程式設計師需要了解的硬核知識之作業系統和應用

cxuan發表於2019-11-19

利用計算機執行程式大部分都是為了提高處理效率。例如，Microsoft Word 這樣的文書處理軟體，是用來提高文字檔案處理效率的程式，Microsoft Excel 等表格計算軟體，是用來提高賬本處理效率的程式。這種為了提高特定處理效率的程式統稱為 應用

程式設計師的工作就是編寫各種各樣的應用來提高工作效率，程式設計師一般不編寫作業系統，但是程式設計師編寫的應用離不開作業系統，此篇文章我們就針對 Windows 作業系統來說明一下作業系統和應用之間的關係。

作業系統功能的歷史

作業系統其實也是一種軟體，任何新事物的出現肯定都有它的歷史背景，那麼作業系統也不是憑空出現的，肯定有它的歷史背景。

在計算機尚不存在作業系統的年代，完全沒有任何程式，人們通過各種按鈕來控制計算機，這一過程非常麻煩。於是，有人開發出了僅具有載入和執行功能的監控程式，這就是作業系統的原型。通過事先啟動監控程式，程式設計師可以根據需要將各種程式載入到記憶體中執行。雖然仍舊比較麻煩，但比起在沒有任何程式的狀態下進行開發，工作量得到了很大的緩解。

隨著時代的發展，人們在利用監控程式編寫程式的過程中發現很多程式都有公共的部分。例如，通過鍵盤進行文字輸入，顯示器進行資料展示等，如果每編寫一個新的應用程式都需要相同的處理的話，那真是太浪費時間了。因此，基本的輸入輸出部分的程式就被追加到了監控程式中。初期的作業系統就是這樣誕生了。

類似的想法可以共用，人們又發現有更多的應用程式可以追加到監控程式中，比如硬體控制程式，程式語言處理器(彙編、編譯、解析)以及各種應用程式等，結果就形成了和現在差異不大的作業系統，也就是說，其實作業系統是多個程式的集合體。

我在程式設計師需要了解的硬核知識之CPU這篇文章中提到了組合語言，這裡簡單再提一下。
組合語言是一種低階語言，也被稱為符號語言。組合語言是第二代計算機語言，在組合語言中，用助記符代替機器指令的操作碼，用地址符號或標號代替指令或運算元的地址。用一些容易理解和記憶的字母，單詞來代替一個特定的指令，比如：用ADD代表數字邏輯上的加減，MOV代表資料傳遞等等，通過這種方法，人們很容易去閱讀已經完成的程式或者理解程式正在執行的功能，對現有程式的bug修復以及運營維護都變得更加簡單方便

可以說共用思想真是人類前進的一大步，對於解放生產力而言簡直是太重要了。

要把作業系統放在第一位

對於程式設計師來說，程式設計師創造的不是硬體，而是各種應用程式，但是如果程式設計師只做應用不懂硬體層面的知識的話，是無法成為硬核程式設計師的。現在培訓機構培養出了一批怎麼用的人才，卻沒有培訓出為什麼這麼做的人才，畢竟為什麼不是培訓機構教的，而是學校教的，我很相信耗子叔說的話：學習沒有速成這回事。言歸正題。

在作業系統誕生之後，程式設計師不需要在硬體層面考慮問題，所以程式設計師的數量就增加了。哪怕自稱對硬體一竅不通的人也可能製作出一個有模有樣的程式。不過，要想成為一個全面的程式設計師，有一點需要清楚的就是，掌握硬體的基本知識，並藉助作業系統進行抽象化，可以大大提高程式設計效率。

下面就看一下作業系統是如何給開發人員帶來便利的，在 Windows 作業系統下，用 C 語言製作一個具有表示當前時間功能的應用。time() 是用來取得當前日期和時間的函式，printf() 是把結果列印到顯示器上的函式，如下：

#include <stdio.h>
#include <time.h>

void main(){
  // 儲存當前日期和時間資訊
  time_t tm;
  
  // 取得當前的日期和時間
  time(&tm);
  
  // 在顯示器上顯示日期和時間
  printf("%s\n", ctime(&tm));
}

讀者可以自行執行程式檢視結果，我們主要關注硬體在這段程式碼中做了什麼事情

通過 time_t tm，為 time_t 型別的變數申請分配記憶體空間；
通過 time(&tm) ，將當前的日期和時間資料儲存到變數的記憶體空間中
通過 printf("%sn"，ctime(&tm))，把變數記憶體空間的內容輸出到顯示器上。

應用的可執行檔案指的是，計算機的 CPU 可以直接解釋並執行的原生程式碼，不過這些程式碼是無法直接控制硬體的，事實上，這些程式碼是通過作業系統來間接控制硬體的。變數中涉及到的記憶體分配情況，以及 time() 和 printf() 這些函式的執行結果，都不是面向硬體而是面向作業系統的。作業系統收到應用發出的指令後，首先會對該指令進行解釋，然後會對 時鐘IC 和顯示器用的 I/O 進行控制。

計算機中都安裝有儲存日期和時間的實時時鐘(Real-time clock)，上面提到的時鐘IC 就是值該實時時鐘。

系統呼叫和程式語言的移植性

作業系統控制硬體的功能，都是通過一些小的函式集合體的形式來提供的。這些函式以及呼叫函式的行為稱為系統呼叫，也就是通過應用進而呼叫作業系統的意思。在前面的程式中用到了 time() 以及 printf() 函式，這些函式內部也封裝了系統呼叫。

C 語言等高階程式語言並不依存於特定的作業系統，這是因為人們希望不管是Windows 作業系統還是 Linux 作業系統都能夠使用相同的原始碼。因此，高階程式語言的機制就是，使用獨自的函式名，然後在編譯的時候將其轉換為系統呼叫的方式（也有可能是多個系統呼叫的組合）。也就是說，高階語言編寫的應用在編譯後，就轉換成了利用系統呼叫的原生程式碼。

不過，在高階語言中也存在直接呼叫系統呼叫的程式語言，不過，利用這種方式做成應用，移植性並不友好。

移植性：移植性指的是同樣的程式在不同作業系統下執行時所花費的時間，時間越少證明移植性越好。

作業系統和高階程式語言使硬體抽象化

通過使用作業系統提供的系統呼叫，程式設計師不必直接編寫控制硬體的程式，而且，通過使用高階程式語言，有時也無需考慮系統呼叫的存在，系統呼叫往往是自動觸發的，作業系統和高階程式語言能夠使硬體抽象化，這很了不起。

下面讓我們看一個硬體抽象化的具體例項

#include <stdio.h>

void main(){
  
  // 開啟檔案
  FILE *fp = fopen("MyFile.txt","w");
  
  // 寫入檔案
  fputs("你好", fp);
  
  // 關閉檔案
  fclose(fp);
}

上述程式碼使用 C 編寫的程式，fputs() 是用來往檔案中寫入字串的函式，fclose() 是用來關閉檔案的函式。

上述應用在編譯執行後，會向檔案中寫入 "你好" 字串。檔案是作業系統對磁碟空間的抽象化，就如同我們在程式設計師需要了解的硬核知識之磁碟這篇文章提到的一樣，磁碟就如同樹的年輪，磁碟的讀寫是以扇區為單位的，通過磁軌來定址，如果直接對硬體讀寫的話，那麼就會變為通過向磁碟用的 I/O 指定扇區位置來對資料進行讀寫了。

但是，在上面程式碼中，扇區壓根就沒有出現過傳遞給 fopen() 函式的引數，是檔名 MyFile.txt 和指定檔案寫入的 w。傳遞給 fputs() 的引數，是往檔案中寫入的字串"你好" 和 fp，傳遞給 fclose() 的引數，也僅僅是 fp，也就是說磁碟通過開啟檔案這個操作，把磁碟抽象化了，開啟檔案這個操作就可以說是操作硬體的指令。

下面讓我們來看一下程式碼清單中 fp 的功能，變數 fp 中被賦予的是 fopen() 函式的返回值，該值被稱為檔案指標。應用開啟檔案後，作業系統就會自動申請分配用來管理檔案讀寫的記憶體空間。記憶體地址可以通過 fopen() 函式的返回值獲得。用 fopen() 開啟檔案後，接下來就是通過制定的檔案指標進行操作，正因為如此，fputs() 和 fclose() 以及 fclose() 引數中都制定了檔案指標。

由此我們可以得出一個結論，應用程式是通過系統呼叫，磁碟抽象來實現對硬碟的控制的。

Windows 作業系統的特徵

Windows 作業系統是世界上使用者數量最龐大的群體，作為 Windows 作業系統的資深使用者，你都知道 Windows 作業系統有哪些特徵嗎？下面列舉了一些 Windows 作業系統的特性

Windows 作業系統有兩個版本：32位和64位
通過 API 函式整合來提供系統呼叫
提供了採用圖形使用者介面的使用者介面
通過 WYSIWYG 實現列印輸出，WYSIWYG 其實就是 What You See Is What You Get ，值得是顯示器上顯示的圖形和文字都是可以原樣輸出到印表機列印的。
提供多工功能，即能夠同時開啟多個任務
提供網路功能和資料庫功能
通過即插即用實現裝置驅動的自設定

這些是對程式設計師來講比較有意義的一些特徵，下面針對這些特徵來進行分別的介紹

32位作業系統

這裡表示的32位作業系統表示的是處理效率最高的資料大小。Windows 處理資料的基本單位是 32 位。這與最一開始在 MS-DOS 等16位作業系統不同，因為在16位作業系統中處理32位資料需要兩次，而32位作業系統只需要一次就能夠處理32位的資料，所以一般在 windows 上的應用，它們的最高能夠處理的資料都是 32 位的。

比如，用 C 語言來處理整數資料時，有8位的 char 型別，16位的short型別，以及32位的long型別三個選項，使用位數較大的 long 型別進行處理的話，增加的只是記憶體以及磁碟的開銷，對效能影響不大。

現在市面上大部分都是64位作業系統了，64位作業系統也是如此。

通過 API 函式集來提供系統呼叫

Windows 是通過名為 API 的函式集來提供系統呼叫的。API是聯絡應用程式和作業系統之間的介面，全稱叫做 Application Programming Interface,應用程式介面。

當前主流的32位版 Windows API 也稱為 Win32 API，之所以這樣命名，是需要和不同的作業系統進行區分，比如最一開始的 16 位版的 Win16 API，和後來流行的 Win64 API 。

API 通過多個 DLL 檔案來提供，各個 API 的實體都是用 C 語言編寫的函式。所以，在 C 語言環境下，使用 API 更加容易，比如 API 所用到的 MessageBox() 函式，就被儲存在了 Windows 提供的 user32.dll 這個 DLL 檔案中。

提供採用了 GUI 的使用者介面

GUI(Graphical User Interface) 指得就是圖形使用者介面，通過點選顯示器中的視窗以及圖示等視覺化的使用者介面，舉個例子：Linux 作業系統就有兩個版本，一種是簡潔版，直接通過命令列控制硬體，還有一種是視覺化版，通過游標點選圖形介面來控制硬體。

通過 WYSIWYG 實現列印輸出

WYSIWYG 指的是顯示器上輸出的內容可以直接通過印表機列印輸出。在 Windows 中，顯示器和印表機被認作同等的圖形輸出裝置處理的，該功能也為 WYSIWYG 提供了條件。

藉助 WYSIWYG 功能，程式設計師可以輕鬆不少。最初，為了是現在顯示器中顯示和在印表機中列印，就必須分別編寫各自的程式，而在 Windows 中，可以藉助 WYSIWYG 基本上在一個程式中就可以做到顯示和列印這兩個功能了。

提供多工功能

多工指的就是同時能夠執行多個應用程式的功能，Windows 是通過時鐘分割技術來實現多工功能的。時鐘分割指的是短時間間隔內，多個程式切換執行的方式。在使用者看來，就好像是多個程式在同時執行，其底層是 CPU 時間切片，這也是多執行緒多工的核心。

提供網路功能和資料庫功能

Windows 中，網路功能是作為標準功能提供的。資料庫(資料庫伺服器)功能有時也會在後面追加。網路功能和資料庫功能雖然並不是作業系統不可或缺的，但因為它們和作業系統很接近，所以被統稱為中介軟體而不是應用。意思是處於作業系統和應用的中間層，作業系統和中介軟體組合在一起，稱為系統軟體。應用不僅可以利用作業系統，也可以利用中介軟體的功能。