01操作系统要学什么操作系统的重要性当然不止于此。如果深入研究，就会发现操作系统在整个计算机科学体系中处于非常关键的位置。计算机科学的学科那么多，但总的来说，可以分为两部分，一是硬件，一是软件。这两个部分都喜欢玩自己的东西。说中间有次元壁也不为过。但它们都在一个系统中，所以我们必须想办法打破次元壁。谁来做这项重要的工作？它是操作系统。因此，从架构上看，忧虑系统处于所有硬件的顶端，所有软件的底部，是一个“跨界”的角色。操作系统很重要，那么作为一门学科，难不难学？人们的态度走向两个极端。一方面，人们认为操作系统没有什么可学的。不就是点一下鼠标，划一下玻璃吗？课程不一定教得认真，大学开设专业课也未必太夸张了。另一边的人认为操作系统太难了。操作系统的玩家要么是Linus这样的行业巨头，要么是微软、谷歌这样的行业巨头。萌新小本只能浑身发抖。这些观点是否正确？理解上有些偏差。我们平时说的“安装操作系统”，这里的“操作系统”，准确的说应该叫“操作系统产品”，而操作系统课程的主要内容就是操作系统的内核原理。操作系统产品和操作系统内核的关系有点像电脑和CPU。没有它就无法工作，也不能单独工作。一个操作系统产品首先要有一个操作系统内核，但光靠内核是不能用的，还得加上配套的外围功能。虽名为“周边配套”，但并不代表可有可无。大多数我们熟悉的操作系统功能，其实都是“外设支持”。比如我们最熟悉的“桌面”，上面放着漂亮的壁纸，上面摆满了各种图标，是操作系统的主要用户界面，术语叫做图形用户界面（GraphicalUserInterface，简称GUI）。那个自以为“精通操作系统”的同学其实只是精通了GUI的使用，对不起，GUI不在操作系统内核中。不过，话虽如此，虽然有“操作系统内核”这样的名词，但并不代表所谓的“内核”与“外设”之间有明确的界限。在操作系统中，一直存在宏内核和微内核两条路线的争论。争论的焦点是什么应该包括在“内核”中，什么应该算作外设。微内核的思想，顾名思义，就是尽量减少内核需要提供的服务，只负责最基本的功能，赶上应用服务、驱动、GUI，甚至一些功能感觉很基本，例如文件系统服务。出内核。这样做的好处是灵活方便。比如你要提供新的服务，直接添加就可以了。不需要对内核做额外的改动，但是缺点也很突出。所有的功能都被驱赶出去了。还需要在内核态和用户态之间切换。模式切换会增加额外的开销并导致性能损失。因此，有人提倡将所有常用的功能都包含进来。这就是宏内核。Windows更早使用了微内核架构，把GUI赶了出去。结果性能损失不堪，又重新找回来。直到现在，GUI仍然是Windows内核的一部分。02操作系统核心内容操作系统课程主要学习操作系统的内核。的确，操作系统的功能越来越丰富，操作系统内核也越来越复杂。操作系统界有一本很有名的书叫《Windows Internals》，讲的是Windows操作系统的功能原理。从本书中，我们可以看到操作系统的一个变化趋势。《Windows Internals》紧随Windows的革新，Windows在不断的更新，本书也在不断的再版。一个看得见的变化是书越来越厚了。现在最新版干脆把一本书分成两册，内容太多了。一块砖已经不够了。这还只是Windows，现在是移动互联网时代，一半以上的操作系统被iOS和Android占据，并且以一年一个版本的速度迭代。学的知识不是无穷无尽的吗？其实不用着急，操作系统确实发展很快，但核心还是那些老兄弟。操作系统有一本很经典的教科书，只要你问，肯定有人推荐，叫《Operating System Concept》，中文翻译成《操作系统概念》。因本书封面绘有恐龙，学术界又称“恐龙书”。恐龙书不仅介绍了操作系统知识，还以研究案例的形式介绍了“当前主流操作系统”。当然，恐龙书从第一版发展到第九版，书中的“当前主流操作系统”也一改再改，默默记录着操作系统的变迁与发展。不过我对比了几个版本，最新的版本增加了很多知识点，增加了一些新的内容，涵盖了iOS、Android等移动操作系统，但是主要的知识结构并没有太大的调整。研究的对象和问题还是之前出现的那些。他们是哪一个？只有三个：进程、内存和存储。操作系统最重要的功能是“管理”。具体来说就是两个任务，资源分配和资源调度。管理的核心对象是什么？这是三个对应的硬件：CPU、内存和硬盘，仔细想想就知道这三个也是计算机中的三个句柄子组件。我们说恐龙书是经典，其中一个地方就体现在对操作系统知识体系的划分上。当然，恐龙书会围绕这三个核心对象，为它们一一设置单元，再加上现在大家关心的本质介绍、安全性，以及前面提到的案例分析，就构成了恐龙书。最新第九版六大知识板块。作为一个操作系统爱好者，操作系统的书看了很多，有的偏重于原理，有的偏重于实例，也有新的，比如设置独立的章节，但是不管是哪本书，进程，内存，存储（也叫外存）始终是本书的三大主线。总而言之，学习操作系统首先要掌握进程、内存和存储来学习和理解。03如何学习操作系统既然进程、内存、存储是操作系统的三大核心对象，那么具体应该如何学习呢？一句话回答：带着问题学习。这里的“带着问题学习”和我们平时说的不一样。在操作系统中，进程、内存和存储都有各自需要关注的问题。以进程为例，进程在操作系统中是一个比较抽象的概念，所以大部分操作系统的教科书都会不遗余力地给进程下一堆定义，试图用文字解释清楚什么是进程。但是效果总是不太好，不容易让大家看懂，容易晕。毕竟，“抽象”意味着如果你理解它，你就会立即理解它。我认为没有必要过分担心流程的定义。关键是功能。一开始只需要记住进程对应CPU即可。计算机所谓的“计算”就是指CPU的运算，那么运算的内容是什么呢？这就是过程。本来这个过程并不复杂，似乎也没什么问题，但后来人们想出了“多进程”，一个CPU可以“同时”运行多个进程。但这个“同时”并不是真正的同时。用术语来说，是并发执行而不是并行执行。结果，它变得复杂，问题随之而来。进程多了，CPU却只有一个。有一个多对一的竞争问题，这是所有问题的根源。然后，该过程围绕竞争条件产生了许多问题。首先是调度问题。调度是操作系统的一个大问题。书上肯定会告诉你，一个流程有很多状态，有的还画成状态转移图，各种线条飞来飞去，看得眼花缭乱。感觉很难，但是我觉得把握了背后的逻辑之后，这些看似杂乱的知识点就清晰的串在了一起。在这里，我们只需要密切关注竞争问题即可。正是因为进程和CPU不再是一一对应的关系，才需要进行调度。所谓调度，就是杂技中用两只手打五个球。区分被拾起、准备抛出和停在空中的情况，因此也需要根据情况为流程设计不同的状态。调度的具体工作就是想办法让处于这些状态的进程来回迁移，最终造成CPU在同时执行多个进程的错觉。进程下面是线程，现在我们已经创建了协程和纤程。我不知道将来还会创建什么其他进程。但是，目的只有一个，更充分的利用CPU时间，而且很难避免一个问题，就是调度问题。调度本身并不难，难的是调度原则的设计。谁上谁下，执行多久，等多久，都需要一一考虑。最困难的部分是调度没有最优解。在此条件下，设计了一个很好的调度方案。进程除了争CPU，还争资源。例如，两个或多个进程可能需要同时读写同一个文件。我们熟悉的多对一关系会导致熟悉的竞争问题。有调度问题，到资源的时候就会导致同步问题和死锁问题。同步问题非常简单。既然要安排流程，肯定是没有办法一口气完成的。比如读写一个文件，读到一半就被替换掉。下次替换的时候，发现其他进程也在读写这个文件的时候，内容变了。多线程有个默契，就是前后台环境要一致。你从CPU换我我不反对，但是你要保证我所处的环境是一样的。不要像雍正一样一觉醒来就找清朝。死了以后就没法按照剧本来了。那如何保证一致性呢？这是一个同步问题。方法包括互斥量、信号量等。死锁问题听起来有点复杂。书中花了很多笔墨，但内容还是不太好懂。其实并不复杂。我们喜欢在小区门口看到的堵车，就是死路一条。小区门口只有一条车道，早高峰大家都要排队出门。如果一辆车从外面回来，当它到达大门时拒绝让路，它就会被堵在车流中。在操作系统方面，它是一个死锁。.前面说过，为了解决同步问题，我们会采用互斥锁等方法。简单的说，当多个进程需要使用同一个资源时，只有当前正在使用的进程才会被用完，术语上就是资源释放。只有这样才能使用后续工艺。这样做的好处当然是保证了一致性，但是坏处是会导致另外一个问题，就是死锁问题。走前面小区的出口，说清楚。当然，单车道是相互排斥的，要么只进，要么只出，不可能同时进出。如果两端进来的车占了车道的一半，结果就是想进来的进不去，想出去的出不来，两端都堵死了，就是死锁。那么怎么解决死锁问题呢，大体有两个方向，一个是避免死锁，从根本上解决这个问题，但是比较难。另一个是想办法及时检测和发现已经发生的死锁，然后进行恢复。但是怎么才能及时发现死锁呢？这是操作系统方向需要研究的另一个问题。
