PS：作業系統原理是大學計算機專業最為重要的一門專業基礎課程之一，對於作業系統核心原理的理解對於一個合格的程式設計師來說十分重要，於是我繼續我的“三大原理，兩個協議，一種結構”複習，三大原理中作業系統原理首當其衝，這裡主要依靠閱讀《作業系統之哲學原理》來進行復習，將其中重要的部分記錄下來，與各位分享。當然，更推薦大家去讀讀這本書，相信都會有一定收穫。

一、程式是如何執行的？

1.1 程式執行的四大要素

　　（1）程式設計語言

　　首先，我們得使用一門程式設計語言進行程式設計，一般我們使用的都是高階程式設計語言（如C、C++、Java、C#等）。

　　（2）編譯系統

　　我們寫好了程式碼，但是由於計算機不認識高階語言編寫的程式，需要編譯成計算機能夠識別的機器語言，這就需要編譯器和彙編器的幫助。

　　（3）作業系統

　　機器語言程式需要載入到記憶體，才能形成一個運動中的程式（即程序），這就需要作業系統的幫助。

About：程序需要在計算機晶片即CPU上執行才算是真正在執行，而將程序排程到CPU上執行也是由作業系統完成的，這裡也就不難理解為什麼程序管理會在我們的教科書中排在最重要的位置了。

　　（4）指令集結構（計算機硬體系統）

　　在CPU上執行的機器語言指令需要變成能夠在一個個時鐘脈衝裡執行的基本操作，這就需要指令集結構和計算機硬體的支援。

1.2 程式執行的基本流程

　　基於上面提到的四大要素，我們可以得出下面一幅圖，該圖從一個線性角度展示了程式的演變過程，能夠幫助我們理解整個程式是如何在計算機上執行的。

　　事實上，程式可以執行在機器語言或組合語言上編寫，用這種被稱為“低階”（我更願意稱其為底層）的語言編寫出來的機器語言程式無需經過編譯器的翻譯就可以在計算機指令集上執行。如果是在組合語言上編寫的彙編程式，則只需要經過彙編器的翻譯即可載入執行。

二、作業系統是什麼？

2.1 兩個問題

　　（1）作業系統到底是什麼鬼？

　　作業系統是介於計算機和應用軟體之間的一個軟體系統，作業系統的上層和下層都有其他的物件存在：

　　從上圖可以看出，OS上邊是應用軟體，下邊是硬體平臺。

　　（2）作業系統到底操控什麼事？

　　最原始的計算機並沒有OS，直接由人來掌管事情。隨著計算機複雜性的增長，人已經不能勝任直接掌控計算機了。於是，OS這個軟體被編寫出來幫我們掌控計算機，使人類從日益複雜的掌控任務中解脫出來。既然OS是專門掌控計算機的，那麼計算機上發生的所有事情都需要OS的知曉和認可，未經OS同意的任何事情均被視為非法的（想想病毒和入侵攻擊者試圖做的事情）。

2.2 兩種角色

　　（1）魔術家

　　魔術家的目標是把差的東西變好，把少的東西變多，把複雜變簡單。同樣，OS將計算機以一個更加容易、更加方便、更加強大的方式呈現給使用者。

Example：OS通過程序抽象讓每一個使用者感覺有一臺自己獨享的CPU，通過虛擬記憶體抽象，讓使用者感覺實體記憶體空間具有無限擴張性，這就是把少變多的一個例項。

　　（2）管理者

　　作業系統管理計算機上的軟硬體資源，如CPU、記憶體、磁碟等，使得不同使用者之間或者同一使用者的不同程式之間可以安全有序地共享這些硬體資源。

　　那麼，問題來了，如何讓使用者很好地利用這些硬體資源呢？這就是分塊（Parcel Out），把硬體分塊給應用程式使用。這就涉及到有效和公平的原則，這也是一個管理者的必備素質，更是設計作業系統時的不懈追求！

　　作業系統的兩個角色之間既有區別又有聯絡，為了完成不同的任務，OS有時需要扮演魔術師，有時有需要扮演管理者，還有時需要同時扮演兩個角色。

三、作業系統的範疇

3.1 CPU管理

　　即如何分配CPU給不同應用和使用者，對於程序管理堅持三個目標：一是公平（每個程式都有機會使用CPU），二是非阻塞（任何程式不能無休止地阻撓其他程式的正常推進），三是優先順序（優先順序高的程式開始執行則優先順序低的就需要讓出資源—>讓一部分人先富起來）。

3.2 記憶體管理

　　即如何分配記憶體給不同應用和使用者，主要管理快取、主存、磁碟、磁帶等儲存介質所形成的記憶體架構。其目的主要有二：一是將少變多（比如虛擬記憶體的使用能夠使得執行程式的大小大大地增加），二是讓多個程式共享同一個實體記憶體（這就需要對實體記憶體進行分割和保護，不讓一個程式訪問另一個程式所佔的記憶體空間，專業術語稱為執行時不能越界訪問）。

3.3 外存管理

　　即如何分配外存（磁碟）給不同應用和使用者，外存管理也稱儲存管理，也就是我們所說的檔案系統，其目的是將磁碟變為一個很容易使用的儲存介質以提供給使用者使用。

3.4 I/O管理

　　即如何分配輸入輸出裝置給應用和使用者，也稱為裝置管理，也就是管理輸入輸出裝置。其目的主要有兩個：一是遮蔽不同裝置的差異性（使用者用同樣的方式訪問不同的裝置，從而減低程式設計的難度），二是提供併發訪問（即將那些看上去並不具備共享特徵的裝置如印表機變得可以共享）。

　　作業系統的四個核心功能如下圖所示：

四、小結

　　作業系統的技巧也應用於很多領域，如抽象、快取、併發等。作業系統簡單說來就是實現抽象：程序抽象、檔案抽象、虛擬儲存抽象等。而很多領域都會使用抽象，例如資料結構和程式設計（抽象資料型別？抽象類？）；很多地方也會用到快取，例如開發Web應用程式時使用快取降低資料庫訪問壓力，加快頁面響應速度等等。更為重要的是，對於一個程式設計師來說，要想知道計算機在軟體層面是怎麼運轉的，就得學習作業系統。

參考資料

鄒恆明，《作業系統之哲學原理》，機械工業出版社

作者：周旭龍

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