01 操作系統都學些什么

操作系統的重要性當然不止于此。如果深入研究你就會發現，操作系統在整個計算機學科體系中處于一個十分關鍵的位置。計算機科學的學科方向多如牛毛，但總的來說可以分成兩塊，硬件一塊，軟件一塊，這兩大塊都喜歡各玩各的，中間說是隔著次元壁也一點不夸張。

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但都在一個體系內，總要想個辦法來打破次元壁呀，這個重要的工作由誰來做呢?就是操作系統。所以從體系架構的角度看，操心系統是處在所有硬件的最上層，和所有軟件的最下層，是一個“跨界”的角色。

操作系統很重要，那作為一門學科，難不難學呢?大家的態度走兩個極端，一邊的人覺得操作系統有什么可學的，不就是點鼠標劃玻璃，太簡單連小學的計算機課都不一定認真教，大學還專門設了專業課太夸張了。另一邊的人又覺得操作系統太難，操作系統的玩家不是Linus這樣的業界大神，就是微軟、谷歌這樣的行業大佬，萌新小本只好瑟瑟發抖。

這些觀點對不對呢?

都有一些理解上的偏差。我們平時常說的“安裝操作系統”，這里的“操作系統”，準確來說，應該叫“操作系統產品”，而操作系統這門課，主要內容講的是操作系統的內核原理。

操作系統產品和操作系統內核二者的關系，有一點像計算機和CPU，沒有它不行，光有它也不行。一款操作系統產品，首先肯定得有操作系統內核，但是光有內核是沒法使用的，還得加上配套的周邊功能。

雖然叫“周邊配套”，但絕不是可有可無的意思，大部分我們所熟識操作系統功能，實際上都是屬于“周邊配套”，譬如說我們最最最熟悉的“桌面”，放著漂亮的壁紙，擺滿各色各樣的圖標，是操作系統主要的用戶交互界面，術語稱為圖形用戶界面(Graphical User Interface，簡稱GUI)。

前面感覺自己“精通操作系統”的那位同學，其實精通的只是GUI的使用，而且很抱歉，GUI不在操作系統內核里面。

不過，話說回來，雖然專門有“操作系統內核”這樣的術語，但并不意味著所謂的“內核”與“周邊”之間，天然就存在一條清晰的界限。在操作系統里面，一直存在著宏內核和微內核兩條路線的爭論，爭論的焦點，正是什么該劃入“內核”，什么又該算作周邊。

微內核的主張，顧名思義，就是最小化內核所需要提供的服務，只負責最基本的功能，把應用服務、驅動、GUI，甚至一些感覺上也挺基本的功能，譬如文件系統服務，都統統趕出內核。

這樣做的好處是靈活方便，像是要提供新服務，那直接新增就可以了，不需要對內核進行額外的改動，但缺點也很突出，什么功能都趕出去了，真到用的時候還需要進行內核模式-用戶模式的切換，模式切換會增加額外的開銷，導致性能受損，因此就有人主張應該把常用的功能都接納進來，這就是宏內核。

Windows早前采用的就是微內核架構，把GUI趕了出去，結果性能損失受不了，后來又重新請回來，一直到現在，GUI仍然是Windows內核的一部分。

02 操作系統的核心內容

操作系統這門課主要研究的是操作系統內核，這名字不太平易近人，容易給人“難學懂”的感覺。確實，現在操作系統的功能越來越豐富，連帶著操作系統內核也越來越復雜。有一本操作系統業內很有名的書，叫《Windows Internals》，講的是Windows操作系統的功能原理，從這本書就可以看出來操作系統的一個變化趨勢。

《Windows Internals》是跟著Windows推陳出新的，Windows不斷更新，這本書也不斷再版，一個肉眼可見的變化就是書越寫越厚，現在最新版干脆把一本書分成了上下兩卷，內容太多，光一塊磚頭已經不夠裝了。

這還只是Windows，現在是移動互聯網時代，還有操作系統還有一半多的江山被iOS和Android這哥倆占著，而且都以一年一個版本的速度迭代，要學的知識豈不是漫無邊際?

其實不用擔心，操作系統確實在迅速發展，但最最核心的還是那些老兄弟。操作系統有一本非常經典的教材，只要你問就一定會有人推薦，叫《Operating System Concept》，中文譯為《操作系統概念》。因為這本書的封面畫著恐龍，所以學界也稱為“恐龍書”。

恐龍書不但介紹操作系統知識，還會引入“當前主流操作系統”作為研究案例。當然，恐龍書已經從第1版發展到了第9版，書里的“當前主流操作系統”也一換再換，默默地記錄著操作系統的變化發展。

不過，我把幾個版本比較了一下，最新版知識點增加了不少，還補充了一些新的內容，涵蓋了iOS、Android等移動操作系統，但主要的知識結構并沒有大幅調整，核心的研究對象和問題，仍然是早就登場的那幾個。

具體是哪幾個呢?就仨：進程、內存和存儲。操作系統最重要的功能就是“管理”，具體來說是兩項工作，資源的分配和資源的調度，那管理的核心對象是哪些呢?就是這仨，分別對應的硬件是CPU、內存和硬盤，想想就能知道，這仨同樣是計算機里的三個扛把子部件。

我們說恐龍書經典，其中一個地方就體現在對操作系統知識體系的劃分上面。恐龍書當然會重點照顧這三個核心對象，為它們一一設有單元，再加上必不可少的概論、大家現在都很關注的安全，以及前面提到的案例分析，就構成了恐龍書最新第9版的六大知識板塊。

作為一名操作系統愛好者，我看過很多操作系統的書，有偏重原理的，有偏重實例的，也會有其它新的偏重，譬如會為網絡，硬件架構、設備管理等等內容設置獨立章節，但無論哪本書，進程、內存和存儲(也有稱為外存)始終是書里的三條主線。總而言之，學操作系統，首先都得緊緊抓住進程、內存和存儲學懂學通。

03 怎樣學操作系統

既然進程、內存和存儲是操作系統的三個核心對象，那具體應該怎么學呢?一句話回答：帶著問題學。這里的“帶著問題學”，和我們平時常說的有所不同，在操作系統里面，進程、內存和存儲都有各自需要重點關注的問題。

就拿進程來說，進程是操作系統中相對比較抽象的概念，所以大多數操作系統的教材都會不吝筆墨，給進程下一堆的定義，試圖只靠文字就解釋清楚什么是進程。不過效果總不太好，大家不容易看懂，還容易看暈，畢竟“抽象”的意思就是說，你懂了馬上心領神會，你不懂總感覺雞同鴨講。

我倒認為沒必要在進程的定義上作過多糾結，關鍵是功用，開始只需要記住一點，進程對應的是CPU。計算機所謂的“計算”，指的就是CPU運算，那運算什么內容呢?這就是進程。

本來這個過程不算復雜，好像也沒什么問題，但是后來人們搞出了“多進程”，一個CPU能“同時”運行多個進程。但這個“同時”不是真正的同時，用術語來說，是并發執行而不是并行執行，結果一下就復雜起來，問題也就隨之而來了。

進程增多了，但CPU卻只有一個，出現了多對一的競態問題，這就是一切問題的起源。圍繞著競態問題，進程接著又衍生出了許多問題。

首先就是調度問題。對操作系統來說，調度是個大問題。書本肯定都會告訴你，進程有很多個狀態，有些還畫成了狀態遷移圖，各種線飛來飛去，看得眼花繚亂。感覺上很難，但我覺得，把握好了背后的邏輯，這些看似凌亂的知識點就是條理清晰地串在一起。

在這里，我們只需要死死盯住競態問題，正是因為進程和CPU不再是一一對應，所以需要調度，而所謂調度，就是雜技里的用兩只手玩五只球，總會區分出接回手里的、準備拋出的和停在空中的幾種情況，所以也需要根據情況給進程配套設計不同的狀態，調度的具體工作，就是想辦法讓進程在這幾個狀態中來回遷移倒騰，最終營造出CPU同時執行多個進程的假象。

進程之下是線程，現在又搞出了協程和纖程，以后不知道還會什么程，不過，目的只有一個，更充分地利用CPU時間，而且都難以避免一個問題，就是調度問題。

調度本身不難，難就難在設計調度原則，誰上誰下，執行多久，等待多久，都需要一一加以考慮，而且最難的地方在于，調度是沒有最優解的，只有在指定原則條件下，設計出相當不錯的調度方案。

進程除了競爭CPU，還要競爭資源，譬如兩個甚至更多的進程可能都需要同時讀寫同一個文件，我們熟悉的多對一的關系，會導致我們熟悉的競態問題，在CPU那導致了調度問題，而到了資源這里，則會導致同步問題和死鎖問題。

同步問題很簡單，進程既然要調度，那肯定沒辦法把活一口氣干完，譬如說讀寫某個文件，讀到一半被換下來了，下次再換上來的時候發現，別的進程也在讀寫這個文件，內容變了。

多線程有一個默契，就是前后環境要保持一致，你把我從CPU那換上換下我沒意見，但你得保證我所處的環境是相同的，別像雍正那樣一覺醒來發現大清亡了，后面也就沒法跟著劇本走。那怎么保證一致性呢，這就是同步問題，方法包括互斥鎖、信號量等等。

死鎖問題聽起感覺復雜一點，書上花了不少筆墨但內容還是不好懂。其實也不復雜，我們在小區門口喜聞樂見的堵車就是死鎖。小區門口只有一條車道，早高峰大家都得排著隊出去，這時如果外面有一輛車回來，開到門口又不肯避讓，那就堵車了，用操作系統的術語來說，就是死鎖了。

前面說，為了解決同步問題，我們會采取互斥鎖等方法，簡單來說，當多個進程都要使用同一項資源時，只有當前正在使用的進程用完了，也就是術語所說的資源釋放了，后面的進程才可以接著用。這樣做的好處當然是保證了一致性，但壞處則是導致了另一個問題，就是死鎖問題。

拿前面的小區出口比劃一下就清楚了。單車道當然是互斥的，要么只進要么只出，不可能一邊進一邊出。如果兩頭的來車各占一半車道，結果當然是想進來的進不來，想出去的出不去，兩頭堵死，這就死鎖了。

那怎么解決死鎖問題呢，大方向有兩種，一種是避免出現死鎖，從根本上解決這個問題，不過難度較大。另一種則是想辦法對已經發生的死鎖及時檢測發現，然后進行恢復。但是怎么才能及時發現死鎖呢?這又是一個操作系統方向需要研究的問題。