操作系統(tǒng)原理

 

我們每天都同操作系統(tǒng)打交道，了解一些操作系統(tǒng)原理上的知識是絕對有必要的，它可以讓你了解操作系統(tǒng)內(nèi)部是怎么工作的，為什么會出現(xiàn)這樣那樣的問題，為我們解決這些問題提供思路。
    本文完全是為普通電腦用戶寫的，省略了所有難以理解的算法、原理，沒有太多細節(jié)上的東西，只是針對普通電腦用戶可能感興趣的問題給出了實現(xiàn)思想。寫這些東西只是我的一相情愿，就怕我還是寫得深了些，初學者讀不懂。如果這10K文字能讓你對操作系統(tǒng)有更深的了解，那也就不枉了這幾個汗流浹背的夏日午后了。

Q: 什么是中斷？
A:中斷嘛，舉個容易理解的例子吧。
   比如蓮蓮和唐唐在下象棋，眼看蓮蓮就快招架不住了，正當此緊要關頭，唐
唐的女友來了，非要唐唐陪她上街買衣服不可（唐唐暈倒:-) ），于是唐唐
不得不同蓮蓮商量，先把棋盤封了，待買完衣服后繼續(xù)戰(zhàn)斗。掌燈時分，唐
唐帶著滿臉疲憊回到了棋盤前，結果蓮蓮不費吹灰只力便反敗為勝。
這就是整個中斷過程。我們來看看中斷過程是如何發(fā)生的：
  1)中斷請求：唐唐的女友要他逛街
  2)中斷響應：唐唐準備放下棋局陪女友逛街
  3)現(xiàn)場保護：先把棋盤封了
  4)中斷處理：唐唐陪女友逛街買衣服
  5)恢復現(xiàn)場：把棋盤解封
  6)中斷返回：繼續(xù)戰(zhàn)斗
  在計算機中，中斷機制是非常重要的，它用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)對各種外部事件的響
應和處理，并且是實現(xiàn)多任務的必要條件?？梢赃@么說，如果沒有中斷機制，
就沒有計算機。噢，對了，如果唐唐把棋移到密室中下，不讓他的女友打擾，
這就叫“中斷屏蔽”。

Q:RING3 、 RING0 是什么意思？
A:這得從CPU指令系統(tǒng)（用于控制CPU完成各種功能的命令）的特權級別說起。
在CPU的所有指令中，有一些指令是非常危險的，如果錯用，將導致整個系統(tǒng)
崩潰。比如：清內(nèi)存、設置時鐘等。如果所有的程序都能使用這些指令，那
么你的系統(tǒng)一天死機n回就不足為奇了。所以，CPU將指令分為特權指令和非
特權指令，對于那些危險的指令，只允許操作系統(tǒng)及其相關模塊使用，普通
的應用程序只能使用那些不會造成災難的指令。形象地說，特權指令就是那
些兒童不宜的東東，而非特權指令則是老少皆宜。
   Intel的CPU將特權級別分為4個級別：RING0,RING1,RING2,RING3。Windows只
使用其中的兩個級別RING0和RING3，RING0只給操作系統(tǒng)用，RING3誰都能用。
如果普通應用程序企圖執(zhí)行RING0指令，則Windows會顯示“非法指令”錯誤信
息。盡管有CPU的特權級別作保護，遺憾的是WINDOW98本身漏洞很多，使用
Windows 98的系統(tǒng)一天死機n回也是正常的。

Q: 為什么要有操作系統(tǒng)？
A:哈哈，難道你還沒感受到操作系統(tǒng)的魅力嗎？因為有了象Windows這樣優(yōu)秀的
操作系統(tǒng)，我們的機器才一天到晚地出問題——這個那個的問題，我們才需
要一天到晚地重裝Windows，這樣才使我們牢牢地記住了象微軟這樣的公司的
名字，和象比爾蓋茨這樣優(yōu)秀的程序員兼老板的名字……

   好了，說正經(jīng)的，盡管Windows不穩(wěn)定，但絕對不能否認它是當今最優(yōu)秀的操
作系統(tǒng)之一。操作系統(tǒng)在計算機中起著重要作用，它為所有的應用程序提供
一個運行環(huán)境，并將應用程序同具體硬件隔離。比如在機器中換一塊聲卡，只
需要重新安裝一下聲卡驅動程序就完事了，但如果沒有操作系統(tǒng)，你就必須
為這塊新的聲卡重新購買所有的應用程序，以便這些應用程序能夠認識這塊聲
卡并能夠使用它。
   操作系統(tǒng)就象計算機的大管家，管理著計算機的各種資源，比如內(nèi)存、磁盤、
CPU等。應用程序想使用這些資源，都必須經(jīng)過操作系統(tǒng)同意（資源申請），
并且由操作系統(tǒng)統(tǒng)一安排使用時間（資源分配），應用程序用完后必須將資源
還給操作系統(tǒng)（資源回收），以便其他應用程序使用。就這樣，計算機系統(tǒng)在
操作系統(tǒng)的管理下以最可能高的效率有條不紊地工作著。

Q: 什么叫進程？進程同程序有什么區(qū)別？
A:進程是程序在計算機上的一次執(zhí)行活動。當你運行一個程序，你就啟動了一個
進程。顯然，程序是死的（靜態(tài)的），進程是活的（動態(tài)的）。
進程可以分為系統(tǒng)進程和用戶進程。凡是用于完成操作系統(tǒng)的各種功能的進程
就是系統(tǒng)進程，它們就是處于運行狀態(tài)下的操作系統(tǒng)本身；用戶進程就不必我
多講了吧，所有由你啟動的進程都是用戶進程。
進程是操作系統(tǒng)進行資源分配的單位。在Windows
下，進程又被細化為線程，也就是一個進程下有多個能獨立運行的
更小的單位。

Q: 什么是多任務？
A:在同一個時間里，同一個計算機系統(tǒng)中如果允許兩個或兩個以上的進程處于運
行狀態(tài)，這便是多任務?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)幾乎都是多任務操作系統(tǒng)，能夠同時
管理多個進程的運行。多任務帶來的好處是明顯的，比如你可以邊聽mp3邊上網(wǎng)，
與此同時甚至可以將下載的文檔打印出來，而這些任務之間絲毫不會相互干擾。

Q: 什么是 “ 并發(fā) ” ？什么是 “ 并行 ” ？
A:俗話說，一心不能二用，這對計算機也一樣，原則上一個CPU只能分配給一個
進程，以便運行這個進程。我們通常使用的計算機中只有一個CPU，也就是說
只有一顆心，要讓它一心多用，同時運行多個進程，就必須使用并發(fā)技術。
實現(xiàn)并發(fā)技術相當復雜，最容易理解的是“時間片輪轉進程調(diào)度算法”，它
的思想簡單介紹如下：
   在操作系統(tǒng)的管理下，所有正在運行的進程輪流使用CPU，每個進程允許占用
CPU的時間非常短（比如10毫秒），這樣用戶根本感覺不出來CPU是在輪流為
多個進程服務，就好象所有的進程都在不間斷地運行一樣。但實際上在任何
一個時間內(nèi)有且僅有一個進程占有CPU。如果一臺計算機有多個CPU，情況就不同
了，如果進程數(shù)小于CPU數(shù)，則不同的進程可以分配給不同的CPU來運行，這樣，
多個進程就是真正同時運行的，這便是并行。但如果進程數(shù)大于CPU數(shù)，則仍然需 
要使用并發(fā)技術。在Windows中，進行CPU分配是以線程為單位的，一個進程可能 
由多個線程組成，這時情況更加復雜，但簡單地說，有如下關系：
總線程數(shù) <= CPU數(shù)量：并行運行
總線程數(shù) > CPU數(shù)量：并發(fā)運行
   并行運行的效率顯然高于并發(fā)運行，所以在多CPU的計算機中，多任務的效率
比較高。但是，如果在多CPU計算機中只運行一個進程（線程），就不能發(fā)揮多 
CPU的優(yōu)勢。值得注意的是，Windows 9x并不支持多CPU系統(tǒng)，如果在多CPU系統(tǒng)   
上安裝Windows 9x，有再多的CPU也是白搭。

Q: 什么叫 “ 可搶占式多任務 ” ？
A:進程是有優(yōu)先級的。如果即將被運行的進程的優(yōu)先級比正在運行的進程的優(yōu)先
級高，則系統(tǒng)可以強行剝奪正在運行的進程的CPU，讓優(yōu)先級高的進程先運行。
可見，人類社會的特權思想在計算機世界中表現(xiàn)得多么淋漓盡致。:-)
實際的操作系統(tǒng)一般將時間片思想同可強占思想結合起來進行CPU分配。
可搶占式多任務的好處是很多的，比如當一個進程發(fā)生意外無法運行時，如果
不能強行剝奪其CPU占有權，則整個系統(tǒng)都得癱瘓，由于早期的Windows 3.1不
是可搶占式多任務系統(tǒng)，所以Windows 3.1非常不可靠。

Q: 多個進程在并發(fā) / 并行運行過程中會產(chǎn)生沖突嗎？
A:如果沒有任何保護機制，肯定是會的。這種沖突一般發(fā)生在對資源的爭奪上。
顯然，如果一條馬路窄到只能通過一輛馬車，則當有兩輛馬車想同時通過時，
某個馬車夫就必須發(fā)揚風格，先讓一讓，否則結果肯定是人仰馬翻。
操作系統(tǒng)細心地管理著這一切，以避免進程間的沖突，程序員們也常常需要
細心地按照某種既定規(guī)則編寫程序，以便操作系統(tǒng)管理。
更具體的方法、原理已經(jīng)遠遠超過了初學者能接受的水平，我還是把它略去
吧。

Q: 什么是虛擬存儲器？
A:虛擬存儲技術是非常重要的存儲管理技術，它的核心思想是利用巨大的硬盤
空間來彌補不足的實際內(nèi)存空間。在虛擬內(nèi)存管理下，應用程序可以使用的
存儲空間遠遠大于實際的內(nèi)存大小。我們將一臺計算機實際安裝的內(nèi)存稱為
物理存儲器，將通過虛擬存儲技術得到的比實際內(nèi)存空間大得多的存儲空間
成為虛擬存儲器。虛擬存儲技術的實現(xiàn)也是非常復雜，如果細講的話肯定又 
是吃力不討好，這里只提一提最簡單的思想。內(nèi)存單元在計算機中是有編號 
的，叫內(nèi)存地址。如果你的計算機中有1M物理內(nèi)存（天哪，286的說？呵呵， 
舉例子方便嘛），則物理內(nèi)存的地址范圍為0到1048575（1024 x 1024 - 1）。 
如果想訪問地址為1048576的單元，顯然是不可以的，因為最大只到1048575了 
。但是，如果這時我將物理內(nèi)存中所有的東西先保存到硬盤上，然后通過某種 
方法將1048576映射到地址為0的物理存儲單元上，我不就又得到另外整整一個 
M的存儲空間了嗎，當程序要訪問地址為0的單元時，我把原先存儲在硬盤上的 
內(nèi)容調(diào)回物理內(nèi)存中就可以了。這個想法夠巧妙吧，它就是虛擬存儲技術的核 
心思想。于是我就可以得到n個1M空間了。真正的虛擬存儲管理比上面我所提的 
還要復雜、巧妙得多，它能夠實現(xiàn)讓不同的進程在不同的地址空間上運行（即 
讓每個進程認為自己占有所有的存儲空間，可以任意使用，不必在乎系統(tǒng)中的 
其他進程是如何使用存儲空間的。這猶如讓不同的進程運行在不同的計算機上） 
，并且要考慮最優(yōu)的內(nèi)存使用效率。

Q: 如果一個進程訪問了不屬于自己地址空間內(nèi)的存儲單元，會發(fā)生什么情況？
A:在Windows下你肯定會看到一個“該程序執(zhí)行了非法操作，即將被關閉……”
之類的對話框?？吹竭@樣的對話框常令我們無比沮喪，但這是操作系統(tǒng)必須
做的事，我們稱它為“存儲保護”。存儲保護的目的是保護系統(tǒng)進程不被用
戶進程破壞，不允許進程讀寫不屬于自己的區(qū)域。道理是很簡單的：考試的
時候，你只被允許在自己的試卷上面作答，如果你想看別人的試卷，甚至想
改別人試卷上的內(nèi)容，你就“執(zhí)行了非法操作”，肯定是要被監(jiān)考“關閉”
的（前提是監(jiān)考人員工作正常，否則就亂了套了，會有很嚴重的后果）。
注意：在Windows中引起系統(tǒng)關閉一個進程的原因很多，除了非法讀寫其他
進程存儲區(qū)（地址越界）外，還有如執(zhí)行了只有操作系統(tǒng)才能執(zhí)行的ring0
指令、程序中出現(xiàn)除數(shù)為0的情況等等。

Q: 什么是硬盤分區(qū)？
A:最早的時候，操作系統(tǒng)無法管理較大的硬盤空間，所以將一個大的硬盤空間
分為多個較小的區(qū)域以便于管理。另外，有時需要在系統(tǒng)中安裝多個操作系
統(tǒng)，也需要將硬盤分為不同的區(qū)域，讓不同的操作系統(tǒng)分別管理，互不干擾。
現(xiàn)在已經(jīng)沒有因為操作系統(tǒng)無法管理大硬盤而需要對硬盤進行分區(qū)的可能性
了，但我們?nèi)匀粚τ脖P進行分區(qū)，除了安裝多個操作系統(tǒng)外，主要的還是為
了對各種文件進行管理比較方便。
操作系統(tǒng)為不同的硬盤分區(qū)賦予不同的盤符，這樣就在邏輯上把一個大硬盤
分割成了多個小硬盤。

Q: 什么是硬盤分區(qū)的主引導記錄？
A:主引導記錄是每個硬盤分區(qū)的命根子，上面記錄著一個分區(qū)所占用的硬盤空
間的位置等重要信息。如果一個分區(qū)的主引導記錄被破壞，這個分區(qū)就算玩
完了。

Q: 什么是活動分區(qū)？
A:活動分區(qū)是在系統(tǒng)加電后具有自舉（引導系統(tǒng)）能力的分區(qū)，在活動分區(qū)上
的主引導記錄中有一段主引導程序，每當系統(tǒng)啟動后，這段程序被調(diào)入內(nèi)存
運行，以引導（啟動）保存在硬盤上的操作系統(tǒng)。不同的操作系統(tǒng)引導的方
法是不同的，所以這段主引導程序隨著系統(tǒng)上安裝的操作系統(tǒng)的不同而不同。

Q:Windows 是怎樣儲存磁盤文件的？
A:首先，Windows以“簇”為單位使用硬盤上的空間。根據(jù)硬盤空間的大小，一
個簇的大小是不一樣的。一般說，簇越小，硬盤空間的利用率越大，簇越大，
存儲速度越快。每個文件必須被分成以簇的大小為單位的多個塊，然后儲存在 
硬盤上。為此，需要一個表格來記錄一個文件被分成的塊都儲存在硬盤的哪些簇 
上，這個表格在Win9x中就是FAT表。FAT表也儲存在硬盤上。所以，F(xiàn)AT表是文件 
系統(tǒng)的命根子，破壞了它，一個磁盤所有的文件就玩完了。于是，Windows除了使 
用一個FAT表外，還會備份一個。

Q: 什么是文件目錄表？
A:文件目錄表同F(xiàn)AT表一樣是非常重要的，它記錄著所有文件的文件名、屬性和在
FAT表中的起始位置。當你需要讀寫一個文件時，Windows就從文件目錄表中找
這個文件，如果找到，按照文件目錄表中所指示的該文件在FAT表中的起始位置
讀出FAT表中與這個文件有關的存儲信息，就可以讀寫這個文件了。

Q: 什么叫虛擬設備？
A:不同的I/O設備速度有快有慢。在操作系統(tǒng)中，為了有效地利用各種設備，可以
使用高速設備來模擬低速設備，從而得到的就是虛擬設備。
在Windows中典型的例子就是打印機。我們不難發(fā)現(xiàn)在啟動打印時打印機并沒有
工作，而是硬盤在響，然后所有的打印文檔都進入打印隊列，排隊打印。在前
一個文檔還在打印機上打印的時候，下一個文檔已經(jīng)進入打印隊列，提交這個
文檔的進程無須等待打印機將這個文檔打印完畢，就可以繼續(xù)處理別的事情了。
這是由于Windows使用硬盤模擬打印機。所有的打印工作實際上都“打印”到了
硬盤上。硬盤速度比打印機快得多，所以一下子就完成了。此時有另一個進程
負責從硬盤上讀出打印數(shù)據(jù)，打印到實際的打印機上，這個進程在后臺工作，
不影響前臺的其他進程。

Q: 什么是與設備無關性（設備獨立性）？
A:計算機的外部設備很多，同種類型的設備又有不同廠家、不同型號的產(chǎn)品。這
些產(chǎn)品總會有些細微的差別。這就給應用程序的編寫帶來很大的困難，因為一
個應用程序不可能顧及到所有硬件的兼容性。為此，操作系統(tǒng)將具體的硬件設
備同整個系統(tǒng)隔離開來，對硬件的具體操作、與硬件有關的兼容性問題等統(tǒng)統(tǒng)  
由設備驅動程序來解決，同時操作系統(tǒng)向應用程序提供統(tǒng)一的操縱設備的方法，
應用程序只需要按套路調(diào)用操作系統(tǒng)提供的功能即可，無須關心實際的設備是
什么，這就是與設備無關性。
  這樣，每增添或改動一個系統(tǒng)上的硬件，只需要安裝相應的驅動程序即可。

Q: 什么是緩沖 (buffering) 技術？
A:在數(shù)據(jù)到達與離去速度不匹配的地方，就應該使用緩沖技術。緩沖技術好比是
一個水庫，如果上游來的水太多，下游來不及排走，水庫就起到“緩沖”作用，
先讓水在水庫中停一些時候，等下游能繼續(xù)排水，再把水送往下游。
  通常CPU的速度要比I/O設備的速度快得多得多，所以可以設置緩沖區(qū)，對于從
CPU來的數(shù)據(jù)，先放在緩沖區(qū)中，然后設備可以慢慢地從緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)。