操作系统哲学原理（01）基础原理 操作系统导论

说明&＃xff1a;该系类文章更多的是从从哲学视角看 操作系统 这门学科。同时也是 操作系统的学习笔记总结。因为博主 这些年主要是以研究安卓系统和 嵌入式Linux为主&＃xff0c;因此这个系类文章也是这两个领域不可或缺的基石之一&＃xff0c;尤其是对操作系统感兴趣的伙伴可特别关注。

1.1 人造学科

一个角度看待所有事物分为两类&＃xff1a;发明&＃xff08;创造&＃xff09;与发现&＃xff08;观察&＃xff09;

计算机本身就是一个人造学科&＃xff0c;人造学科的4个特点&＃xff0c;如下&＃xff1a;

• 不精确&＃xff0c;有相对性&＃xff1a;没有对错&＃xff0c;只有适合/不适合
• 从对人类活动的观察导出&＃xff1a;对事物的观察与抽象
• 依赖于人的主观判断力&＃xff1b;人不同&＃xff0c;看待事物的角度不同&＃xff0c;抽象出来的对象不同&＃xff0c;因此&＃xff0c;对于标准&＃xff0c;只是少数服从多数
• 符合人的直觉&＃xff1a;如果按照我们的意愿去理解这些原理&＃xff0c;则十分直接了当

相对人造学科&＃xff0c;神造学科具有的4个相反的特点&＃xff1a;

• 精确、绝对&＃xff1a;只有对错&＃xff0c;没有中间状态&＃xff0c;例如数学领域
• 从对自然的观察导出&＃xff1a;通过自然现象严密推理获得自然的规律
• 不依赖人的主观判断力&＃xff1a;所有人的观察结果是一样的&＃xff0c;即观察结果可以被任何人验证
• 违反人的直觉&＃xff1a;人类的思想和自然本身是不同的&＃xff0c;需要通过观察发现规律&＃xff0c;利用规律来推导结论&＃xff0c;而不是主观臆断

操作系统是一个人造学科&＃xff0c;因此要按照人造事物的特点来学习。

1.2 程序是如何运行的

从图中了解到&＃xff0c;程序运行至少需要4个因素&＃xff1a;

• 程序设计语言
• 编译系统
• 操作系统&＃xff08;在程序的执行过程中具有关键的作用&＃xff09;
• 指令集结构&＃xff08;计算机硬件系统&＃xff09;

1.3 什么是操作系统

操作系统&＃xff08;OS&＃xff09;的概念&＃xff1a;一个介于计算机硬件和应用软件之间的一个软件系统&＃xff0c;目的就是使得计算机变得好用&＃xff0c;运作有序。操作系统的位置如果所示&＃xff1a;

操作系统要做的事情&＃xff1a;

• 计算机的功能和复杂性在不断发生变化&＃xff0c;掌控的事情越来越多&＃xff0c;也越来越发杂&＃xff0c;本身能够拥有的资源也会越来越多&＃xff0c;因此需要不断改善。利用操作系统会使事情变得相对简单些&＃xff0c;即操作系统升级的时候改动量降到最低。
• 知晓计算机上发生的所有事情&＃xff0c;从而维护计算机&＃xff0c;保证计算机的健康。
• 为了满足人类更加苛刻的要求&＃xff0c;不断发展。

操作系统的功能&＃xff1a;

• 代替用户以及应用管理计算机上的软件、硬件资源。
• 保证计算机资源的公平竞争和使用。
• 防止对计算机资源的非法侵占和使用。
• 保证操作系统自身正常运转。

1.4 魔术与管理

操作系统在计算机运行过程中扮演的角色&＃xff1a;魔术师和管理者。

• 魔术师&＃xff1a;将丑陋变得美好&＃xff0c;将少变多&＃xff0c;将无变有。但是这并不是凭空想象&＃xff0c;而是运用了类似于能量转换的一种方式&＃xff0c;或者说是巧妙地拿空间来换取时间、拿时间来换取空间。
• 管理者&＃xff1a;对资源进行管理以达到公平&＃xff0c;有效。

根据管理的资源不同&＃xff0c;具体功能包括&＃xff1a;

• CPU管理&＃xff1a;如何分配CPU给不同的应用和用户。
• 内存管理&＃xff1a;如何分配内存给不同的应用和用户。
• 外存管理&＃xff1a;如何分配外存给不同的应用和用户。
• I / O管理&＃xff1a;如何分配输入输出设备给不同的应用和用户。

除了对资源进行管理和抽象&＃xff0c;还需要保证自身的稳定&＃xff0c;那么还需要包括2项&＃xff1a;

• 健壮性管理&＃xff1a;如何确保操作系统自身的正常运作。
• 安全性管理&＃xff1a;如何防止非法操作和入侵。

为了完成上述功能&＃xff0c;人们设计了很多机制&＃xff0c;而这些东西的背后隐含的是人类的哲学思想。

1.5 用户程序与操作系统

第一个视角&＃xff1a;用户程序调用操作系统&＃xff0c;如下所示&＃xff1a;

应用程序调用系统API完成功能应用程序是主程序&＃xff0c;操作系统被调用。

第二个视角&＃xff1a;操作系统调用用户程序&＃xff0c;如下所示&＃xff1a;

操作系统先启动&＃xff0c;是主程序&＃xff0c;之后是调用各种应用程序&＃xff0c;最后回到操作系统。

说明&＃xff1a;两种观点无对错&＃xff0c;只是角度问题&＃xff0c;导致不同的观点。实际上操作系统和各个应用程序是可以看作是相互调用&＃xff0c;从而形成一个非常复杂的动态关系。

1.6 操作系统的范畴

操作系统的具体任务&＃xff1a;

&＃64;1 CPU管理&＃xff08;进程管理&＃xff09;&＃xff1a;

• 公平&＃xff1a;每个程序都有机会使用CPU
• 非阻塞&＃xff1a;阻塞不能妨碍其他进程继续前进
• 优先级&＃xff1a;优先级高的程序运行&＃xff0c;则优先级低的必须让出资源

&＃64;2 内存管理&＃xff1a;管理缓存、主存、磁盘、磁带等存储介质形成的内存架构。虚拟内存将时间转换为空间&＃xff0c;同时对于物理内存需要进行分割和保护&＃xff0c;即不能越界。

&＃64;3 存储管理&＃xff08;文件系统&＃xff09;&＃xff1a;将磁盘变成用户很容易使用的媒介。

&＃64;4 设备管理&＃xff1a;管理输入输出设备。

&＃64;5 操作系统提供的机制&＃xff1a;

• 屏蔽不同设备的差异&＃xff0c;方便用户访问&＃xff1b;
• 提供并发访问&＃xff0c;使设备具有共享性
• 批处理&＃xff1a;无须人机交互的模式&＃xff0c;主要是达到吞吐量最大化&＃xff0c;单位时间完成的任务最多。    

1.7 为什么学习操作系统

操作系统的功能、技巧、思想、哲学理念在很多领域内使用&＃xff0c;是源于生活的一种抽象&＃xff0c;而这为触类旁通学习其他东西来讲容易多了。