什么是操作系统

“吴大哥，什么是操作系统？” 陈小速急切地想知道答案。

吴进并没有直接回答这个问题，而是问道：“小速，你有没有想过，如果没有操作系统，程序会怎么运行？”

“没有操作系统？那程序能运行得起来吗？” 陈小速觉得有些不可思议。

“怎么不行呢？” 吴进说着笑了起来，“还记得我们讨论CPU的结构与指令吗，程序不就是一条条指令的集合吗？”

“啊，对，想起来了。” 陈小速拍了拍脑袋，接着说，“但那样的话，计算机就很难操作和使用了啊。比方说我要做最简单的加法运算，就需要把四条指令装载到内存里，然后让CPU去计算。但一次只能执行一个程序，要执行另一个程序，那还得断电把数据擦除，再加载新程序。太麻烦了吧。”

“对嘛，你这不是道出了操作系统的一个本质特征吗？它就是机器与应用之间的界面，也可以叫做接口。当然，还可以看成是机器与人之间的窗口，微软的Windows可谓取了个很贴切的名字。”

“嘿，吴大哥，我明白你的意思了，” 陈小速兴奋起来，“就是说操作系统向用户屏蔽了对硬件操作的细节，这让普通用户可以专注于做自己的工作。那这么说，操作系统对于计算机的普及来说太重要了啊，没有它的话，计算机的能力发挥不出来啊。”

“非常正确，接下来我们说一说操作系统的两大核心功能吧。”

进程管理

“还是先从咱们上面讨论的内容里，提一个问题吧。就是小速你刚才说的，如果没有操作系统，那么程序只能单独运行，而且切换也很麻烦。那么有了操作系统，程序可以怎么运行呢？” 吴进提出了问题。

这一次，陈小速没有马上开口，而是埋头思考起来，吴进也没有打扰他。过了十分钟，陈小速才抬起头来，有些犹疑地说：“我胡乱说两句啊。就是操作系统可以先把磁盘上的程序文件加载到内存里，然后交给CPU去一个接一个地执行，像排队一样，是吗？”

“原理上是没错，但小速你用电脑的时候，会不会一边浏览网页，一边听音乐呢？”

“肯定的啊。对啦，问题就在这儿了，CPU一次只能让一个程序执行，多个程序同时在运行，这是怎么做到的？” 陈小速马上意识到了这个问题。

“这就是操作系统的一个基本功能了，就是进程管理。” 吴进开始详细说明。

程序本身是一组指令的集合，一般是以文件的形式存在磁盘上。当程序被选中执行时，会进入作业状态。作业过程是指程序被操作系统纳入进程管理中，可能是在执行或者待执行状态，直到程序完全退出，作业过程也就终止了。

作业如果被操作系统选中加载到内存中，那么此时就可以称之为进程了。进程顾名思义，就是正在运行中的程序，它要么是占据CPU在执行，要么就是等待CPU被释放。

进程有三个状态，分别是就绪态、运行态和等待态。就绪态指的是资源都已经得到满足，就等着占用CPU进行运算了。而在CPU上运行的，则就是运行态。当产生中断或者有I/O请求时，进程会转到等待态，一直等到资源满足了，才再次进入就绪态。

需要注意的是，运行态有可能转到就绪态或等待态，但等待态只能转为就绪态。也就是说，进程必须在就绪态之后，才能进入运行。

有了进程管理，多个程序在宏观上就可以有同时运行的效果。这还是得益于CPU超快的计算能力，操作系统在一秒内就可以将进程进行亿次的切换。那么对于人类用户来说，使用计算机的体验就是并行工作，哪件事都不会耽误。

吴进说着就画下了进程调度的流程图。

进程调度

内存管理

看着上面那张图，陈小速如获至宝，一直琢磨个不停。吴进说：“好了，小速你回去以后可以有针对性地找资料，去研究进程调度的细节了，我们接下来再讨论操作系统的另一个核心功能吧，就是内存管理。”

“啊，对，内存管理又是干什么的？” 陈小速回过神来，提出了这个问题。

“在回答这个问题之前，我先说明一下内存的物理特性。你攒机的时候最关注的内存指标就是容量是吧，例如16G、32G。它的单位是字节，一个G是1024M字节，一M是1024K字节，一K是1024字节，一个字节是8位，你大概可以知道这能容纳多少数据。

1G = 1024M1M = 1024K1K = 1024Byte1Byte = 8bit

“内存条本身就像按顺序排列的一列水桶，每个桶子都有一个地址，而且可以存放数据。CPU可以通过地址访问任何水桶，也就是任意一个内存的地址，进行数据的读取操作。”

陈小速点着头，这个比方很形象，很好理解。

吴进接着说：“那么，我就要先提出一个问题了。为了简化讨论，我们假设现在有一台机器，它的内存空间是1G。而我们这台机器上会同时运行两个程序，每个程序都要使用1G的内存空间，应该怎么办？”

“怎么办？这个没办法运行吧……” 陈小速脱口而出了这句话，不过看着吴进温和的笑容，他知道这个回答肯定不对，挠了挠头，又自己想了会。

陈小速有些信心不足地开口说：“吴大哥，我猜可能也是类似进程管理吧。例如CPU只有一个，而为了让多个程序同时运行，就不停地来回切换，像这样的管理方式？”

“从原理上来看，其实差不多。” 吴进先表示了肯定，“这在操作系统里，叫做虚拟内存技术。它的原理就是让每个程序都认为自己可访问的空间是1G，而且内存地址都是一致的。只有在实际运行的时候，才会将程序所需的指令代码和数据加载至物理内存中。

“当程序要使用内存时，它访问的是虚拟内存地址，而操作系统会将虚拟内存映射至实际的物理内存。通过这种方式，程序就不必考虑实际运行时，还有多少可用物理内存了，只要专注于自身的逻辑实现就好。”

“啊，这个原理我弄明白了。” 陈小速一边点头一边说，但他也想到了一个问题，“那操作系统是怎么把物理内存分配给程序的呢？是一次给一大块，还是一点一点给？”

“这个问题很好，” 吴进笑着说，“现代操作系统对于内存分配通常都是基于分段与分页式调度管理。它们也是实现虚拟内存技术的基础。操作系统会将内存按照固定大小分成块，这样的块被称为帧。比方说一帧的大小是4KB。”

陈小速在脑海里浮现出拉开相机胶卷的画面。

“那么好了，程序运行需要占用内存，那操作系统就将程序也分片放在4KB的空间中，这称为页。借助虚拟内存技术，程序运行时的页空间是连续的，但映射到帧上是可以不连续的，小速你看下这张图。” 吴进说着，又画了一张图。

分页管理

陈小速一看就明白了这个意思，吴进接着说：“那分段管理呢，就是将若干页合并起来，成为一个段，段的大小也是固定的。逻辑上可以按照子程序划分，分配段内存给它。然后在子程序内部，又按照分页方式进行管理。”

陈小速不住地点头，又问道：“那段大小是固定的，会不会在分配的时候会造成浪费呢？”

“你说得很对，” 吴进发现陈小速果然注意到了这一点，“所以原理说起来简单，但操作系统在实现的时候就有许多细节要处理好。那就要通过算法来做到，将浪费减小到最少，同时还要保证稳定性和健壮性。”

结语

“小速，今天我们学习了操作系统两个最核心的功能，进程管理与内存管理。其他还有存储管理的文件系统、IO系统，用户界面等方面。希望今天给你开这个头，你回去以后再继续学习，逐渐理解操作系统的主要功能和设计哲学。”

“好的，吴大哥。这学习理论和编程实现之间，是不是就像是知道牛顿三大运动定律，和造出能飞上天的火箭之间的区别一样啊？” 陈小速搔着脑袋问。

吴进不由得哈哈大笑，“真的可以这么说，但任何一个火箭工程师，也必须从学习三大定律开始，对吧？”

“没错，那我这就回去好好把基础理论学好！” 陈小速下定决心要啃下操作系统的知识来。