解说天下之操作系统

本文由桌案drawon (https://www.drawon.cn)，云晶（https://www.yunjingxz.com）创始人根据多年从业经验， 从操作系统的起源，应用分类， 设计分类，以及资源使用角度对操作系统进行宏观的阐述，通过阅读本篇内容，您将大致对操作系统有更系统、更宏观，更深入的认识。我们每个人每天都在高频次的使用不同的操作系统，有必要对操作系统从宏观，深入浅出的有一个基本的认识和了解。

前后台系统

前后台系统为操作系统的原古时期。 在没有操作系统诞生之前，基本计算机系统就是前后台系统架构模型。

前后台系统的概念

在没有操作系统出现之前的系统为前后台系统，比如现在大多数嵌入式系统中所是用的MCU可以运行简单的C语言程序的单片机在裸跑的时候，我们认为为前后台系统，下面一张图介绍了前后台系统的模型：

 

从图中，我们可以看到，有如下特点

应用程序是一个无限的循环， 一般在主函数中，会写一个死循环，这个循环会有一定的延时，每隔一段时间循环执行一次。 循环中调用相应的函数，完成相应的操作， 这部分可以看成是后台的行为（background）。无限循环扫描，就是一个轮询 。

后台系统，总是会运行，（The background is always running）这个Main函数是不会停止的。

当有紧急任务需要处理时， 则MCU提供一种中断机制， 每个中断向量挂接一个中断处理函数， 进行紧急的处理。这种中断处理程序的行为，我们称之为前台行为（Foreground）。当紧急事件发生时， 中断处理机制会立即捕获它。 而紧急事件，一般都是外部IO触发， 触发行为有高电平变低触发，低电平变高触发，还有上升沿或者下降沿触发。 还有一种内部定时触发等。

如下为前后台系统的变成模型

{
    void main () {
        for(;;) {
            InitSystem();
            InitUartIsr(OnUartDataReceived);
            for(;;) {
                LED0 = ON;
                DelayMillisecs(500);
                LED1 = OFF;
                DelayMillisecs(500);
            }
        }
    } 
    void OnUartDataReceived(byte[] buffer, int count) {
        // doing something.
    }
}

前后台系统的优点

前后台系统的机制相对简单， 对编程人员要求比较低。 只要学点C语言， 了解点基础硬件相关的知识， 就能干点事情，如点亮LED灯。灯。 可以基于单片机来学习前后台系统。

如下推荐一些单片机的书籍， 可以借助这些书籍去学习前后台系统。

 

如下为前后台系统的优点：

• 成本低， 一般情况下， 几毛钱，甚至几块钱就能买到一个单片机。
• 需求量非常大， 只要带一些简单的控制逻辑的系统，大多数都采用简单的MCU, 内部运行一个前后台系统，如下我们给出一张操作系统的分布金字塔图。

 

• 设计开发编码都比较简单。 一般是由嵌入式工程师完成前后台系统的开发与设计。

前后台系统的缺点

• 应用场景比较简单， 控制简单的外围电脑和简单的运算。 对于大型复杂的逻辑或者交互，前后台系统很难胜任。还有一些比较厉害的高人， 使用前后台系统可以完成操作系统能够完成的任务，甚至操作系统都难以完成的事情（小才大用）。
• 资源很难系统的调度，原地转圈圈前后台系统的CPU 一直都很忙，资源很难系统调度。
• 开发系统时，代码的耦合度较高，你中有我，我中有你。前后台系统中，每为一个系统添加一个软件模块，都可能影响到之前的功能。所以如果要把前后台系统的系统玩好，一定得做到统领全局， 了解到别人的程序逻辑。

操作系统

基本概念

控制和管理计算机系统内部各种硬件和软件资源、有效的组织多道程序运行的系统软件(或程序集合)，是用户与计算机之间的接口。

下面分享上面上，主流的操作系统

Windows操作系统

 

MAC OS 操作系统

 

Chome OS 操作系统

 

移动端的IOS, Android ,Windows Phone（过去式）

 

操作系统，决定了系统的交互方式，以及生态，每个人，都有自己喜欢的操作系统。

操作系统分类

按照家族分类

如下为Unic的家族史：

 

从上图可以看到， Unix（Unics）实际上是大部分操作系统的祖先。 很多操作系统都是从Unix演变而来。

Unix家族演进图

 

从上图可以看出：

• 目前非常著名的苹果公司的PC领域的操作系统MAC OS以及移动端操作系统IOS均是由Unix系统改写而来。
• 谷歌的Android操作系统，ChromeOS 均是由Linux系统修改而来。
• Ubuntu 更是Linux系统的社区开源版本。
• 还有在车载系统中，号称是实现很强的微内核系统 QNX均来自Unix系统。

按照内核类型分类

 

微内核/宏内核的概念

操作系统最核心的功能，任务调度、内存和设备的抽象和管理。然后 ，为了我们方便使用，才集成进了系统服务、驱动程序、文件系统之类的东西。

我们平时运行的程序，每个程序各运行几十毫秒，大家来回轮换，这样子我们看起来这些程序好像在“同时”运行一样。应用程序之所以能够被操作系统通过时间片的方式调度，是因为对于CPU而言，普通的应用程序和操作系统的内核运行在不同的特权级别上，我们叫作rings。应用程序运行在Ring 3，而内核运行在Ring 0。

随着科技的发展，操作系统变得越来越复杂，内核里面的东西也越来越多。人们也就开始考虑是否应该改变原有的架构，从而提高操作系统的性能和稳定性，主要是精简内核降低开发的复杂度，还有就是把各种程序尽可能的隔离，保证一个程序的崩溃不会牵连到其他的程序。

上世纪80年代人们讨论得火热的微内核就是这样一种架构。

几种内核架构

 

理论设计，放到现实的工程中都是要做折衷的。所以有混合内核的出现，综合宏内核和微内核的不同优点，在两个方案中折衷设计。OS X和Windows就属于这类。

微内核的优势

微内核考虑在操作系统的内核中保留操作系统最基本的功能，也就是任务调度、内存和设备的抽象和管理。其他的功能全部从内核移出，放到用户态中了实现，并以C/S模式对其他应用程序提供服务。

微内核带来的好处主要是稳定性和实时性，即内核中模块数量少了，结构更精简更优化了，能够影响内核的程序和驱动也减少了，稳定性随之提高；另外就是实时性，内核精简了以后，响应的时延的减小。不过并不是精简了以后会使得性能提升，微内核使得内核中只有最关键的部分，其他模块和系统功能全部作为独立模块放到用户态空间中运行，功能分散了以后增加了通信的成本。不过微内核操作系统的特点尤其适合工控系统的控制，而且设计简单，在小型的系统中有不少的应用。另外亦有不少实时操作系统是使用微内核架构设计。

总结几句

• Worse is better.

  • 计算机领域往往经过完善设计的产品，最终结果都是失败的。
  • 像Unix赢了Multics一样。
  • Lisp(通用高级计算机程序语言)并没有C语言流行。
  • OSI的愿景最后由TCP/IP协议完成。
  • 相信，国内号称真正的云上操作系统，最终是由云晶-新一代云上操作系统来完成（开玩笑）。
  • 微软的WPF, 把MVVM设计模式运用的淋漓尽致，设计的如此纯粹，并没有流行起来。

  ......

• 宏内核就是一座华丽的宫殿。

• 微内核就是一座精致的小别墅。

Linux为什么不采用微内核或者混合内核模式？

理论上完美的问题在实践过程中都会遇到各种不得不妥协的折衷。因为你制造出的东西是要部署到实际生活生产环境中使用。不是要一个只在实验室中看起来很完美的作品。微内核的高度模块化,自然要付出成本的,那就是增加代码交互的冗余与效率的损耗, 而这恰恰是很大的问题。

Linus可以把这些乱七八糟的东西，全都一个人写了，一遍写对了，还能稳定跑起来，无bug，而我们这些渣渣，做不到，只能依靠保护模式来防止几百个工程师写出来的那一坨垃圾，动不动蓝屏，自己弱，却质疑天才的做法，和明知自己弱，还要模仿天才的做法，都是认不清现实的表现。

Linux本身在实现之初仅仅作为Linus一个业余项目而存在。而Monolithic Kernel由于不需要处理消息队列等等原因从实现角度来说比Micro Kernel更为方便。

linus 这人对微内核不感兴趣，这个大家都知道，只要有他在一天，kernel就不会考虑微内核化。他是一名实用主义者, 他说过一句名言:Talk is cheap. Show me the code。

Linus: "Gaah. Guys, this whole ARM thing is a fcking pain in the ass.” 推动了DeviceTree.(题外话，*霸气)。这就是Linus这个人的张扬与洒脱的一面。 仔细体会。

按照实时性分类

按照实时性，将操作系统分为硬实时和软实时。 那么什么优势硬实时和软实时，其实就是通过中断的响应时间来衡量的。

衡量实时性的标准：

• 中断的相应时间。

  中断的相应时间=＝关中断的最长时间+保护CPU 内部寄存器的时间+进入中断服务函数的执行时间+开始执行中断服务例程(ISR)的第一条指令时间

• 任务的切换时间， 就是从当前任务挂起，到要切换的任务开始运行的时间。

• 一个硬实时操作系统面对变化的负载（从最小到最坏的情况）时，必须确定性地保证满足时间要求。跟CPU强悍无关，必须时间具有确定性。

• 实时操作系统的代表

  • Linux为实时操作系统的代表
  • Vxworks(Wind River)为硬实时操作系统的代表。

  以下表中，该处了实时操作系统的实时性对比

  	WxWorks	uCOS-II	RT-Linux2	QNX6	MACosX	Windows	Linux-GP
  硬件平台	MC68000	33MHz-486	60MHz-486	33MHz-486
  任务切换	3.8us	< 9us	不详	12.57us
  中断响应	< 3us	< 7.5us	25us	7.54us

操作系统中与编程有关的基本知识

 

进程线程的基本概念

• 并发和隔离。
• 程序执行的上下文（Context of Execution）
• 执行与调度的基本单位：thread
• 资源所有权：process
• 进程是资源的容器，包含（一个或）多个线程。 内核调度的基本单位是线程(不完全是)、而非进程。
• 同一进程下的各个线程共享资源（address space、open files、signal handlers，etc），但寄存器、栈、PC指针等不共享。

进程和线程到底有什么区别？ 以上其实已经说了一部分， 线程是调度和执行的基本单位，最终代码都在线程中执行。 而进程是资源的容器，包括一个或多个线程。 同一个进程下的各个线程共享资源。

如下图为区别：

 

Linux的线程进程概念

 

Linux的线程是用户级别的，也就是内核中不存在线程。

• 所有的线程管理都在应用层去执行。
• 内核不关心，实际上也觉察不到线程的存在。

Windows的线程进程概念

 

而从上图也可以看出，Windows和Linux显然采用不同的理念。

windows的线程是内核级别的。

• Windows是这些概念的一个例子。
• 内核维护着线程和进程的上下文。
• 调度实际上是基于线程而运行的。

进程间的通信

有了线程，进程的隔离， 就需要线程进程之间的通信机制来保证协作完成任务，共享访问数据。

Windows进程间的通信

• 文件映射
• 共享内存
• 匿名管道(单项，一端写，一端读)
• 命名管道。
• 动态链接库
• 远程过程调用(可以在一台机器内，也可以跨机器)
• UDS(Unix Domain Socket)
• 基于Windows的消息机制 ……

Linux进程间的通信

• 管道(Pipe)，以及有名管道
• 信号(Signal)
• 报文(Message)队列(消息队列)
• 共享内存(效率最高)
• 信号量(Semaphore)
• 主要作用是进程间，以及同一进程的不同线程之间的同步手段 (UDS)Socket 套接字

以上Window和Linux虽然采用了不同的方式，概念上有所不同的方式进行进程间的通信，实际上，他们的基本原理类似。

线程间的通信

• 共享数据结构。共享内存
• 事件(Event)传递
• 消息队列
• 邮箱(ucosII)

线程同步

线程同步，即当有一个线程在对内存或者外设进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址或者外设进行操作，直到该线程完成操作， 其他线程才可以进行操作，而其他线程又处于等待状态，实现线程同步的方法有很多，如下。

• 一般使用信号量（Semaphore）。
• 高级语言如java 本身语言的设计 就为此考虑，如synchronized 关键字，wait, notify 方法。
• 可以使用Mutex。
• 临界区对象。

信号量与互斥锁

Semaphore(信号量，或者信号灯)

以一个停车场的运作为例。简单起见，假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车，看门人允许其中三辆直接进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入外面的一辆进去，如果又离开两辆，则又可以放入两辆，如此往复。在微观世界里，计算机世界里，比如访问硬盘空间，读取数据，往往资源有限。 可以可以使用该机制，进行有效的对资源的访问进行协调控制。

Mutex(互斥锁)

一次只能有一个线程进入的特殊信号量。性能会比信号量好。对于某些特殊的应用场景， 一次只能有一个线程访问，待该线程退出后，其他线程方可继续运行。 例如操作系统的IO外设，打印机，现实生活当中的公共卫生间等等。