导读：这一篇聊操作系统。最近大家对“卡脖子”讨论很多，首当其冲是芯片，紧接着就是操作系统。操作系统，英文名Operating System，所以也常简称“OS”。操作系统很重要，计算机系的学生都知道，操作系统作为一门核心专业课，和数据库、编译原理合称“三座大山”。
作者：木羊同学
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操作系统都学些什么
操作系统的重要性当然不止于此。如果深入研究你就会发现，操作系统在整个计算机学科体系中处于一个十分关键的位置。计算机科学的学科方向多如牛毛，但总的来说可以分成两块，硬件一块，软件一块，这两大块都喜欢各玩各的，中间说是隔着次元壁也一点不夸张。但都在一个体系内，总要想个办法来打破次元壁呀，这个重要的工作由谁来做呢？就是操作系统。所以从体系架构的角度看，操心系统是处在所有硬件的最上层，和所有软件的最下层，是一个“跨界”的角色。
操作系统很重要，那作为一门学科，难不难学呢？大家的态度走两个极端，一边的人觉得操作系统有什么可学的，不就是点鼠标划玻璃，太简单连小学的计算机课都不一定认真教，大学还专门设了专业课太夸张了。另一边的人又觉得操作系统太难，操作系统的玩家不是Linus这样的业界大神，就是微软、谷歌这样的行业大佬，萌新小本只好瑟瑟发抖。
这些观点对不对呢？
都有一些理解上的偏差。我们平时常说的“安装操作系统”，这里的“操作系统”，准确来说，应该叫“操作系统产品”，而操作系统这门课，主要内容讲的是操作系统的内核原理。操作系统产品和操作系统内核二者的关系，有一点像计算机和CPU，没有它不行，光有它也不行。一款操作系统产品，首先肯定得有操作系统内核，但是光有内核是没法使用的，还得加上配套的周边功能。虽然叫“周边配套”，但绝不是可有可无的意思，大部分我们所熟识操作系统功能，实际上都是属于“周边配套”，譬如说我们最最最熟悉的“桌面”，放着漂亮的壁纸，摆满各色各样的图标，是操作系统主要的用户交互界面，术语称为图形用户界面（Graphical User Interface，简称GUI）。前面感觉自己“精通操作系统”的那位同学，其实精通的只是GUI的使用，而且很抱歉，GUI不在操作系统内核里面。
不过，话说回来，虽然专门有“操作系统内核”这样的术语，但并不意味着所谓的“内核”与“周边”之间，天然就存着一条清晰的界限。在操作系统里面，一直存着这宏内核和微内核两条路线的争论，争论的焦点，正是什么该划入“内核”，什么又该算作周边。微内核的主张，顾名思义，就是最小化内核所需要提供的服务，只负责最基本的功能，把应用服务、驱动、GUI，甚至一些感觉上也挺基本的功能，譬如文件系统服务，都统统赶出内核。
这样做的好处是灵活方便，像是要提供新服务，那直接新增就可以了，不需要对内核进行额外的改动，但缺点也很突出，什么功能都赶出去了，真到用的时候还需要进行内核模式-用户模式的切换，模式切换会增加额外的开销，导致性能受损，因此就有人主张应该把常用的功能都接纳进来，这就是宏内核。Windows早前采用的就是微内核架构，把GUI赶了出去，结果性能损失受不了，后来又重新请回来，一直到现在，GUI仍然是Windows内核的一部分。
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操作系统的核心内容
操作系统这门课主要研究的是操作系统内核，这名字不太平易近人，容易给人“难学懂”的感觉。确实，现在操作系统的功能越来越丰富，连带着操作系统内核也越来越复杂。有一本操作系统业内很有名的书，叫《Windows Internals》，讲的是Windows操作系统的功能原理，从这本书就可以看出来操作系统的一个变化趋势。《Windows Internals》是跟着Windows推陈出新的，Windows不断更新，这本书也不断再版，一个肉眼可见的变化就是书越写越厚，现在最新版干脆把一本书分成了上下两卷，内容太多，光一块砖头已经不够装了。这还只是Windows，现在是移动互联网时代，还有操作系统还有一半多的江山被iOS和Android这哥俩占着，而且都以一年一个版本的速度迭代，要学的知识岂不是漫无边际？
其实不用担心，操作系统确实在迅速发展，但最最核心的还是那些老兄弟。操作系统有一本非常经典的教材，只要你问就一定会有人推荐，叫《Operating System Concept》，中文译为《操作系统概念》。因为这本书的封面画着恐龙，所以学界也称为“恐龙书”。恐龙书不但介绍操作系统知识，还会引入“当前主流操作系统”作为研究案例。当然，恐龙书已经从第1版发展到了第9版，书里的“当前主流操作系统”也一换再换，默默地记录着操作系统的变化发展。不过，我把几个版本比较了一下，最新版知识点增加了不少，还补充了一些新的内容，涵盖了iOS、Android等移动操作系统，但主要的知识结构并没有大幅调整，核心的研究对象和问题，仍然是早就登场的那几个。
具体是哪几个呢？就仨：进程、内存和存储。操作系统最重要的功能就是“管理”，具体来说是两项工作，资源的分配和资源的调度，那管理的核心对象是哪些呢？就是这仨，分别对应的硬件是CPU、内存和硬盘，想想就能知道，这仨同样是计算机里的三个扛把子部件。
我们说恐龙书经典，其中一个地方就体现在对操作系统知识体系的划分上面。恐龙书当然会重点照顾这三个核心对象，为它们一一设有单元，再加上必不可少的概论、大家现在都很关注的安全，以及前面提到的案例分析，就构成了恐龙书最新第9版的六大知识板块。
作为一名操作系统爱好者，我看过很多操作系统的书，有偏重原理的，有偏重实例的，也会有其它新的偏重，譬如会为网络，硬件架构、设备管理等等内容设置独立章节，但无论哪本书，进程、内存和存储（也有称为外存）始终是书里的三条主线。总而言之，学操作系统，首先都得紧紧抓住进程、内存和存储学懂学通。
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怎样学操作系统
既然进程、内存和存储是操作系统的三个核心对象，那具体应该怎么学呢？一句话回答：带着问题学。这里的“带着问题学”，和我们平时常说的有所不同，在操作系统里面，进程、内存和存储都有各自需要重点关注的问题。
就拿进程来说，进程是操作系统中相对比较抽象的概念，所以大多数操作系统的教材都会不吝笔墨，给进程下一堆的定义，试图只靠文字就解释清楚什么是进程。不过效果总不太好，大家不容易看懂，还容易看晕，毕竟“抽象”的意思就是说，你懂了马上心领神会，你不懂总感觉鸡同鸭讲。
我倒认为没必要在进程的定义上作过多纠结，关键是功用，开始只需要记住一点，进程对应的是CPU。计算机所谓的“计算”，指的就是CPU运算，那运算什么内容呢？这就是进程。
本来这个过程不算复杂，好像也没什么问题，但是后来人们搞出了“多进程”，一个CPU能“同时”运行多个进程。但这个“同时”不是真正的同时，用术语来说，是并发执行而不是并行执行，结果一下就复杂起来，问题也就随之而来了。进程增多了，但CPU却只有一个，出现了多对一的竞态问题，这就是一切问题的起源。围绕着竞态问题，进程接着又衍生出了许多问题。
首先就是调度问题。对操作系统来说，调度是个大问题。书本肯定都会告诉你，进程有很多个状态，有些还画成了状态迁移图，各种线飞来飞去，看得眼花缭乱。感觉上很难，但我觉得，把握好了背后的逻辑，这些看似凌乱的知识点就是条理清晰地串在一起。在这里，我们只需要死死盯住竞态问题，正是因为进程和CPU不再是一一对应，所以需要调度，而所谓调度，就是杂技里的用两只手玩五只球，总会区分出接回手里的、准备抛出的和停在空中的几种情况，所以也需要根据情况给进程配套设计不同的状态，调度的具体工作，就是想办法让进程在这几个状态中来回迁移倒腾，最终营造出CPU同时执行多个进程的假象。
进程之下是线程，现在又搞出了协程和纤程，以后不知道还会什么程，不过，目的只有一个，更充分地利用CPU时间，而且都难以避免一个问题，就是调度问题。调度本身不难，难就难在设计调度原则，谁上谁下，执行多久，等待多久，都需要一一加以考虑，而且最难的地方在于，调度是没有最优解的，只有在指定原则条件下，设计出相当不错的调度方案。
进程除了竞争CPU，还要竞争资源，譬如两个甚至更多的进程可能都需要同时读写同一个文件，我们熟悉的多对一的关系，会导致我们熟悉的竞态问题，在CPU那导致了调度问题，而到了资源这里，则会导致同步问题和死锁问题。
同步问题很简单，进程既然要调度，那肯定没办法把活一口气干完，譬如说读写某个文件，读到一半被换下来了，下次再换上来的时候发现，别的进程也在读写这个文件，内容变了。多线程有一个默契，就是前后环境要保持一致，你把我从CPU那换上换下我没意见，但你得保证我所处的环境是相同的，别像雍正那样一觉醒来发现大清亡了，后面也就没法跟着剧本走。那怎么保证一致性呢，这就是同步问题，方法包括互斥锁、信号量等等。
死锁问题听起感觉复杂一点，书上花了不少笔墨但内容还是不好懂。其实也不复杂，我们在小区门口喜闻乐见的堵车就是死锁。小区门口只有一条车道，早高峰大家都得排着队出去，这时如果外面有一辆车回来，开到门口又不肯避让，那就堵车了，用操作系统的术语来说，就是死锁了。
前面说，为了解决同步问题，我们会采取互斥锁等方法，简单来说，当多个进程都要使用同一项资源时，只有当前正在使用的进程用完了，也就是术语所说的资源释放了，后面的进程才可以接着用。这样做的好处当然是保证了一致性，但坏处则是导致了另一个问题，就是死锁问题。
拿前面的小区出口比划一下就清楚了。单车道当然是互斥的，要么只进要么只出，不可能一边进一边出。如果两头的来车各占一半车道，结果当然是想进来的进不来，想出去的出不去，两头堵死，这就死锁了。那怎么解决死锁问题呢，大方向有两种，一种是避免出现死锁，从根本上解决这个问题，不过难度较大。另一种则是想办法对已经发生的死锁及时检测发现，然后进行恢复。但是怎么才能及时发现死锁呢？这又是一个操作系统方向需要研究的问题。
