操作系統(tǒng)原理

 

我們每天都同操作系統(tǒng)打交道，了解一些操作系統(tǒng)原理上的知識(shí)是絕對(duì)有必要的，它可以讓你了解操作系統(tǒng)內(nèi)部是怎么工作的，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的問題，為我們解決這些問題提供思路。
    本文完全是為普通電腦用戶寫的，省略了所有難以理解的算法、原理，沒有太多細(xì)節(jié)上的東西，只是針對(duì)普通電腦用戶可能感興趣的問題給出了實(shí)現(xiàn)思想。寫這些東西只是我的一相情愿，就怕我還是寫得深了些，初學(xué)者讀不懂。如果這10K文字能讓你對(duì)操作系統(tǒng)有更深的了解，那也就不枉了這幾個(gè)汗流浹背的夏日午后了。

Q: 什么是中斷？
A:中斷嘛，舉個(gè)容易理解的例子吧。
   比如蓮蓮和唐唐在下象棋，眼看蓮蓮就快招架不住了，正當(dāng)此緊要關(guān)頭，唐
唐的女友來了，非要唐唐陪她上街買衣服不可（唐唐暈倒:-) ），于是唐唐
不得不同蓮蓮商量，先把棋盤封了，待買完衣服后繼續(xù)戰(zhàn)斗。掌燈時(shí)分，唐
唐帶著滿臉疲憊回到了棋盤前，結(jié)果蓮蓮不費(fèi)吹灰只力便反敗為勝。
這就是整個(gè)中斷過程。我們來看看中斷過程是如何發(fā)生的：
  1)中斷請(qǐng)求：唐唐的女友要他逛街
  2)中斷響應(yīng)：唐唐準(zhǔn)備放下棋局陪女友逛街
  3)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)：先把棋盤封了
  4)中斷處理：唐唐陪女友逛街買衣服
  5)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)：把棋盤解封
  6)中斷返回：繼續(xù)戰(zhàn)斗
  在計(jì)算機(jī)中，中斷機(jī)制是非常重要的，它用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)對(duì)各種外部事件的響
應(yīng)和處理，并且是實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的必要條件?？梢赃@么說，如果沒有中斷機(jī)制，
就沒有計(jì)算機(jī)。噢，對(duì)了，如果唐唐把棋移到密室中下，不讓他的女友打擾，
這就叫“中斷屏蔽”。

Q:RING3 、 RING0 是什么意思？
A:這得從CPU指令系統(tǒng)（用于控制CPU完成各種功能的命令）的特權(quán)級(jí)別說起。
在CPU的所有指令中，有一些指令是非常危險(xiǎn)的，如果錯(cuò)用，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)
崩潰。比如：清內(nèi)存、設(shè)置時(shí)鐘等。如果所有的程序都能使用這些指令，那
么你的系統(tǒng)一天死機(jī)n回就不足為奇了。所以，CPU將指令分為特權(quán)指令和非
特權(quán)指令，對(duì)于那些危險(xiǎn)的指令，只允許操作系統(tǒng)及其相關(guān)模塊使用，普通
的應(yīng)用程序只能使用那些不會(huì)造成災(zāi)難的指令。形象地說，特權(quán)指令就是那
些兒童不宜的東東，而非特權(quán)指令則是老少皆宜。
   Intel的CPU將特權(quán)級(jí)別分為4個(gè)級(jí)別：RING0,RING1,RING2,RING3。Windows只
使用其中的兩個(gè)級(jí)別RING0和RING3，RING0只給操作系統(tǒng)用，RING3誰都能用。
如果普通應(yīng)用程序企圖執(zhí)行RING0指令，則Windows會(huì)顯示“非法指令”錯(cuò)誤信
息。盡管有CPU的特權(quán)級(jí)別作保護(hù)，遺憾的是WINDOW98本身漏洞很多，使用
Windows 98的系統(tǒng)一天死機(jī)n回也是正常的。

Q: 為什么要有操作系統(tǒng)？
A:哈哈，難道你還沒感受到操作系統(tǒng)的魅力嗎？因?yàn)橛辛讼骔indows這樣優(yōu)秀的
操作系統(tǒng)，我們的機(jī)器才一天到晚地出問題——這個(gè)那個(gè)的問題，我們才需
要一天到晚地重裝Windows，這樣才使我們牢牢地記住了象微軟這樣的公司的
名字，和象比爾蓋茨這樣優(yōu)秀的程序員兼老板的名字……

   好了，說正經(jīng)的，盡管Windows不穩(wěn)定，但絕對(duì)不能否認(rèn)它是當(dāng)今最優(yōu)秀的操
作系統(tǒng)之一。操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中起著重要作用，它為所有的應(yīng)用程序提供
一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，并將應(yīng)用程序同具體硬件隔離。比如在機(jī)器中換一塊聲卡，只
需要重新安裝一下聲卡驅(qū)動(dòng)程序就完事了，但如果沒有操作系統(tǒng)，你就必須
為這塊新的聲卡重新購(gòu)買所有的應(yīng)用程序，以便這些應(yīng)用程序能夠認(rèn)識(shí)這塊聲
卡并能夠使用它。
   操作系統(tǒng)就象計(jì)算機(jī)的大管家，管理著計(jì)算機(jī)的各種資源，比如內(nèi)存、磁盤、
CPU等。應(yīng)用程序想使用這些資源，都必須經(jīng)過操作系統(tǒng)同意（資源申請(qǐng)），
并且由操作系統(tǒng)統(tǒng)一安排使用時(shí)間（資源分配），應(yīng)用程序用完后必須將資源
還給操作系統(tǒng)（資源回收），以便其他應(yīng)用程序使用。就這樣，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在
操作系統(tǒng)的管理下以最可能高的效率有條不紊地工作著。

Q: 什么叫進(jìn)程？進(jìn)程同程序有什么區(qū)別？
A:進(jìn)程是程序在計(jì)算機(jī)上的一次執(zhí)行活動(dòng)。當(dāng)你運(yùn)行一個(gè)程序，你就啟動(dòng)了一個(gè)
進(jìn)程。顯然，程序是死的（靜態(tài)的），進(jìn)程是活的（動(dòng)態(tài)的）。
進(jìn)程可以分為系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程。凡是用于完成操作系統(tǒng)的各種功能的進(jìn)程
就是系統(tǒng)進(jìn)程，它們就是處于運(yùn)行狀態(tài)下的操作系統(tǒng)本身；用戶進(jìn)程就不必我
多講了吧，所有由你啟動(dòng)的進(jìn)程都是用戶進(jìn)程。
進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的單位。在Windows
下，進(jìn)程又被細(xì)化為線程，也就是一個(gè)進(jìn)程下有多個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的
更小的單位。

Q: 什么是多任務(wù)？
A:在同一個(gè)時(shí)間里，同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中如果允許兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程處于運(yùn)
行狀態(tài)，這便是多任務(wù)?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)幾乎都是多任務(wù)操作系統(tǒng)，能夠同時(shí)
管理多個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行。多任務(wù)帶來的好處是明顯的，比如你可以邊聽mp3邊上網(wǎng)，
與此同時(shí)甚至可以將下載的文檔打印出來，而這些任務(wù)之間絲毫不會(huì)相互干擾。

Q: 什么是 “ 并發(fā) ” ？什么是 “ 并行 ” ？
A:俗話說，一心不能二用，這對(duì)計(jì)算機(jī)也一樣，原則上一個(gè)CPU只能分配給一個(gè)
進(jìn)程，以便運(yùn)行這個(gè)進(jìn)程。我們通常使用的計(jì)算機(jī)中只有一個(gè)CPU，也就是說
只有一顆心，要讓它一心多用，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，就必須使用并發(fā)技術(shù)。
實(shí)現(xiàn)并發(fā)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，最容易理解的是“時(shí)間片輪轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度算法”，它
的思想簡(jiǎn)單介紹如下：
   在操作系統(tǒng)的管理下，所有正在運(yùn)行的進(jìn)程輪流使用CPU，每個(gè)進(jìn)程允許占用
CPU的時(shí)間非常短（比如10毫秒），這樣用戶根本感覺不出來CPU是在輪流為
多個(gè)進(jìn)程服務(wù)，就好象所有的進(jìn)程都在不間斷地運(yùn)行一樣。但實(shí)際上在任何
一個(gè)時(shí)間內(nèi)有且僅有一個(gè)進(jìn)程占有CPU。如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)有多個(gè)CPU，情況就不同
了，如果進(jìn)程數(shù)小于CPU數(shù)，則不同的進(jìn)程可以分配給不同的CPU來運(yùn)行，這樣，
多個(gè)進(jìn)程就是真正同時(shí)運(yùn)行的，這便是并行。但如果進(jìn)程數(shù)大于CPU數(shù)，則仍然需 
要使用并發(fā)技術(shù)。在Windows中，進(jìn)行CPU分配是以線程為單位的，一個(gè)進(jìn)程可能 
由多個(gè)線程組成，這時(shí)情況更加復(fù)雜，但簡(jiǎn)單地說，有如下關(guān)系：
總線程數(shù) <= CPU數(shù)量：并行運(yùn)行
總線程數(shù) > CPU數(shù)量：并發(fā)運(yùn)行
   并行運(yùn)行的效率顯然高于并發(fā)運(yùn)行，所以在多CPU的計(jì)算機(jī)中，多任務(wù)的效率
比較高。但是，如果在多CPU計(jì)算機(jī)中只運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程（線程），就不能發(fā)揮多 
CPU的優(yōu)勢(shì)。值得注意的是，Windows 9x并不支持多CPU系統(tǒng)，如果在多CPU系統(tǒng)   
上安裝Windows 9x，有再多的CPU也是白搭。

Q: 什么叫 “ 可搶占式多任務(wù) ” ？
A:進(jìn)程是有優(yōu)先級(jí)的。如果即將被運(yùn)行的進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)比正在運(yùn)行的進(jìn)程的優(yōu)先
級(jí)高，則系統(tǒng)可以強(qiáng)行剝奪正在運(yùn)行的進(jìn)程的CPU，讓優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程先運(yùn)行。
可見，人類社會(huì)的特權(quán)思想在計(jì)算機(jī)世界中表現(xiàn)得多么淋漓盡致。:-)
實(shí)際的操作系統(tǒng)一般將時(shí)間片思想同可強(qiáng)占思想結(jié)合起來進(jìn)行CPU分配。
可搶占式多任務(wù)的好處是很多的，比如當(dāng)一個(gè)進(jìn)程發(fā)生意外無法運(yùn)行時(shí)，如果
不能強(qiáng)行剝奪其CPU占有權(quán)，則整個(gè)系統(tǒng)都得癱瘓，由于早期的Windows 3.1不
是可搶占式多任務(wù)系統(tǒng)，所以Windows 3.1非常不可靠。

Q: 多個(gè)進(jìn)程在并發(fā) / 并行運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生沖突嗎？
A:如果沒有任何保護(hù)機(jī)制，肯定是會(huì)的。這種沖突一般發(fā)生在對(duì)資源的爭(zhēng)奪上。
顯然，如果一條馬路窄到只能通過一輛馬車，則當(dāng)有兩輛馬車想同時(shí)通過時(shí)，
某個(gè)馬車夫就必須發(fā)揚(yáng)風(fēng)格，先讓一讓，否則結(jié)果肯定是人仰馬翻。
操作系統(tǒng)細(xì)心地管理著這一切，以避免進(jìn)程間的沖突，程序員們也常常需要
細(xì)心地按照某種既定規(guī)則編寫程序，以便操作系統(tǒng)管理。
更具體的方法、原理已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了初學(xué)者能接受的水平，我還是把它略去
吧。

Q: 什么是虛擬存儲(chǔ)器？
A:虛擬存儲(chǔ)技術(shù)是非常重要的存儲(chǔ)管理技術(shù)，它的核心思想是利用巨大的硬盤
空間來彌補(bǔ)不足的實(shí)際內(nèi)存空間。在虛擬內(nèi)存管理下，應(yīng)用程序可以使用的
存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際的內(nèi)存大小。我們將一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)際安裝的內(nèi)存稱為
物理存儲(chǔ)器，將通過虛擬存儲(chǔ)技術(shù)得到的比實(shí)際內(nèi)存空間大得多的存儲(chǔ)空間
成為虛擬存儲(chǔ)器。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也是非常復(fù)雜，如果細(xì)講的話肯定又 
是吃力不討好，這里只提一提最簡(jiǎn)單的思想。內(nèi)存單元在計(jì)算機(jī)中是有編號(hào) 
的，叫內(nèi)存地址。如果你的計(jì)算機(jī)中有1M物理內(nèi)存（天哪，286的說？呵呵， 
舉例子方便嘛），則物理內(nèi)存的地址范圍為0到1048575（1024 x 1024 - 1）。 
如果想訪問地址為1048576的單元，顯然是不可以的，因?yàn)樽畲笾坏?048575了 
。但是，如果這時(shí)我將物理內(nèi)存中所有的東西先保存到硬盤上，然后通過某種 
方法將1048576映射到地址為0的物理存儲(chǔ)單元上，我不就又得到另外整整一個(gè) 
M的存儲(chǔ)空間了嗎，當(dāng)程序要訪問地址為0的單元時(shí)，我把原先存儲(chǔ)在硬盤上的 
內(nèi)容調(diào)回物理內(nèi)存中就可以了。這個(gè)想法夠巧妙吧，它就是虛擬存儲(chǔ)技術(shù)的核 
心思想。于是我就可以得到n個(gè)1M空間了。真正的虛擬存儲(chǔ)管理比上面我所提的 
還要復(fù)雜、巧妙得多，它能夠?qū)崿F(xiàn)讓不同的進(jìn)程在不同的地址空間上運(yùn)行（即 
讓每個(gè)進(jìn)程認(rèn)為自己占有所有的存儲(chǔ)空間，可以任意使用，不必在乎系統(tǒng)中的 
其他進(jìn)程是如何使用存儲(chǔ)空間的。這猶如讓不同的進(jìn)程運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)上） 
，并且要考慮最優(yōu)的內(nèi)存使用效率。

Q: 如果一個(gè)進(jìn)程訪問了不屬于自己地址空間內(nèi)的存儲(chǔ)單元，會(huì)發(fā)生什么情況？
A:在Windows下你肯定會(huì)看到一個(gè)“該程序執(zhí)行了非法操作，即將被關(guān)閉……”
之類的對(duì)話框?？吹竭@樣的對(duì)話框常令我們無比沮喪，但這是操作系統(tǒng)必須
做的事，我們稱它為“存儲(chǔ)保護(hù)”。存儲(chǔ)保護(hù)的目的是保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)程不被用
戶進(jìn)程破壞，不允許進(jìn)程讀寫不屬于自己的區(qū)域。道理是很簡(jiǎn)單的：考試的
時(shí)候，你只被允許在自己的試卷上面作答，如果你想看別人的試卷，甚至想
改別人試卷上的內(nèi)容，你就“執(zhí)行了非法操作”，肯定是要被監(jiān)考“關(guān)閉”
的（前提是監(jiān)考人員工作正常，否則就亂了套了，會(huì)有很嚴(yán)重的后果）。
注意：在Windows中引起系統(tǒng)關(guān)閉一個(gè)進(jìn)程的原因很多，除了非法讀寫其他
進(jìn)程存儲(chǔ)區(qū)（地址越界）外，還有如執(zhí)行了只有操作系統(tǒng)才能執(zhí)行的ring0
指令、程序中出現(xiàn)除數(shù)為0的情況等等。

Q: 什么是硬盤分區(qū)？
A:最早的時(shí)候，操作系統(tǒng)無法管理較大的硬盤空間，所以將一個(gè)大的硬盤空間
分為多個(gè)較小的區(qū)域以便于管理。另外，有時(shí)需要在系統(tǒng)中安裝多個(gè)操作系
統(tǒng)，也需要將硬盤分為不同的區(qū)域，讓不同的操作系統(tǒng)分別管理，互不干擾。
現(xiàn)在已經(jīng)沒有因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)無法管理大硬盤而需要對(duì)硬盤進(jìn)行分區(qū)的可能性
了，但我們?nèi)匀粚?duì)硬盤進(jìn)行分區(qū)，除了安裝多個(gè)操作系統(tǒng)外，主要的還是為
了對(duì)各種文件進(jìn)行管理比較方便。
操作系統(tǒng)為不同的硬盤分區(qū)賦予不同的盤符，這樣就在邏輯上把一個(gè)大硬盤
分割成了多個(gè)小硬盤。

Q: 什么是硬盤分區(qū)的主引導(dǎo)記錄？
A:主引導(dǎo)記錄是每個(gè)硬盤分區(qū)的命根子，上面記錄著一個(gè)分區(qū)所占用的硬盤空
間的位置等重要信息。如果一個(gè)分區(qū)的主引導(dǎo)記錄被破壞，這個(gè)分區(qū)就算玩
完了。

Q: 什么是活動(dòng)分區(qū)？
A:活動(dòng)分區(qū)是在系統(tǒng)加電后具有自舉（引導(dǎo)系統(tǒng)）能力的分區(qū)，在活動(dòng)分區(qū)上
的主引導(dǎo)記錄中有一段主引導(dǎo)程序，每當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，這段程序被調(diào)入內(nèi)存
運(yùn)行，以引導(dǎo)（啟動(dòng)）保存在硬盤上的操作系統(tǒng)。不同的操作系統(tǒng)引導(dǎo)的方
法是不同的，所以這段主引導(dǎo)程序隨著系統(tǒng)上安裝的操作系統(tǒng)的不同而不同。

Q:Windows 是怎樣儲(chǔ)存磁盤文件的？
A:首先，Windows以“簇”為單位使用硬盤上的空間。根據(jù)硬盤空間的大小，一
個(gè)簇的大小是不一樣的。一般說，簇越小，硬盤空間的利用率越大，簇越大，
存儲(chǔ)速度越快。每個(gè)文件必須被分成以簇的大小為單位的多個(gè)塊，然后儲(chǔ)存在 
硬盤上。為此，需要一個(gè)表格來記錄一個(gè)文件被分成的塊都儲(chǔ)存在硬盤的哪些簇 
上，這個(gè)表格在Win9x中就是FAT表。FAT表也儲(chǔ)存在硬盤上。所以，F(xiàn)AT表是文件 
系統(tǒng)的命根子，破壞了它，一個(gè)磁盤所有的文件就玩完了。于是，Windows除了使 
用一個(gè)FAT表外，還會(huì)備份一個(gè)。

Q: 什么是文件目錄表？
A:文件目錄表同F(xiàn)AT表一樣是非常重要的，它記錄著所有文件的文件名、屬性和在
FAT表中的起始位置。當(dāng)你需要讀寫一個(gè)文件時(shí)，Windows就從文件目錄表中找
這個(gè)文件，如果找到，按照文件目錄表中所指示的該文件在FAT表中的起始位置
讀出FAT表中與這個(gè)文件有關(guān)的存儲(chǔ)信息，就可以讀寫這個(gè)文件了。

Q: 什么叫虛擬設(shè)備？
A:不同的I/O設(shè)備速度有快有慢。在操作系統(tǒng)中，為了有效地利用各種設(shè)備，可以
使用高速設(shè)備來模擬低速設(shè)備，從而得到的就是虛擬設(shè)備。
在Windows中典型的例子就是打印機(jī)。我們不難發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)打印時(shí)打印機(jī)并沒有
工作，而是硬盤在響，然后所有的打印文檔都進(jìn)入打印隊(duì)列，排隊(duì)打印。在前
一個(gè)文檔還在打印機(jī)上打印的時(shí)候，下一個(gè)文檔已經(jīng)進(jìn)入打印隊(duì)列，提交這個(gè)
文檔的進(jìn)程無須等待打印機(jī)將這個(gè)文檔打印完畢，就可以繼續(xù)處理別的事情了。
這是由于Windows使用硬盤模擬打印機(jī)。所有的打印工作實(shí)際上都“打印”到了
硬盤上。硬盤速度比打印機(jī)快得多，所以一下子就完成了。此時(shí)有另一個(gè)進(jìn)程
負(fù)責(zé)從硬盤上讀出打印數(shù)據(jù)，打印到實(shí)際的打印機(jī)上，這個(gè)進(jìn)程在后臺(tái)工作，
不影響前臺(tái)的其他進(jìn)程。

Q: 什么是與設(shè)備無關(guān)性（設(shè)備獨(dú)立性）？
A:計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備很多，同種類型的設(shè)備又有不同廠家、不同型號(hào)的產(chǎn)品。這
些產(chǎn)品總會(huì)有些細(xì)微的差別。這就給應(yīng)用程序的編寫帶來很大的困難，因?yàn)橐?
個(gè)應(yīng)用程序不可能顧及到所有硬件的兼容性。為此，操作系統(tǒng)將具體的硬件設(shè)
備同整個(gè)系統(tǒng)隔離開來，對(duì)硬件的具體操作、與硬件有關(guān)的兼容性問題等統(tǒng)統(tǒng)  
由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來解決，同時(shí)操作系統(tǒng)向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的操縱設(shè)備的方法，
應(yīng)用程序只需要按套路調(diào)用操作系統(tǒng)提供的功能即可，無須關(guān)心實(shí)際的設(shè)備是
什么，這就是與設(shè)備無關(guān)性。
  這樣，每增添或改動(dòng)一個(gè)系統(tǒng)上的硬件，只需要安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序即可。

Q: 什么是緩沖 (buffering) 技術(shù)？
A:在數(shù)據(jù)到達(dá)與離去速度不匹配的地方，就應(yīng)該使用緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)好比是
一個(gè)水庫(kù)，如果上游來的水太多，下游來不及排走，水庫(kù)就起到“緩沖”作用，
先讓水在水庫(kù)中停一些時(shí)候，等下游能繼續(xù)排水，再把水送往下游。
  通常CPU的速度要比I/O設(shè)備的速度快得多得多，所以可以設(shè)置緩沖區(qū)，對(duì)于從
CPU來的數(shù)據(jù)，先放在緩沖區(qū)中，然后設(shè)備可以慢慢地從緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)。