解說天下之操作系統

本文由桌案drawon?(https://www.drawon.cn)，云晶（https://www.yunjingxz.com）創始人根據多年從業經驗， 從操作系統的起源，應用分類， 設計分類，以及資源使用角度對操作系統進行宏觀的闡述，通過閱讀本篇內容，您將大致對操作系統有更系統、更宏觀，更深入的認識。我們每個人每天都在高頻次的使用不同的操作系統，有必要對操作系統從宏觀，深入淺出的有一個基本的認識和了解。

前后臺系統

前后臺系統為操作系統的原古時期。 在沒有操作系統誕生之前，基本計算機系統就是前后臺系統架構模型。

前后臺系統的概念

在沒有操作系統出現之前的系統為前后臺系統，比如現在大多數嵌入式系統中所是用的MCU可以運行簡單的C語言程序的單片機在裸跑的時候，我們認為為前后臺系統，下面一張圖介紹了前后臺系統的模型：

從圖中，我們可以看到，有如下特點

應用程序是一個無限的循環， 一般在主函數中，會寫一個死循環，這個循環會有一定的延時，每隔一段時間循環執行一次。 循環中調用相應的函數，完成相應的操作， 這部分可以看成是后臺的行為（background）。無限循環掃描，就是一個輪詢 。

后臺系統，總是會運行，（The background is always running）這個Main函數是不會停止的。

當有緊急任務需要處理時， 則MCU提供一種中斷機制， 每個中斷向量掛接一個中斷處理函數， 進行緊急的處理。這種中斷處理程序的行為，我們稱之為前臺行為（Foreground）。當緊急事件發生時， 中斷處理機制會立即捕獲它。 而緊急事件，一般都是外部IO觸發， 觸發行為有高電平變低觸發，低電平變高觸發，還有上升沿或者下降沿觸發。 還有一種內部定時觸發等。

如下為前后臺系統的變成模型

{void main () {for(;;) {InitSystem();InitUartIsr(OnUartDataReceived);for(;;) {LED0 = ON;DelayMillisecs(500);LED1 = OFF;DelayMillisecs(500);}}} void OnUartDataReceived(byte[] buffer, int count) {// doing something.} }

前后臺系統的優點

前后臺系統的機制相對簡單， 對編程人員要求比較低。 只要學點C語言， 了解點基礎硬件相關的知識， 就能干點事情，如點亮LED燈。燈。 可以基于單片機來學習前后臺系統。

如下推薦一些單片機的書籍， 可以借助這些書籍去學習前后臺系統。

如下為前后臺系統的優點：

• 成本低， 一般情況下， 幾毛錢，甚至幾塊錢就能買到一個單片機。
• 需求量非常大， 只要帶一些簡單的控制邏輯的系統，大多數都采用簡單的MCU, 內部運行一個前后臺系統，如下我們給出一張操作系統的分布金字塔圖。

• 設計開發編碼都比較簡單。 一般是由嵌入式工程師完成前后臺系統的開發與設計。

前后臺系統的缺點

• 應用場景比較簡單， 控制簡單的外圍電腦和簡單的運算。 對于大型復雜的邏輯或者交互，前后臺系統很難勝任。還有一些比較厲害的高人， 使用前后臺系統可以完成操作系統能夠完成的任務，甚至操作系統都難以完成的事情（小才大用）。
• 資源很難系統的調度，原地轉圈圈前后臺系統的CPU 一直都很忙，資源很難系統調度。
• 開發系統時，代碼的耦合度較高，你中有我，我中有你。前后臺系統中，每為一個系統添加一個軟件模塊，都可能影響到之前的功能。所以如果要把前后臺系統的系統玩好，一定得做到統領全局， 了解到別人的程序邏輯。

操作系統

基本概念

控制和管理計算機系統內部各種硬件和軟件資源、有效的組織多道程序運行的系統軟件(或程序集合)，是用戶與計算機之間的接口。

下面分享上面上，主流的操作系統

Windows操作系統

MAC OS 操作系統

Chome OS 操作系統

移動端的IOS, Android ,Windows Phone（過去式）

操作系統，決定了系統的交互方式，以及生態，每個人，都有自己喜歡的操作系統。

操作系統分類

按照家族分類

如下為Unic的家族史：

從上圖可以看到， Unix（Unics）實際上是大部分操作系統的祖先。 很多操作系統都是從Unix演變而來。

Unix家族演進圖

從上圖可以看出：

• 目前非常著名的蘋果公司的PC領域的操作系統MAC OS以及移動端操作系統IOS均是由Unix系統改寫而來。
• 谷歌的Android操作系統，ChromeOS 均是由Linux系統修改而來。
• Ubuntu 更是Linux系統的社區開源版本。
• 還有在車載系統中，號稱是實現很強的微內核系統 QNX均來自Unix系統。

按照內核類型分類

微內核/宏內核的概念

操作系統最核心的功能，任務調度、內存和設備的抽象和管理。然后 ，為了我們方便使用，才集成進了系統服務、驅動程序、文件系統之類的東西。

我們平時運行的程序，每個程序各運行幾十毫秒，大家來回輪換，這樣子我們看起來這些程序好像在“同時”運行一樣。應用程序之所以能夠被操作系統通過時間片的方式調度，是因為對于CPU而言，普通的應用程序和操作系統的內核運行在不同的特權級別上，我們叫作rings。應用程序運行在Ring 3，而內核運行在Ring 0。

隨著科技的發展，操作系統變得越來越復雜，內核里面的東西也越來越多。人們也就開始考慮是否應該改變原有的架構，從而提高操作系統的性能和穩定性，主要是精簡內核降低開發的復雜度，還有就是把各種程序盡可能的隔離，保證一個程序的崩潰不會牽連到其他的程序。

上世紀80年代人們討論得火熱的微內核就是這樣一種架構。

幾種內核架構

理論設計，放到現實的工程中都是要做折衷的。所以有混合內核的出現，綜合宏內核和微內核的不同優點，在兩個方案中折衷設計。OS X和Windows就屬于這類。

微內核的優勢

微內核考慮在操作系統的內核中保留操作系統最基本的功能，也就是任務調度、內存和設備的抽象和管理。其他的功能全部從內核移出，放到用戶態中了實現，并以C/S模式對其他應用程序提供服務。

微內核帶來的好處主要是穩定性和實時性，即內核中模塊數量少了，結構更精簡更優化了，能夠影響內核的程序和驅動也減少了，穩定性隨之提高；另外就是實時性，內核精簡了以后，響應的時延的減小。不過并不是精簡了以后會使得性能提升，微內核使得內核中只有最關鍵的部分，其他模塊和系統功能全部作為獨立模塊放到用戶態空間中運行，功能分散了以后增加了通信的成本。不過微內核操作系統的特點尤其適合工控系統的控制，而且設計簡單，在小型的系統中有不少的應用。另外亦有不少實時操作系統是使用微內核架構設計。

總結幾句

• Worse is better.

  • 計算機領域往往經過完善設計的產品，最終結果都是失敗的。
  • 像Unix贏了Multics一樣。
  • Lisp(通用高級計算機程序語言)并沒有C語言流行。
  • OSI的愿景最后由TCP/IP協議完成。
  • 相信，國內號稱真正的云上操作系統，最終是由云晶-新一代云上操作系統來完成（開玩笑）。
  • 微軟的WPF, 把MVVM設計模式運用的淋漓盡致，設計的如此純粹，并沒有流行起來。

  ......

• 宏內核就是一座華麗的宮殿。

• 微內核就是一座精致的小別墅。

Linux為什么不采用微內核或者混合內核模式？

理論上完美的問題在實踐過程中都會遇到各種不得不妥協的折衷。因為你制造出的東西是要部署到實際生活生產環境中使用。不是要一個只在實驗室中看起來很完美的作品。微內核的高度模塊化,自然要付出成本的,那就是增加代碼交互的冗余與效率的損耗, 而這恰恰是很大的問題。

Linus可以把這些亂七八糟的東西，全都一個人寫了，一遍寫對了，還能穩定跑起來，無bug，而我們這些渣渣，做不到，只能依靠保護模式來防止幾百個工程師寫出來的那一坨垃圾，動不動藍屏，自己弱，卻質疑天才的做法，和明知自己弱，還要模仿天才的做法，都是認不清現實的表現。

Linux本身在實現之初僅僅作為Linus一個業余項目而存在。而Monolithic Kernel由于不需要處理消息隊列等等原因從實現角度來說比Micro Kernel更為方便。

linus 這人對微內核不感興趣，這個大家都知道，只要有他在一天，kernel就不會考慮微內核化。他是一名實用主義者, 他說過一句名言:Talk is cheap. Show me the code。

Linus: "Gaah. Guys, this whole ARM thing is a fcking pain in the ass.” 推動了DeviceTree.(題外話，*霸氣)。這就是Linus這個人的張揚與灑脫的一面。 仔細體會。

按照實時性分類

按照實時性，將操作系統分為硬實時和軟實時。 那么什么優勢硬實時和軟實時，其實就是通過中斷的響應時間來衡量的。

衡量實時性的標準：

• 中斷的相應時間。

  中斷的相應時間=＝關中斷的最長時間+保護CPU 內部寄存器的時間+進入中斷服務函數的執行時間+開始執行中斷服務例程(ISR)的第一條指令時間

• 任務的切換時間， 就是從當前任務掛起，到要切換的任務開始運行的時間。

• 一個硬實時操作系統面對變化的負載（從最小到最壞的情況）時，必須確定性地保證滿足時間要求。跟CPU強悍無關，必須時間具有確定性。

• 實時操作系統的代表

  • Linux為實時操作系統的代表
  • Vxworks(Wind River)為硬實時操作系統的代表。

  以下表中，該處了實時操作系統的實時性對比

  WxWorksuCOS-IIRT-Linux2QNX6MACosXWindowsLinux-GP

  硬件平臺	MC68000	33MHz-486	60MHz-486	33MHz-486
  任務切換	3.8us	< 9us	不詳	12.57us
  中斷響應	< 3us	< 7.5us	25us	7.54us

操作系統中與編程有關的基本知識

進程線程的基本概念

• 并發和隔離。
• 程序執行的上下文（Context of Execution）
• 執行與調度的基本單位：thread
• 資源所有權：process
• 進程是資源的容器，包含（一個或）多個線程。 內核調度的基本單位是線程(不完全是)、而非進程。
• 同一進程下的各個線程共享資源（address space、open files、signal handlers，etc），但寄存器、棧、PC指針等不共享。

進程和線程到底有什么區別？ 以上其實已經說了一部分， 線程是調度和執行的基本單位，最終代碼都在線程中執行。 而進程是資源的容器，包括一個或多個線程。 同一個進程下的各個線程共享資源。

如下圖為區別：

Linux的線程進程概念

Linux的線程是用戶級別的，也就是內核中不存在線程。

• 所有的線程管理都在應用層去執行。
• 內核不關心，實際上也覺察不到線程的存在。

Windows的線程進程概念

而從上圖也可以看出，Windows和Linux顯然采用不同的理念。

windows的線程是內核級別的。

• Windows是這些概念的一個例子。
• 內核維護著線程和進程的上下文。
• 調度實際上是基于線程而運行的。

進程間的通信

有了線程，進程的隔離， 就需要線程進程之間的通信機制來保證協作完成任務，共享訪問數據。

Windows進程間的通信

• 文件映射
• 共享內存
• 匿名管道(單項，一端寫，一端讀)
• 命名管道。
• 動態鏈接庫
• 遠程過程調用(可以在一臺機器內，也可以跨機器)
• UDS(Unix Domain Socket)
• 基于Windows的消息機制 ……

Linux進程間的通信

• 管道(Pipe)，以及有名管道
• 信號(Signal)
• 報文(Message)隊列(消息隊列)
• 共享內存(效率最高)
• 信號量(Semaphore)
• 主要作用是進程間，以及同一進程的不同線程之間的同步手段 (UDS)Socket 套接字

以上Window和Linux雖然采用了不同的方式，概念上有所不同的方式進行進程間的通信，實際上，他們的基本原理類似。

線程間的通信

• 共享數據結構。共享內存
• 事件(Event)傳遞
• 消息隊列
• 郵箱(ucosII)

線程同步

線程同步，即當有一個線程在對內存或者外設進行操作時，其他線程都不可以對這個內存地址或者外設進行操作，直到該線程完成操作， 其他線程才可以進行操作，而其他線程又處于等待狀態，實現線程同步的方法有很多，如下。

• 一般使用信號量（Semaphore）。
• 高級語言如java 本身語言的設計 就為此考慮，如synchronized 關鍵字，wait, notify 方法。
• 可以使用Mutex。
• 臨界區對象。

信號量與互斥鎖

Semaphore(信號量，或者信號燈)

以一個停車場的運作為例。簡單起見，假設停車場只有三個車位，一開始三個車位都是空的。這時如果同時來了五輛車，看門人允許其中三輛直接進入，然后放下車攔，剩下的車則必須在入口等待，此后來的車也都不得不在入口處等待。這時，有一輛車離開停車場，看門人得知后，打開車攔，放入外面的一輛進去，如果又離開兩輛，則又可以放入兩輛，如此往復。在微觀世界里，計算機世界里，比如訪問硬盤空間，讀取數據，往往資源有限。 可以可以使用該機制，進行有效的對資源的訪問進行協調控制。

Mutex(互斥鎖)

一次只能有一個線程進入的特殊信號量。性能會比信號量好。對于某些特殊的應用場景， 一次只能有一個線程訪問，待該線程退出后，其他線程方可繼續運行。 例如操作系統的IO外設，打印機，現實生活當中的公共衛生間等等。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的解说天下之操作系统的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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