Linux核心實戰(二)- 作業系統概覽

JavaEdge發表於2019-08-05

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不知道你有沒有產生過這些疑問:

桌面上的圖示到底是啥?憑啥我在滑鼠上一雙擊,就會出來一些不可描述的畫面?都是從哪裡跑出來的?
憑什麼我在鍵盤上噼裡啪啦地敲,某個位置就會顯示我想要的那些字元?

電腦怎麼知道我滑鼠點選的是這個地方,又是怎麼知道我要輸入的是這個地方?

我在鍵盤上點“a”,是誰在顯示器上畫出“a”這個影象呢?

為什麼我一回車,這些字元就發到遙遠的另外一臺機器上去了?

別小看“雙擊滑鼠開啟聊天軟體”這樣一個簡單的操作,它幾乎涵蓋了作業系統的所有功能。我們就從這個熟悉的操作,來認識陌生的作業系統。

作業系統其實就像一個軟體外包,核心就相當於這家外包公司的老闆。所以接下來請你將自己的角色切換成這家軟體外包公司的老闆,設身處地地去理解作業系統是如何協調各種資源,幫客戶做成事情的。

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今後所說的“使用者”,都是指作業系統的使用者,“客戶”則是指外包公司的客戶,這兩者是對應的。

1 雙擊執行軟體,觸動了哪些硬體呢

1.1 滑鼠和鍵盤

計算機的輸入裝置。

使用者想要告訴計算機應該做什麼,都是通過這兩個裝置。

如果是一家外包公司,怎麼才能知道客戶的需求呢?你需要配備銷售、售前等角色,專門負責和客戶對接,把客戶需求拿回來,我們把這些人統稱為客戶對接員。你可以跟客戶說,有什麼事兒都找對接員。

1.2 螢幕

也就是顯示器,是計算機的輸出裝置,將計算機處理使用者請求後的結果反饋給客戶。

顯示器上面顯示的東西是由顯示卡控制的。

無論是顯示器還是顯示卡,這裡都有個“座標”的概念,也就是說,什麼影象在哪個座標,都是定義好了才畫上去的。本來在某個座標畫了一個滑鼠箭頭,當接到滑鼠移動的事件之後,你應該按相同的方向,按照一定的比例(滑鼠靈敏度),在螢幕的某個座標再畫一個滑鼠箭頭。

作為外包公司,當客戶給你提了需求,不管你做還是不做,最終做成什麼樣,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。

1.3 輸入裝置驅動

其實就是客戶對接員。有時候新插上一個滑鼠的時候,會彈出一個通知你安裝驅動,這就是作業系統這家外包公司給你配備對接人員呢。當客戶告訴對接員需求的時候,對於作業系統來講,輸入裝置會傳送一箇中斷。這個概念很好理解。客戶肯定希望外包公司把正在做的事情都停下來服務它。所以,這個時候客戶傳送的需求就被稱為中斷事件(Interrupt Event)。

1.4 輸出裝置驅動

顯示卡會有顯示卡驅動,在作業系統中稱為輸出裝置驅動,也就是上面說的交付人員。

2 從點選程式,窺探OS全貌

有了客戶對接員和交付人員,外包公司就可以處理使用者“在桌面上點選QQ圖示”的事件了。

首先,滑鼠雙擊會觸發一箇中斷,這相當於客戶告知客戶對接員“有了新需求,需要處理一下”。你會事先把處理這種問題的方法教給客戶對接員。在作業系統裡面就是呼叫中斷處理函式。作業系統發現雙擊的是一個圖示,就明白了使用者的原始訴求,準備執行QQ和別人聊天。

你會發現,執行QQ是一件大事,因為將來的一段時間,使用者要一直和QQ進行互動。

這就相當於你們公司接了一個大單,而不是處理零星的客戶需求,這個時候應該單獨立項。一旦立了項,以後與這個專案有關的事情,都由這個專案組來處理。

2.1檔案管理系統

立項可不能隨便立,一定要有一個專案執行計劃書,說明這個專案打算怎麼做,一步一步如何執行,遇到什麼情況應該怎麼辦等等。

換句話說,對QQ這個程式來說,它能做哪些事情,每個事情怎麼做,先做啥後做啥,都已經作為程式邏輯寫在程式裡面,並且編譯成為二進位制了。這個程式就相當於專案執行計劃書。

電腦上的程式有很多,它們都以二進位制檔案的形式儲存在硬碟上。硬碟是個物理裝置,要按照規定格式化成為檔案系統,才能存放這些程式。檔案系統需要一個系統進行統一管理,稱為檔案管理子系統(File Management Subsystem)。

2.2 程式與程式

對於你們公司,專案立得多了,專案執行計劃書也會很多,同樣需要有個統一儲存檔案的檔案庫,而且需要有序地管理起來。

當你從資料庫裡面拿到這個專案執行計劃書,接下來就需要開始執行這個專案了。專案執行計劃書是靜態的,專案的執行是動態的。

同理,當作業系統拿到QQ的二進位制執行檔案的時候,就可以執行這個檔案了。

  • QQ的二進位制檔案是靜態的,稱為程式(Program),
  • 執行起來的QQ,是不斷進行的,稱為程式(Process)。

2.3 系統呼叫

你會發現,一個專案要想順暢進行,需要用到公司的各種資源,比如說蓋個公章、開個證明、申請個會議室、列印個材料等等。

這裡有個兩難的權衡

  • 資源有限,甚至是涉及機密的,不能由專案組濫取濫用
  • 效率,我們是一個私營企業,保證專案申請資源的時候只跑一次,這樣才能比較高效。

為了平衡這一點,一方面涉及核心許可權的資源,還是應該被公司嚴格把控,審批了才能用;

另外一方面,為了提高效率,最好有個統一的辦事大廳,明文列出提供哪些服務,誰需要可以來申請,然後就會有迴應。

在作業系統中,也有同樣的問題。

例如多個程式都要往印表機上列印檔案,如果隨便亂列印程式,就會出現同樣一張紙,第一行是A程式輸出的文字,第二行是B程式輸出的文字,全亂套了。所以,印表機的直接操作是放在作業系統核心裡面的,程式不能隨便操作。但是作業系統也提供一個辦事大廳,也就是系統呼叫(System Call)。

系統呼叫也能列出來提供哪些介面可以呼叫,程式有需要的時候就可以去呼叫。

這其中,立項是辦事大廳提供的關鍵服務之一。同樣,任何一個程式要想執行起來,就需要呼叫系統呼叫,建立程式。

2.4 程式管理系統

一旦專案正式立項,就要開始執行,就要成立專案組,將開發人員分配到這個專案組,按照專案執行計劃書一步一步執行。

為了管理這個專案,我們還需要一個專案經理、一套專案管理流程、一個專案管理系統,例如程式設計師比較熟悉的Jira。如果專案多,可能一個開發人員需要同時執行多個專案,這就要考驗專案經理的排程能力了。

在作業系統中,程式的執行也需要分配CPU進行執行,也就是按照程式裡面的二進位制程式碼一行一行地執行。

於是,為了管理程式,我們還需要一個程式管理子系統(Process Management Subsystem)。如果執行的程式很多,則一個CPU會併發執行多個程式,也就需要CPU的排程能力了。

2.5 記憶體管理系統

每個專案都有自己的私密資料,這些資料不能被其他專案組看到。這些資料主要是專案在執行的過程中,產生的很多中間成果,例如架構圖、流程圖。

執行過程中,難免要在白板上或者本子上寫寫畫畫,如果不同專案的辦公空間不隔離,一方面,專案的私密性不能得到保證,A專案的細節,B專案也能看到;另一方面,專案之間會相互干擾,A專案組的人剛在白板上畫了一個架構圖,出去上個廁所,結果B專案組的人就給擦了。

如果把不同的專案組分配到不同的會議室,就解決了這個問題。當然會議室是有限的,需要有人管理和分配,並且需要一個會議室管理系統。

在作業系統中,不同的程式有不同的記憶體空間,但是整個電腦記憶體就這麼點兒,所以需要統一的管理和分配,這就需要記憶體管理子系統(Memory Management Subsystem)。

如果想直觀地瞭解QQ如何使用CPU和記憶體,可以開啟工作管理員,你就能看到QQ這個程式耗費的CPU和記憶體。

專案執行的時候,有了一定的成果,就要給客戶演示。例如客戶說要做個應用,我們做出來了要給客戶看看,如果客戶說哪裡需要改,可以根據客戶的需求再改,這就需要交付人員了。

QQ啟動之後,有一部分程式碼會在顯示器上畫一個對話方塊,並且將鍵盤的焦點放在了輸入框裡面。CPU根據這些指令,就會告知顯示卡驅動程式,將這個對話方塊畫出來。

於是使用QQ的使用者就會很開心地發現,他能和別人開始聊天了。

當使用者通過鍵盤噼裡啪啦打字的時候,鍵盤也是輸入裝置,也會觸發中斷,通知相應的輸入裝置驅動程式。

我們假設使用者輸入了一個“a”。這就像客戶提出了新的需求給客戶對接員。客戶對接員收到需求後,因為是對接這個專案的,因而就回來報告,客戶提新需求了,專案組需要處理一下。專案執行計劃書裡面一般都會有當遇到何種需求應該怎麼做的規定,專案組就按這個規定做了,然後讓交付人員再去客戶那裡演示就行了。

對於QQ來講,由於鍵盤閃啊閃的焦點在QQ這個對話方塊上,因而作業系統知道,這個事件是給這個程式的。QQ的程式碼裡面肯定有遇到這種事件如何處理的程式碼,就會執行。一般是記錄下客戶的輸入,並且告知顯示卡驅動程式,在那個地方畫一個“a”。顯示卡畫完了,客戶看到了,就覺得自己的輸入成功了。

當使用者輸入完畢之後,回車一下,還是會通過鍵盤驅動程式告訴作業系統,作業系統還是會找到QQ,QQ會將使用者的輸入傳送到網路上。QQ程式是不能直接傳送網路包的,需要呼叫系統呼叫,核心使用網路卡驅動程式進行傳送。

這就像客戶對接員接到一個需求,但是這個需求需要和其他公司溝通,這就需要依靠公司的對外合作部,對外合作部在辦事大廳有專門的視窗,非常方便。

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總結

到這裡,一個外包公司大部分的職能部門都湊齊了。你可以對應著下圖的作業系統核心體系結構,回顧一下它們是如何組成一家公司的。

QQ的執行過程,只是一個簡單的比喻。在後面的章節中,我會展開講述每個部分是怎麼工作的,最後我會再將這個過程串起來,這樣你就能瞭解作業系統的全貌了。

作業系統核心體系結構圖

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參考

趣談Linux作業系統

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