摘要：電腦上的程序有很多，它們都以二進(jìn)制文件的形式保存在硬盤上。文件系統(tǒng)需要一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，稱為文件管理子系統(tǒng)。的二進(jìn)制文件是靜態(tài)的，稱為程序，運(yùn)行起來的，是不斷進(jìn)行的，稱為進(jìn)程。在操作系統(tǒng)中，也有同樣的問題。

不知道你有沒有產(chǎn)生過這些疑問：

桌面上的圖標(biāo)到底是啥？憑啥我在鼠標(biāo)上一雙擊，就會(huì)出來一些不可描述的畫面？都是從哪里跑出來的？
憑什么我在鍵盤上噼里啪啦地敲，某個(gè)位置就會(huì)顯示我想要的那些字符？

電腦怎么知道我鼠標(biāo)點(diǎn)擊的是這個(gè)地方，又是怎么知道我要輸入的是這個(gè)地方？

我在鍵盤上點(diǎn)“a”，是誰在顯示器上畫出“a”這個(gè)圖像呢？

為什么我一回車，這些字符就發(fā)到遙遠(yuǎn)的另外一臺(tái)機(jī)器上去了？

別小看“雙擊鼠標(biāo)打開聊天軟件”這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，它幾乎涵蓋了操作系統(tǒng)的所有功能。我們就從這個(gè)熟悉的操作，來認(rèn)識(shí)陌生的操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)其實(shí)就像一個(gè)軟件外包，內(nèi)核就相當(dāng)于這家外包公司的老板。所以接下來請(qǐng)你將自己的角色切換成這家軟件外包公司的老板，設(shè)身處地地去理解操作系統(tǒng)是如何協(xié)調(diào)各種資源，幫客戶做成事情的。

今后所說的“用戶”，都是指操作系統(tǒng)的用戶，“客戶”則是指外包公司的客戶，這兩者是對(duì)應(yīng)的。

計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備。

用戶想要告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)該做什么，都是通過這兩個(gè)設(shè)備。

如果是一家外包公司，怎么才能知道客戶的需求呢？你需要配備銷售、售前等角色，專門負(fù)責(zé)和客戶對(duì)接，把客戶需求拿回來，我們把這些人統(tǒng)稱為客戶對(duì)接員。你可以跟客戶說，有什么事兒都找對(duì)接員。

也就是顯示器，是計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備，將計(jì)算機(jī)處理用戶請(qǐng)求后的結(jié)果反饋給客戶。

顯示器上面顯示的東西是由顯卡控制的。

無論是顯示器還是顯卡，這里都有個(gè)“坐標(biāo)”的概念，也就是說，什么圖像在哪個(gè)坐標(biāo)，都是定義好了才畫上去的。本來在某個(gè)坐標(biāo)畫了一個(gè)鼠標(biāo)箭頭，當(dāng)接到鼠標(biāo)移動(dòng)的事件之后，你應(yīng)該按相同的方向，按照一定的比例（鼠標(biāo)靈敏度），在屏幕的某個(gè)坐標(biāo)再畫一個(gè)鼠標(biāo)箭頭。

作為外包公司，當(dāng)客戶給你提了需求，不管你做還是不做，最終做成什么樣，你都需要給客戶反饋，所以你要配備交付人員，將做好的需求展示給他們看。

其實(shí)就是客戶對(duì)接員。有時(shí)候新插上一個(gè)鼠標(biāo)的時(shí)候，會(huì)彈出一個(gè)通知你安裝驅(qū)動(dòng)，這就是操作系統(tǒng)這家外包公司給你配備對(duì)接人員呢。當(dāng)客戶告訴對(duì)接員需求的時(shí)候，對(duì)于操作系統(tǒng)來講，輸入設(shè)備會(huì)發(fā)送一個(gè)中斷。這個(gè)概念很好理解。客戶肯定希望外包公司把正在做的事情都停下來服務(wù)它。所以，這個(gè)時(shí)候客戶發(fā)送的需求就被稱為中斷事件（Interrupt Event）。

顯卡會(huì)有顯卡驅(qū)動(dòng)，在操作系統(tǒng)中稱為輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)，也就是上面說的交付人員。

有了客戶對(duì)接員和交付人員，外包公司就可以處理用戶“在桌面上點(diǎn)擊QQ圖標(biāo)”的事件了。

首先，鼠標(biāo)雙擊會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷，這相當(dāng)于客戶告知客戶對(duì)接員“有了新需求，需要處理一下”。你會(huì)事先把處理這種問題的方法教給客戶對(duì)接員。在操作系統(tǒng)里面就是調(diào)用中斷處理函數(shù)。操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)雙擊的是一個(gè)圖標(biāo)，就明白了用戶的原始訴求，準(zhǔn)備運(yùn)行QQ和別人聊天。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行QQ是一件大事，因?yàn)閷淼囊欢螘r(shí)間，用戶要一直和QQ進(jìn)行交互。

這就相當(dāng)于你們公司接了一個(gè)大單，而不是處理零星的客戶需求，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該多帶帶立項(xiàng)。一旦立了項(xiàng)，以后與這個(gè)項(xiàng)目有關(guān)的事情，都由這個(gè)項(xiàng)目組來處理。

立項(xiàng)可不能隨便立，一定要有一個(gè)項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃書，說明這個(gè)項(xiàng)目打算怎么做，一步一步如何執(zhí)行，遇到什么情況應(yīng)該怎么辦等等。

換句話說，對(duì)QQ這個(gè)程序來說，它能做哪些事情，每個(gè)事情怎么做，先做啥后做啥，都已經(jīng)作為程序邏輯寫在程序里面，并且編譯成為二進(jìn)制了。這個(gè)程序就相當(dāng)于項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃書。

電腦上的程序有很多，它們都以二進(jìn)制文件的形式保存在硬盤上。硬盤是個(gè)物理設(shè)備，要按照規(guī)定格式化成為文件系統(tǒng)，才能存放這些程序。文件系統(tǒng)需要一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，稱為文件管理子系統(tǒng)（File Management Subsystem）。

對(duì)于你們公司，項(xiàng)目立得多了，項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃書也會(huì)很多，同樣需要有個(gè)統(tǒng)一保存文件的檔案庫，而且需要有序地管理起來。

當(dāng)你從資料庫里面拿到這個(gè)項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃書，接下來就需要開始執(zhí)行這個(gè)項(xiàng)目了。項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃書是靜態(tài)的，項(xiàng)目的執(zhí)行是動(dòng)態(tài)的。

同理，當(dāng)操作系統(tǒng)拿到QQ的二進(jìn)制執(zhí)行文件的時(shí)候，就可以運(yùn)行這個(gè)文件了。

QQ的二進(jìn)制文件是靜態(tài)的，稱為程序（Program），

運(yùn)行起來的QQ，是不斷進(jìn)行的，稱為進(jìn)程（Process）。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)項(xiàng)目要想順暢進(jìn)行，需要用到公司的各種資源，比如說蓋個(gè)公章、開個(gè)證明、申請(qǐng)個(gè)會(huì)議室、打印個(gè)材料等等。

這里有個(gè)兩難的權(quán)衡

資源有限，甚至是涉及機(jī)密的，不能由項(xiàng)目組濫取濫用

效率，咱是一個(gè)私營(yíng)企業(yè)，保證項(xiàng)目申請(qǐng)資源的時(shí)候只跑一次，這樣才能比較高效。

為了平衡這一點(diǎn)，一方面涉及核心權(quán)限的資源，還是應(yīng)該被公司嚴(yán)格把控，審批了才能用；

另外一方面，為了提高效率，最好有個(gè)統(tǒng)一的辦事大廳，明文列出提供哪些服務(wù)，誰需要可以來申請(qǐng)，然后就會(huì)有回應(yīng)。

在操作系統(tǒng)中，也有同樣的問題。

例如多個(gè)進(jìn)程都要往打印機(jī)上打印文件，如果隨便亂打印進(jìn)程，就會(huì)出現(xiàn)同樣一張紙，第一行是A進(jìn)程輸出的文字，第二行是B進(jìn)程輸出的文字，全亂套了。所以，打印機(jī)的直接操作是放在操作系統(tǒng)內(nèi)核里面的，進(jìn)程不能隨便操作。但是操作系統(tǒng)也提供一個(gè)辦事大廳，也就是系統(tǒng)調(diào)用（System Call）。

系統(tǒng)調(diào)用也能列出來提供哪些接口可以調(diào)用，進(jìn)程有需要的時(shí)候就可以去調(diào)用。

這其中，立項(xiàng)是辦事大廳提供的關(guān)鍵服務(wù)之一。同樣，任何一個(gè)程序要想運(yùn)行起來，就需要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用，創(chuàng)建進(jìn)程。

一旦項(xiàng)目正式立項(xiàng)，就要開始執(zhí)行，就要成立項(xiàng)目組，將開發(fā)人員分配到這個(gè)項(xiàng)目組，按照項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃書一步一步執(zhí)行。

為了管理這個(gè)項(xiàng)目，我們還需要一個(gè)項(xiàng)目經(jīng)理、一套項(xiàng)目管理流程、一個(gè)項(xiàng)目管理系統(tǒng)，例如程序員比較熟悉的Jira。如果項(xiàng)目多，可能一個(gè)開發(fā)人員需要同時(shí)執(zhí)行多個(gè)項(xiàng)目，這就要考驗(yàn)項(xiàng)目經(jīng)理的調(diào)度能力了。

在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程的執(zhí)行也需要分配CPU進(jìn)行執(zhí)行，也就是按照程序里面的二進(jìn)制代碼一行一行地執(zhí)行。

于是，為了管理進(jìn)程，我們還需要一個(gè)進(jìn)程管理子系統(tǒng)（Process Management Subsystem）。如果運(yùn)行的進(jìn)程很多，則一個(gè)CPU會(huì)并發(fā)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，也就需要CPU的調(diào)度能力了。

每個(gè)項(xiàng)目都有自己的私密資料，這些資料不能被其他項(xiàng)目組看到。這些資料主要是項(xiàng)目在執(zhí)行的過程中，產(chǎn)生的很多中間成果，例如架構(gòu)圖、流程圖。

執(zhí)行過程中，難免要在白板上或者本子上寫寫畫畫，如果不同項(xiàng)目的辦公空間不隔離，一方面，項(xiàng)目的私密性不能得到保證，A項(xiàng)目的細(xì)節(jié)，B項(xiàng)目也能看到；另一方面，項(xiàng)目之間會(huì)相互干擾，A項(xiàng)目組的人剛在白板上畫了一個(gè)架構(gòu)圖，出去上個(gè)廁所，結(jié)果B項(xiàng)目組的人就給擦了。

如果把不同的項(xiàng)目組分配到不同的會(huì)議室，就解決了這個(gè)問題。當(dāng)然會(huì)議室是有限的，需要有人管理和分配，并且需要一個(gè)會(huì)議室管理系統(tǒng)。

在操作系統(tǒng)中，不同的進(jìn)程有不同的內(nèi)存空間，但是整個(gè)電腦內(nèi)存就這么點(diǎn)兒，所以需要統(tǒng)一的管理和分配，這就需要內(nèi)存管理子系統(tǒng)（Memory Management Subsystem）。

如果想直觀地了解QQ如何使用CPU和內(nèi)存，可以打開任務(wù)管理器，你就能看到QQ這個(gè)進(jìn)程耗費(fèi)的CPU和內(nèi)存。

項(xiàng)目執(zhí)行的時(shí)候，有了一定的成果，就要給客戶演示。例如客戶說要做個(gè)應(yīng)用，我們做出來了要給客戶看看，如果客戶說哪里需要改，可以根據(jù)客戶的需求再改，這就需要交付人員了。

QQ啟動(dòng)之后，有一部分代碼會(huì)在顯示器上畫一個(gè)對(duì)話框，并且將鍵盤的焦點(diǎn)放在了輸入框里面。CPU根據(jù)這些指令，就會(huì)告知顯卡驅(qū)動(dòng)程序，將這個(gè)對(duì)話框畫出來。

于是使用QQ的用戶就會(huì)很開心地發(fā)現(xiàn)，他能和別人開始聊天了。

當(dāng)用戶通過鍵盤噼里啪啦打字的時(shí)候，鍵盤也是輸入設(shè)備，也會(huì)觸發(fā)中斷，通知相應(yīng)的輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

我們假設(shè)用戶輸入了一個(gè)“a”。這就像客戶提出了新的需求給客戶對(duì)接員。客戶對(duì)接員收到需求后，因?yàn)槭菍?duì)接這個(gè)項(xiàng)目的，因而就回來報(bào)告，客戶提新需求了，項(xiàng)目組需要處理一下。項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃書里面一般都會(huì)有當(dāng)遇到何種需求應(yīng)該怎么做的規(guī)定，項(xiàng)目組就按這個(gè)規(guī)定做了，然后讓交付人員再去客戶那里演示就行了。

對(duì)于QQ來講，由于鍵盤閃啊閃的焦點(diǎn)在QQ這個(gè)對(duì)話框上，因而操作系統(tǒng)知道，這個(gè)事件是給這個(gè)進(jìn)程的。QQ的代碼里面肯定有遇到這種事件如何處理的代碼，就會(huì)執(zhí)行。一般是記錄下客戶的輸入，并且告知顯卡驅(qū)動(dòng)程序，在那個(gè)地方畫一個(gè)“a”。顯卡畫完了，客戶看到了，就覺得自己的輸入成功了。

當(dāng)用戶輸入完畢之后，回車一下，還是會(huì)通過鍵盤驅(qū)動(dòng)程序告訴操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)還是會(huì)找到QQ，QQ會(huì)將用戶的輸入發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。QQ進(jìn)程是不能直接發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的，需要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核使用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行發(fā)送。

這就像客戶對(duì)接員接到一個(gè)需求，但是這個(gè)需求需要和其他公司溝通，這就需要依靠公司的對(duì)外合作部，對(duì)外合作部在辦事大廳有專門的窗口，非常方便。

到這里，一個(gè)外包公司大部分的職能部門都湊齊了。你可以對(duì)應(yīng)著下圖的操作系統(tǒng)內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)，回顧一下它們是如何組成一家公司的。

QQ的運(yùn)行過程，只是一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻。在后面的章節(jié)中，我會(huì)展開講述每個(gè)部分是怎么工作的，最后我會(huì)再將這個(gè)過程串起來，這樣你就能了解操作系統(tǒng)的全貌了。

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