1.1.1+1.1.3 操作系统的概念、功能

首先来看一下大家熟悉的操作系统都有哪些苹果电脑使用的操作系统是MacOS苹果的手机使用的操作系统是IOS但是对于我自己来说还是比较喜欢安卓和Windows操作系统。对于普通老百姓来说可能百分之九十九的人都在使用这几种操作系统对于技术专业的同学来说Linux操作系统也是我们必须学习、使用的一个操作系统。另外现在可能还会有一些野人还在使用诺基亚的塞班sumbian系统。在这个小节中只介绍操作系统的一些最基础的概念和定义并且会结合一些例子来加深理解。操作系统的概念和定义要回答的就是什么是操作系统它的功能和目标要回答的是操作系统需要做什么。首先来看第一个部分内容操作系统的概念和定义。结合生活经验看一下操作系统在整个计算机体系当中所处的位置和角色来看一下电脑是怎么样一步一步变成现在看到的样子的。第一步厂家会把CPU、主板等等一系列的硬件组装成一台裸机所谓的裸机就是只有硬件的机器不包含操作系统但是在这个机器出售之前厂家会在裸机的基础之上安装一个操作系统比如说最常用的就是Windows的操作系统当买到这个电脑之后就可以在操作系统之上来安装一些想要使用的应用程序比如说QQ之后我们作为用户就可以来使用这些应用程序了。所以根据一台电脑的诞生过程就可以看出计算机系统的层次结构最底层的当然是纯硬件又称之为裸机在裸机上面会安装一层操作系统而基于操作系统又可以安装一系列的应用软件用户是处于最上面一层细心的同学可能会发现用户和操作系统的边界是有一些相连的部分应用程序和操作系统也会有一些相连的部分这个问题一会进行进一步的解释。在了解操作系统在整个计算机系统当中所处的位置之后来给出操作系统的定义。这是王道书上给出的定义操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配其实这句话想表达的无非就是操作系统是系统资源的一个管理者系统资源包含了硬件和软件资源。来看一个直观的例子如果大家使用的是Windows操作系统的话可以用上图这种方式来打开任务管理器然后在任务管理器界面就可以看到现在系统当中正在运行的进程有哪些所谓的进程其实就是正在运行的软件、正在运行的程序比如说大家熟悉的QQ、Google Chrome等等左边可以看到操作系统在对软件资源进行管理再看右边界面可以看到操作系统对CPU、内存等等这一系列硬件资源的使用情况也是在监控的比如说现在QQ这个进程它使用了138.9兆字节的内存空间所以从右半部分的界面来看操作系统它肯定是在对硬件进行管理的。因此操作系统它作为软件和硬件中间的一个层次它是系统资源的管理者既管理了软件资源也管理了硬件资源。再来看第二句话操作系统它要提供给用户和其他软件方便的接口和环境其实这句话想表达的就是操作系统它要向上层提供方便易用的服务上层包括用户和普通的应用程序再来看第三句话操作系统是计算机系统当中最基本的系统软件也就是说操作系统它其实是一种软件而不是硬件但是从最右边图当中也可以看到操作系统是最接近硬件的一层软件接下来对操作系统的圈1到圈3三个功能进行进一步的细分和分析让大家更形象的体会操作系统的作用。首先要看的是操作系统它作为软件和硬件中间的层次它是系统资源的管理者用大家使用QQ和朋友视频聊天的例子帮助理解它作为系统资源的管理者要做什么事情。首先我们肯定是需要在文件夹当中找到QQ的安装位置比如说像我的电脑当中我的QQ就是安装在了D盘的一系列的路径下面所以当找到QQ的这个启动程序之后就可以双击打开QQ.exe当双击之后QQ程序就可以正常的运行然后就可以用QQ和朋友进行视频聊天了。在这个过程当中可以看到第一步是通过一层一层的文件夹、目录来找到了QQ启动程序除了这个文件之外系统当中还有各式各样的其他的文件这些文件的组织和管理是操作系统在帮我们完成的所以这就涉及到了操作系统它作为系统资源的管理者所要提供的一个功能叫做文件管理的功能。第二步当我们双击QQ.exe的时候程序就可以开始正常的运行在这个地方需要补充一个知识点就是我们的一个程序在执行之前是需要把这个程序的数据放到内存里的所以在双击打开QQ.exe的时候在背后操作系统帮我们做了一个很重要的事情就是把这个程序的数据从我们的磁盘放入了内存当中并且这些数据要放到内存中的什么位置这些都是操作系统在帮我们完成的所以这一步就涉及到了操作系统所要提供的第二个功能叫做存储器管理或者叫主存管理、内存管理当QQ程序运行的过程当中是需要被处理机也就是CPU进行处理的什么时候给QQ程序分配处理机资源这个事情是操作系统在背后替我们完成的。因此这就涉及到了第三个功能叫做处理机管理而第四步我们开始使用QQ程序和朋友视频聊天在视频聊天的过程当中肯定需要把摄像头这个设备分配给QQ程序使用因此像摄像头这一类设备资源也是要由操作系统替我们管理由操作系统来决定应该要把设备分配给哪个程序使用所以这就涉及到了操作系统要提供的第四个功能叫做设备管理。王道书的第二章讲的就是处理机管理而第三章讲的是存储器管理第四章讲的是文件管理第五章讲的是设备管理。所以操作系统这门课在后期要重点学习的就是它作为系统资源的管理者要如何设计和实现处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理这些功能。对于各个部分的理解大家会随着之后的学习不断的深入这就暂且不展开在这个地方大家只需要建立一个全局观就可以。这是第一部分操作系统它作为系统资源的管理者所需要实现的一些事情。第二部分来看一下操作系统它要向上层提供方便易用的服务这是什么意思呢通过刚才的分析我们知道计算机的最底层其实是裸机也就是纯硬件最底层的这些硬件其实它只能听得懂二进制指令也就是机器语言就是说如果要直接和这些硬件打交道的话只能通过二进制的语言和这些硬件进行交互所以我们说最底层的这些硬件它对外暴露的其实是一些丑陋的、不友好的交互接口正常的人类很难和这些纯硬件直接来打交道但是在硬件之上安装的操作系统会向它的上层提供一种更美丽、更友好的交互接口在安装了操作系统之后我们的用户和应用程序不需要直接和硬件打交道只需要告诉操作系统我们想要得到的服务就可以而操作系统会把用户的这些命令需求翻译成二进制来告诉硬件然后由硬件来执行我们想要的这些操作这其实是一个很典型的封装的思想操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成了一些简单易用的服务使用户能够更方便的使用计算机。上层的用户不需要再关心底层的硬件细节而只需要用更简单的方式对操作系统发出命令就可以比如“小姐姐我需要A服务”剩下的操作系统会替我们来完成。其实这种封装思想在我们日常生活中也经常被使用比如说我们的汽车如果把它拆解了的话会发现它里面有很多很复杂的构件但是汽车设计师们会把这些底层复杂的构件隐藏起来封装成一个简单易用的接口对用户暴露出的就只有方向盘、刹车、油门这些用户能够理解的简单易用的接口但是用户不需要再关心它底层到底是怎么实现转向、加速、减速这些功能的所以其实操作系统做的事情本质上和这种封装没有任何的区别。接下来看一下操作系统屏蔽了底层硬件细节之后对上层提供了哪些方便易用的服务呢首先来看一个我们最熟悉的操作系统提供的服务叫做GUI又叫图形化用户接口用户可以使用上图这些形象的图形界面来对整个系统进行操作比如说在Windows操作系统当中如果我们要删除一个文件的话只需要把文件拖拽到回收站即可这种操作方式对于用户来说是很形象、很容易理解的但是在这样一个简单的拖拽动作之后操作系统其实在背后做了很多的事情。现代的操作系统一般都会对上层用户提供图形化的用户接口。不过一些早期的操作系统并没有这种图形化界面的早期的操作系统都是让用户通过命令接口的方式和操作系统进行交互也就是用命令行的方式和操作系统进行交互命令接口又分为两种一种是联机命令接口一种是脱机命令接口。先来看第一种联机命令接口它又叫交互式的命令接口。来看一个直观的例子如果使用的是Windows操作系统的话可以用上图的方式来打开命令解释器也就是平时经常会看到的小黑框然后我们可以在命令解释器当中输入一个命令叫做time输入time这个命令之后操作系统会告诉我们当前的时间是几点几分接下来操作系统又会让用户输入一个新的时间也就是说想把系统时间调到几点几分几秒像time命令就是一个很典型的交互式的命令也就是用户说一句系统会跟着做一句接下来用户需要再说一句然后系统才会跟着再做一句整个过程用户和操作系统是在不断的交互的。除了time命令之外还有很多别的用于和操作系统交互的命令由这些命令组成了所谓的交互式的命令接口或者叫联机命令接口。第二种命令接口叫做脱机命令接口又叫批处理命令接口。还是以Windows操作系统为例我们可以在C盘当中搜索以.bat作为后缀的文件然后随便打开其中的一个文件可以看到里面有密密麻麻的一系列的命令但别看它复杂本质上和刚才所看到的time命令没有任何区别只不过是把这一系列的命令罗列在了这样一个清单里然后当执行.bat文件的时候操作系统就是根据这个文件当中的这些命令一条一条的往后执行也就是说我们使用这种脱机命令接口或者叫批处理命令接口和操作系统进行交互的话我们是一次提出一堆的请求然后操作系统会根据我们的指示一条一条的执行这一堆的请求所以这也是为什么这种命令接口称作为批处理命令接口的原因。这就是操作系统对上层提供的两种命令接口。刚才提到的三种接口GUI、联机命令接口和脱机命令接口都是可以让普通用户直接使用的。操作系统还有一种对外提供的接口叫做程序接口这种接口是给程序员使用的可以在我们写的程序当中通过系统调用的方式来使用程序接口注意普通用户是不能直接使用程序接口的我们只能通过编写程序代码的方式来间接的使用程序接口。我们用一个例子来帮助大家加深理解什么叫系统调用什么叫程序接口。在我们写C语言的Hello world程序的时候我们会使用到printf这个函数然后在执行这个程序的时候会在我们的电脑屏幕上打印出Hello world这两个单词。虽然我们只是简单的调用了printf函数但是这个函数在底层实现的时候肯定是使用到了操作系统提供的和显示相关的系统调用的功能也就说普通程序员使用了C语言提供的库函数也就是printf这个函数而这个库函数在底层实现的时候是使用了操作系统提供的系统调用的功能而操作系统在收到系统调用相关的请求之后才会替我们去操作这个硬件也就是显示器并且在显示器上面显示出Hello world这两个单词。所以系统调用很类似于函数调用很多操作系统当中都提供了上百种的系统调用由这些系统调用组成了程序接口应用程序请求操作系统服务的唯一方式就是通过系统调用的方式。这个地方有一个小细节有的教材当中系统调用又会被称为广义指令所以这个术语大家也稍微注意一下。这个部分我们讲了很多内容操作系统向上层提供了很多方便易用的服务有的接口是直接给用户使用的比如说GUI和命令接口而有的接口是给软件或者说给程序员使用的比如说程序接口讲到这里我们就可以理解为什么用户和操作系统中间有一段相接的部分了因为用户通过GUI和命令接口这些方式直接的和操作系统进行交互而应用程序需要通过系统调用的方式也就是通过程序接口来和操作系统进行交互。联机命令接口和脱机命令接口的区别大家也需要注意有可能在选择题当中进行考察联机命令接口或者叫交互式命令接口是用户说一句系统做一句而脱机命令接口或者叫批处理命令接口是用户说一堆然后系统跟着做一堆。在有的教材当中会把命令接口和程序接口统称为用户接口也就是说狭义的用户接口不包含GUI这点大家稍微注意一下。接下来看这个小节最后一个内容。操作系统它作为最接近硬件的层次所需要做的事情就是要实现对硬件机器的拓展如果一个计算机当中没有任何的软件支持这种计算机就称之为裸机如果在裸机上安装了操作系统的话就可以把裸机改造成功能更强、使用更方便的机器我们会把覆盖软件的这种机器称为扩充机器或者称为虚拟机当然这些只是一些无关紧要的概念。对于我们来说更重要的事情是要理解为什么操作系统可以实现对硬件机器的拓展。为了理解这个特点还是用刚才汽车的例子来进行类比。比如说汽车当中原本只有一些零碎的硬件比如发动机它只有一个功能就是会转轮胎它也只有一个功能就是会滚但是如果我们在这种原始的硬件机器上再覆盖上一层传动系统的话我们就可以让发动机来带动着轮子转这样的话汽车就可以开始往前行走了。所以增加了这样系统之后以前的简单的硬件机器就得到了功能上的拓展。而我们的操作系统对硬件机器的拓展也是类似的操作系统把CPU、内存等等这一系列的硬件合理的组织起来并且让这些硬件能够相互协调配合着工作这样的话这些简单的硬件就可以组合起来实现更多、更复杂的功能所以说操作系统实现了对硬件机器功能的拓展使单纯的硬件功能更强、使用更方便。在这个小节当中用了很多例子帮助大家感性的认识什么是操作系统操作系统需要实现什么样的功能。操作系统这门课最关注的是它作为系统资源的管理者所需要实现的处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理这些功能。这些功能应该怎么实现、怎么设计是我们之后的课程当中会重点详细讲解的这个小节当中有可能会作为选择题进行考察的是操作系统对上层提供了哪些服务。大家要理解什么是GUI什么是命令接口联机命令接口和脱机命令接口的区别是什么。另外由一系列的系统调用组成了程序接口系统调用这个概念会在后面专门用一个小节进行更进一步的分析和讲解。以上就是这个小节的全部内容。