操作系统概述

  前几天看面经，看到个问题：“你如何理解操作系统？”，我很难找到一个好的切入点来分析，所以在这里整理一下对操作系统的理解，以加深记忆，形成大局观。

操作系统的简单定义

  操作系统（Operating System）是计算机系统中的一个基本程序集合，负责与硬件交互，并为用户程序提供执行环境。

操作系统的作用

硬件资源的管理者

  为了允许我们的计算机能够运行多个程序，就要解决各个程序间的资源分配和保护问题，既要为一个程序分配足够的内存、CPU运行时长等资源以让其正常运行，又要防止程序恶意争夺其他程序的资源。操作系统的作用之一便是管理这些硬件资源，让程序正确且高效地运行。

封装底层硬件设备

  在不同的计算机中，处理器架构各有差异，IO设备也各不相同，必然造成了对他们的使用方式也不尽相同，然而如果让每个人在写程序的时候都要考虑这种不同，未免太过繁琐。操作系统为了解决这个问题，提供了一系列接口（API），供用户程序调用，以运行程序、访问内存和设备，这些接口称作“系统调用（System Call）”。这其中就包括了虚拟文件系统提供的一系列用于文件操作的函数，如fopen()用于打开文件、write()用于写文件等等；还包括了fork()、clone()用于创建进程、线程的系统调用；还有如malloc()等用于内存操作的系统调用。

虚拟化

  操作系统主要利用一种通用技术，叫做“虚拟化（Virtualization）”,也就是说，操作系统将物理资源（如内存、处理器、磁盘）转换为更通用、更强大且更易于使用的虚拟形式。

虚拟化CPU

  将单个CPU转换为看似无限数量的CPU，从而让许多程序好像是在同时运行，这就是所谓的“虚拟化CPU”。操作系统为正在运行的程序提供了一种抽象，叫做“进程”，通过对进程的调度来实现了多个程序在单个CPU上的“同时”运行。为了知道当前到底该运行哪个进程、这个进程该运行多长时间，操作系统还提供了一些策略来进行进程调度，即“进程调度算法”。

虚拟化内存

  计算机提供的物理内存模型非常简单，就是一个字节数组，需要一个物理地址来进行内存访问。程序运行时会不断进行内存访问以操作它的运行时数据，如何保证多个程序可以高效、无冲突地访问内存中属于自己的数据，这就是虚拟化内存解决的问题。每个进程都有属于自己的虚拟地址空间，并通过虚拟地址进行内存访问，这给程序提供了一种独占所有物理内存的假象，操作系统会以某种方式将虚拟地址映射为物理地址，并管理各个进程的虚拟地址空间，保证一个进程的内存访问不会影响到其他进程。

持久性

  在系统内存中，如果断电，其中保存的数据便会全部丢失，因此，我们需要磁盘来持久地存储数据。为此，操作系统提供了文件系统来管理磁盘，利用文件系统，用户可以高效地在磁盘上创建、删除文件，并保证其持久地存储。Linux中的文件操作会经历多个层次的处理，其主要结构如下图。