斷地執行一樣。但實際上在不論什么
一個時間內有且僅有一個進程占有CPU。假設一臺計算機有多個CPU，情況就不同
了，假設進程數小于CPU數，則不同的進程能夠分配給不同的CPU來執行，這樣，
多個進程就是真正同一時候執行的，這便是并行。但假設進程數大于CPU數，則仍然需
要使用并發技術。在Windows中，進行CPU分配是以線程為單位的，一個進程可能
由多個線程組成，這時情況更加復雜，但簡單地說，有例如以下關系：
總線程數 <= CPU數量：并行執行
總線程數 > CPU數量：并發執行
?? 并行執行的效率顯然高于并發執行，所以在多CPU的計算機中，多任務的效率
比較高。可是，假設在多CPU計算機中僅僅執行一個進程（線程），就不能發揮多
CPU的優勢。值得注意的是，Windows 9x并不支持多CPU系統，假設在多CPU系統 ?
上安裝Windows 9x，有再多的CPU也是白搭。

Q: 什么叫 “ 可搶占式多任務 ” ？
A:進程是有優先級的。假設即將被執行的進程的優先級比正在執行的進程的優先
級高，則系統能夠強行剝奪正在執行的進程的CPU，讓優先級高的進程先執行。
可見，人類社會的特權思想在計算機世界中表現得多么淋漓盡致。:-)
實際的操作系統一般將時間片思想同可強占思想結合起來進行CPU分配。
可搶占式多任務的優點是非常多的，比方當一個進程發生意外無法執行時，假設
不能強行剝奪其CPU占有權，則整個系統都得癱瘓，由于早期的Windows 3.1不
是可搶占式多任務系統，所以Windows 3.1非常不可靠。

Q: 多個進程在并發 / 并行執行過程中會產生沖突嗎？
A:假設沒有不論什么保護機制，肯定是會的。這種沖突一般發生在對資源的爭奪上。
顯然，假設一條馬路窄到僅僅能通過一輛馬車，則當有兩輛馬車想同一時候通過時，
某個馬車夫就必須發揚風格，先讓一讓，否則結果肯定是人仰馬翻。
操作系統細心地管理著這一切，以避免進程間的沖突，程序猿們也經常須要
細心地依照某種既定規則編敲代碼，以便操作系統管理。
更詳細的方法、原理已經遠遠超過了剛開始學習的人能接受的水平，我還是把它略去
吧。

Q: 什么是虛擬存儲器？
A:虛擬存儲技術是非常重要的存儲管理技術，它的核心思想是利用巨大的硬盤
空間來彌補不足的實際內存空間。在虛擬內存管理下，應用程序能夠使用的
存儲空間遠遠大于實際的內存大小。我們將一臺計算機實際安裝的內存稱為
物理存儲器，將通過虛擬存儲技術得到的比實際內存空間大得多的存儲空間
成為虛擬存儲器。虛擬存儲技術的實現也是非常復雜，假設細講的話肯定又
是吃力不討好，這里僅僅提一提最簡單的思想。內存單元在計算機中是有編號
的，叫內存地址。假設你的計算機中有1M物理內存（天哪，286的說？呵呵，
舉樣例方便嘛），則物理內存的地址范圍為0到1048575（1024 x 1024 - 1）。
假設想訪問地址為1048576的單元，顯然是不能夠的，由于最大僅僅到1048575了
。可是，假設這時我將物理內存中全部的東西先保存到硬盤上，然后通過某種
方法將1048576映射到地址為0的物理存儲單元上，我不就又得到另外整整一個
M的存儲空間了嗎，當程序要訪問地址為0的單元時，我把原先存儲在硬盤上的
內容調回物理內存中就能夠了。這個想法夠巧妙吧，它就是虛擬存儲技術的核
心思想。于是我就能夠得到n個1M空間了。真正的虛擬存儲管理比上面我所提的
還要復雜、巧妙得多，它能夠實現讓不同的進程在不同的地址空間上執行（即
讓每一個進程覺得自己占有全部的存儲空間，能夠隨意使用，不必在乎系統中的
其它進程是怎樣使用存儲空間的。這宛如讓不同的進程執行在不同的計算機上）
，而且要考慮最優的內存使用效率。

Q: 假設一個進程訪問了不屬于自己地址空間內的存儲單元，會發生什么情況？
A:在Windows下你肯定會看到一個“該程序執行了非法操作，即將被關閉……”
之類的對話框。看到這種對話框常令我們無比沮喪，但這是操作系統必須
做的事，我們稱它為“存儲保護”。存儲保護的目的是保護系統進程不被用
戶進程破壞，不同意進程讀寫不屬于自己的區域。道理是非常easy的：考試的
時候，你僅僅被同意在自己的試卷上面作答，假設你想看別人的試卷，甚至想
改別人試卷上的內容，你就“執行了非法操作”，肯定是要被監考“關閉”
的（前提是監考人員工作正常，否則就亂了套了，會有非常嚴重的后果）。
注意：在Windows中引起系統關閉一個進程的原因非常多，除了非法讀寫其它
進程存儲區（地址越界）外，還有如執行了僅僅有操作系統才干執行的ring0
指令、程序中出現除數為0的情況等等。

Q: 什么是硬盤分區？
A:最早的時候，操作系統無法管理較大的硬盤空間，所以將一個大的硬盤空間
分為多個較小的區域以便于管理。另外，有時須要在系統中安裝多個操作系
統，也須要將硬盤分為不同的區域，讓不同的操作系統分別管理，互不干擾。
如今已經沒有由于操作系統無法管理大硬盤而須要對硬盤進行分區的可能性
了，但我們仍然對硬盤進行分區，除了安裝多個操作系統外，基本的還是為
了對各種文件進行管理比較方便。
操作系統為不同的硬盤分區賦予不同的盤符，這樣就在邏輯上把一個大硬盤
切割成了多個小硬盤。

Q: 什么是硬盤分區的主引導記錄？
A:主引導記錄是每一個硬盤分區的命根子，上面記錄著一個分區所占用的硬盤空
間的位置等重要信息。假設一個分區的主引導記錄被破壞，這個分區就算玩
完了。

Q: 什么是活動分區？
A:活動分區是在系統加電后具有自舉（引導系統）能力的分區，在活動分區上
的主引導記錄中有一段主引導程序，每當系統啟動后，這段程序被調入內存
執行，以引導（啟動）保存在硬盤上的操作系統。不同的操作系統引導的方
法是不同的，所以這段主引導程序隨著系統上安裝的操作系統的不同而不同。

Q:Windows 是怎樣儲存磁盤文件的？
A:首先，Windows以“簇”為單位使用硬盤上的空間。依據硬盤空間的大小，一
個簇的大小是不一樣的。一般說，簇越小，硬盤空間的利用率越大，簇越大，
存儲速度越快。每一個文件必須被分成以簇的大小為單位的多個塊，然后儲存在
硬盤上。為此，須要一個表格來記錄一個文件被分成的塊都儲存在硬盤的哪些簇
上，這個表格在Win9x中就是FAT表。FAT表也儲存在硬盤上。所以，FAT表是文件
系統的命根子，破壞了它，一個磁盤全部的文件就玩完了。于是，Windows除了使
用一個FAT表外，還會備份一個。

Q: 什么是文件文件夾表？
A:文件文件夾表同FAT表一樣是非常重要的，它記錄著全部文件的文件名稱、屬性和在
FAT表中的起始位置。當你須要讀寫一個文件時，Windows就從文件文件夾表中找
這個文件，假設找到，依照文件文件夾表中所指示的該文件在FAT表中的起始位置
讀出FAT表中與這個文件有關的存儲信息，就能夠讀寫這個文件了。

Q: 什么叫虛擬設備？
A:不同的I/O設備速度有快有慢。在操作系統中，為了有效地利用各種設備，能夠
使用快速設備來模擬低速設備，從而得到的就是虛擬設備。
在Windows中典型的樣例就是打印機。我們不難發如今啟動打印時打印機并沒有
工作，而是硬盤在響，然后全部的打印文檔都進入打印隊列，排隊打印。在前
一個文檔還在打印機上打印的時候，下一個文檔已經進入打印隊列，提交這個
文檔的進程無須等待打印機將這個文檔打印完畢，就能夠繼續處理別的事情了。
這是由于Windows使用硬盤模擬打印機。全部的打印工作實際上都“打印”到了
硬盤上。硬盤速度比打印機快得多，所以一下子就完畢了。此時有還有一個進程
負責從硬盤上讀出打印數據，打印到實際的打印機上，這個進程在后臺工作，
不影響前臺的其它進程。

Q: 什么是與設備無關性（設備獨立性）？
A:計算機的外部設備非常多，同種類型的設備又有不同廠家、不同型號的產品。這
些產品總會有些細微的區別。這就給應用程序的編寫帶來非常大的困難，由于一
個應用程序不可能顧及到全部硬件的兼容性。為此，操作系統將詳細的硬件設
備同整個系統隔離開來，對硬件的詳細操作、與硬件有關的兼容性問題等統統
由設備驅動程序來解決，同一時候操作系統向應用程序提供統一的操縱設備的方法，
應用程序僅僅須要按套路調用操作系統提供的功能就可以，無須關心實際的設備是
什么，這就是與設備無關性。
? 這樣，每增添或修改一個系統上的硬件，僅僅須要安裝對應的驅動程序就可以。

Q: 什么是緩沖 (buffering) 技術？
A:在數據到達與離去速度不匹配的地方，就應該使用緩沖技術。緩沖技術好比是
一個水庫，假設上游來的水太多，下游來不及排走，水庫就起到“緩沖”作用，
先讓水在水庫中停一些時候，等下游能繼續排水，再把水送往下游。
? 通常CPU的速度要比I/O設備的速度快得多得多，所以能夠設置緩沖區，對于從
CPU來的數據，先放在緩沖區中，然后設備能夠慢慢地從緩沖區中讀出數據。