操作系统系列之概述 OS虚拟机电信数据结构多线程
程序员文章站
2022-07-12 17:33:28
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对操作系统的研究已经很久了，一直以来比较喜欢这方面的东西，从现在开始，我要把我所了解的OS的各个方面一一描述出来。基本的描述风格事先抽象后具体，先轮廓后细节。
OS其实是一个大家都知道一些的概念。但是我说得有可能跟传统的说法有些不一样，我按照我的思路和节奏说这些问题。希望大家多提意见。
说到OS，一定要先从冯诺依曼抽象机器说起。冯诺依曼机器是图灵机器加上程序存贮这个特性形成的。冯氏机器本身也像图氏机器一样，并没有规定IO，但是根据系统论的基本原理，我们知道一个系统如果是封闭的，那么就是不可知的，没有什么价值的，所以，现代的计算机都配备有大量的IO部件。不过虽然IO部件非常之多，但是由于我们的抽象机器是冯诺依曼机器，所以，我们研究OS的时候并不分多少精力给IO。当然，我也会讲到IO的。
有了计算和存储这两类基本的部件，我们的计算机系统基本上就算是有了基础了，冯氏机器的存储程序特性这时候就要大放光彩了！计算机相较之以前的其他机械，最显著和诱人的特性就在这儿体现——程序存储。以前的机械都是死的，固定的特性，而自从引入程序存储，计算机这个机械就开始越过了龙门，升入九天了。
我粗略的说说程序存储吧。程序就是一堆指令，这些指令可以指导计算机的运算部件干活，它们会被放到计算机的存储部件中。同一个计算机，给它不同的程序，它就会表现出不同的特性。
有了冯诺依曼机器，我们就可以设计我们的程序，让计算机实现它存在的价值了，不过且慢，这里面有一些问题需要解决。
语义鸿沟。
对于我们的问题，我们可以用人类语言描述之，甚至可以描述得很清楚，可是计算机并不懂得我们描述问题所用的语言。在计算机看来，问题很简单，所有的问题不外是加减乘除逻辑运算等。这里有一个巨大的鸿沟。
复杂性问题。
这个前面的语义鸿沟有点关系，如果我们直接管理和控制冯诺依曼机器让它干我们希望它干的活，就会出现复杂性问题。这个问题会让人抓狂的。因为心理学家研究发现，一个人同时可以关注的事情是有限的。
好，有了上面的东西垫底，我们可以讨论问题了。
按照习惯，先明确几个必要的概念。：）
没有提到的概念要么大家都很清楚，要么可以查我原来的blog。
接口：一个系统跟外界交互的通道，接口定义一套语言。通过这套语言可以跟接口后面的系统交互。
语言：一套表意的体系结构，它可以而且必须用一定的方式承载，不同的系统提供不同的语言机制。举个简单的例子：杠杆的语言是：你用力往下压（告诉它一个信息），它帮你把某物撬起来。当然，杠杆很简单了，一般来说，越复杂的系统的语言符号越丰富，表达的方式也越多样化（不仅仅是简单的机械力，可能是电磁波，声波……什么的）。对于人这个极端复杂的系统，语言就是我们常说的人类语言了。它（人类语言）的体系恢宏壮丽，词汇、语法、惯用法、……无穷无尽的范畴。它的表达方式是声音，图形（印刷在纸上的文字），……也是多种多样的。一般我们跟计算机交互的时候都是采用的语言都隐喻成人类语言的：）。计算机的语言通道（也就是接口）有输入和输出两大类，其中，输入是我们对计算机的控制，输出是计算机对我们的回馈。抽象的计算机，输入和输出都是电信号，也就是电子的流，所以叫做电子计算机：）。
前面说了，冯诺依曼计算机面对的问题就是可计算性问题，简单而不精确地说，就是算术和逻辑运算问题。所以，它的语言（也就是他的接口可以理解的交流方式）也是比较简单的，主要就是算术和逻辑运算以及一些控制计算机本身的电子信号序列。由于我们人类很难通过这种手段直接跟计算机交互（你能发出0.0032v 的电流0.00002ms么？），所以我们一般给计算机配上各种输入输出的适配器，比如：键盘，鼠标，显示器，打印机，扫描仪……。其实，他们很多也都是经过别的适配器一层一层的适配到计算机主体上的。
就算我们有了IO适配器，我们也不想这样跟计算机交互，想想我前面描述的两个问题，语义鸿沟问题和复杂性问题。所以我们需要一个中间层次，我们通过这个中间层次所能理解的语言跟中间层次交互，而这个中间层次把我们的意图翻译成计算机所能理解的语言（也就是算术逻辑和控制）。这样，就给我们提供了一个更友好，更丰富的系统。
这个中间层次叫做OS。其实，可能会有很多别的东西，但是我这儿的焦点是OS，所以就说它了。
我们仍然从OS的接口开始看起，搞定它的基本概念。
OS主要向上层提供一个虚拟的机器，这个机器主要涉及到文件和进程（包括线程等）这两个主要概念。这俩概念其实是针对存储和计算的包装。文件包装了存储系统，进程包装了运算系统。事实证明，文件这个概念非常强大，已经推而广之到了IO空间，甚至运算空间。OS其实就是一个以进程概念为核心，以存储和文件为辅助的VM。
文件就是具名的数据。数据就是信息的编码。数据可以分成两大类，一类是被动数据性的，一类是主动指令性的。程序就是那种指令性的文件。所有的数据文件都需要被某个程序（也就是指令文件）解释才有相应的意义和表现。对人来说，数据文件是根本，程序文件是工具，对OS来说，它并不怎么关注数据文件（只要保证它们安安稳稳的呆在那儿就行了），它关注的是程序文件。
我们下一节就讲讲OS跟程序之间的关系。
OS其实是一个大家都知道一些的概念。但是我说得有可能跟传统的说法有些不一样，我按照我的思路和节奏说这些问题。希望大家多提意见。
说到OS，一定要先从冯诺依曼抽象机器说起。冯诺依曼机器是图灵机器加上程序存贮这个特性形成的。冯氏机器本身也像图氏机器一样，并没有规定IO，但是根据系统论的基本原理，我们知道一个系统如果是封闭的，那么就是不可知的，没有什么价值的，所以，现代的计算机都配备有大量的IO部件。不过虽然IO部件非常之多，但是由于我们的抽象机器是冯诺依曼机器，所以，我们研究OS的时候并不分多少精力给IO。当然，我也会讲到IO的。
有了计算和存储这两类基本的部件，我们的计算机系统基本上就算是有了基础了，冯氏机器的存储程序特性这时候就要大放光彩了！计算机相较之以前的其他机械，最显著和诱人的特性就在这儿体现——程序存储。以前的机械都是死的，固定的特性，而自从引入程序存储，计算机这个机械就开始越过了龙门，升入九天了。
我粗略的说说程序存储吧。程序就是一堆指令，这些指令可以指导计算机的运算部件干活，它们会被放到计算机的存储部件中。同一个计算机，给它不同的程序，它就会表现出不同的特性。
有了冯诺依曼机器，我们就可以设计我们的程序，让计算机实现它存在的价值了，不过且慢，这里面有一些问题需要解决。
语义鸿沟。
对于我们的问题，我们可以用人类语言描述之，甚至可以描述得很清楚，可是计算机并不懂得我们描述问题所用的语言。在计算机看来，问题很简单，所有的问题不外是加减乘除逻辑运算等。这里有一个巨大的鸿沟。
复杂性问题。
这个前面的语义鸿沟有点关系，如果我们直接管理和控制冯诺依曼机器让它干我们希望它干的活，就会出现复杂性问题。这个问题会让人抓狂的。因为心理学家研究发现，一个人同时可以关注的事情是有限的。
好，有了上面的东西垫底，我们可以讨论问题了。
按照习惯，先明确几个必要的概念。：）
没有提到的概念要么大家都很清楚，要么可以查我原来的blog。
接口：一个系统跟外界交互的通道，接口定义一套语言。通过这套语言可以跟接口后面的系统交互。
语言：一套表意的体系结构，它可以而且必须用一定的方式承载，不同的系统提供不同的语言机制。举个简单的例子：杠杆的语言是：你用力往下压（告诉它一个信息），它帮你把某物撬起来。当然，杠杆很简单了，一般来说，越复杂的系统的语言符号越丰富，表达的方式也越多样化（不仅仅是简单的机械力，可能是电磁波，声波……什么的）。对于人这个极端复杂的系统，语言就是我们常说的人类语言了。它（人类语言）的体系恢宏壮丽，词汇、语法、惯用法、……无穷无尽的范畴。它的表达方式是声音，图形（印刷在纸上的文字），……也是多种多样的。一般我们跟计算机交互的时候都是采用的语言都隐喻成人类语言的：）。计算机的语言通道（也就是接口）有输入和输出两大类，其中，输入是我们对计算机的控制，输出是计算机对我们的回馈。抽象的计算机，输入和输出都是电信号，也就是电子的流，所以叫做电子计算机：）。
前面说了，冯诺依曼计算机面对的问题就是可计算性问题，简单而不精确地说，就是算术和逻辑运算问题。所以，它的语言（也就是他的接口可以理解的交流方式）也是比较简单的，主要就是算术和逻辑运算以及一些控制计算机本身的电子信号序列。由于我们人类很难通过这种手段直接跟计算机交互（你能发出0.0032v 的电流0.00002ms么？），所以我们一般给计算机配上各种输入输出的适配器，比如：键盘，鼠标，显示器，打印机，扫描仪……。其实，他们很多也都是经过别的适配器一层一层的适配到计算机主体上的。
就算我们有了IO适配器，我们也不想这样跟计算机交互，想想我前面描述的两个问题，语义鸿沟问题和复杂性问题。所以我们需要一个中间层次，我们通过这个中间层次所能理解的语言跟中间层次交互，而这个中间层次把我们的意图翻译成计算机所能理解的语言（也就是算术逻辑和控制）。这样，就给我们提供了一个更友好，更丰富的系统。
这个中间层次叫做OS。其实，可能会有很多别的东西，但是我这儿的焦点是OS，所以就说它了。
我们仍然从OS的接口开始看起，搞定它的基本概念。
OS主要向上层提供一个虚拟的机器，这个机器主要涉及到文件和进程（包括线程等）这两个主要概念。这俩概念其实是针对存储和计算的包装。文件包装了存储系统，进程包装了运算系统。事实证明，文件这个概念非常强大，已经推而广之到了IO空间，甚至运算空间。OS其实就是一个以进程概念为核心，以存储和文件为辅助的VM。
文件就是具名的数据。数据就是信息的编码。数据可以分成两大类，一类是被动数据性的，一类是主动指令性的。程序就是那种指令性的文件。所有的数据文件都需要被某个程序（也就是指令文件）解释才有相应的意义和表现。对人来说，数据文件是根本，程序文件是工具，对OS来说，它并不怎么关注数据文件（只要保证它们安安稳稳的呆在那儿就行了），它关注的是程序文件。
我们下一节就讲讲OS跟程序之间的关系。