引言
作为大学生，每个人似乎都随身携带着一个笔记本电脑。以上这张图片是三个常见的操作系统：Windows、macOS 和 Linux。它们看起来很不一样，但实际上都属于操作系统（Operating System, OS）这个范畴。这门课旨在让你理解操作系统的核心概念、服务和设计原则，并通过一些典型的体系结构来展示它们是如何实现这些目标的。
操作系统导论通常要先回答三个问题：OS 为什么处在计算系统的核心位置，它到底负责哪些服务，以及为什么会发展出不同的系统结构。整门课的第一步，不是背术语，而是先把 OS 视为系统里负责协调资源、隔离硬件细节、并向上层提供抽象的一层核心软件。
计算环境的演化
理解 OS 的位置，可以先从计算环境的演化看起。
- 1946 年以后，计算机从最早的通用计算设备发展起来。
- 1960 年代进入高性能计算（High Performance Computing）和互联网（Internet）之前的阶段。
- 1980 年代个人计算机（Personal Computer）普及。
- 1990 年代互联网服务成为主流，计算机开始被当成网络基础设施。
- 2010 年前后，计算进入智能终端、传感与普适连接（omnipresent connectivity and sensing）阶段。
- 到 2020 年以后，人工智能与物联网进一步融合，形成 AIoT 之类的计算形态。
在这条线上，OS 一直是核心层。设备形态变了，OS 的角色也在变，但它始终负责把硬件能力组织成可用、可控、可扩展的计算环境。
操作系统的历史脉络
OS 的发展大致可以分成几个阶段。
批处理系统
1950 年代中期到 1960 年代中期，主机时代主要是批处理系统（Batch Systems）。这类系统的重点是把作业排队处理，而不是让用户实时交互。
多道程序系统
1960 年代的迷你计算机（minicomputer）时期出现了多道程序系统（Multiprogramming Systems）。Unix 也在这一时期诞生，背后是 Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 的工作。这个阶段标志着 OS 从“把任务排好”开始走向“把多个任务同时组织起来”。
个人计算机时代
1980 年代个人计算机兴起后，OS 面向的对象从大型中心机房转向个人桌面环境。这个时期的代表包括：
- MS-DOS
- SunOS
- ULTRIX
- Macintosh
- Windows 1.0 / 2.0
- IBM AIX
- HP-UX
- Minix
- SGI IRIX
- NeXTSTEP
互联网时代
1990 年代以后，网络能力变成 OS 的标准配置。这个时期的代表包括：
- Windows 3.0 / 3.1 / 95 / 98 / NT 3.1 / NT 4.0
- Linux
- Solaris 2.0
- FreeBSD
- NetBSD
- OS/2
移动、云与物联网时代
2000 年代以后，OS 又向移动端和嵌入式场景延伸。这个阶段的代表包括：
- macOS X
- Windows 2000 / Server 2003 / ME / XP / Vista / 7 / 8 / 10 / 11
- Android
- iOS
- IoT OS
这条历史线的重点不是记年代，而是看出 OS 的职责一直在扩大，从“单机控制”走向“网络化、移动化、普适化”。
为什么要学操作系统
学习 OS 的价值可以从两种思维方式理解。
计算思维
计算思维（Computational Thinking） 是不可或缺的。它本质上就是系统化地拆问题、定义约束、比较方案，再在限制下找可行解。OS 里几乎所有决策都离不开这个过程。
系统思维
操作系统面对的是大型复杂系统。真正的工程问题通常不是“有没有答案”，而是“在资源、性能、可靠性和可维护性之间怎么折中”。OS 是很典型的系统思维训练对象。
Windows Mobile、机器学习系统（ML systems）和 MacOS 这类例子都说明，OS 的影响范围早就不只是在传统 PC 上了。移动设备、AI 基础设施和桌面系统虽然形态不同，但都要面对资源调度、隔离、抽象和可靠性问题。
什么是操作系统
操作系统可以先理解为一个控制应用程序执行的程序。它会决定哪个程序先运行、运行多久、何时挂起，以及在需要时如何换出。
从功能上看，它有两个主角色。
| 角色 | 含义 |
|---|---|
| 资源管理器（resource manager） | 管理 CPU、内存、磁盘、文件等共享资源，处理冲突请求，并尽量兼顾效率与公平 |
| 应用与硬件之间的接口（interface） | 把应用程序和底层硬件隔离开，向上提供 API，让程序用统一方式申请 OS 服务 |
这也是为什么应用开发会因为 OS 的存在而简单很多。程序不需要直接面对每一种硬件差异，而是通过 OS 提供的接口去申请资源。
核心服务
OS 的核心服务可以概括成四件事。
- 让应用能够在系统上正确、有效地运行。
- 让运行中的应用能够使用内存，并在需要时共享内存。
- 让运行中的应用能够相互交互。
- 让应用能够访问和共享持久化存储中的数据。
这些服务背后的共通问题只有一个：OS 到底用什么机制（mechanism）和策略（policy）把这些事做出来。这里的重点不是“为什么要做”，因为答案通常很明显，而是“怎么做得正确、有效率，并且需要什么硬件支持”。
三个关键词
OS 的核心问题可以整理成三个词。
| 关键词 | 含义 |
|---|---|
| 虚拟化（Virtualization） | 让每个应用觉得自己独占资源，比如 CPU、内存 |
| 并发（Concurrency） | 多个事件同时发生，并且彼此可能交互 |
| 持久化（Persistence） | 让信息能够长期保存并被反复访问 |
这三个词基本可以覆盖后面大部分章节的主线。
进程与处理器管理
进程（process）本质上就是正在执行中的程序。进程要完成任务，就需要资源，例如 CPU、内存、I/O 设备、文件和初始数据。进程结束时，OS 还要回收可重复利用的资源。
系统里通常有很多进程，其中既有用户进程，也有 OS、内核（kernel）或系统进程，它们会在一个或多个 CPU 核上并发运行。
OS 在处理器管理上的职责主要包括：
- 管理和控制应用进程
- 让进程执行受限操作，例如 I/O
- 提供“有很多 CPU 可用”的错觉
- 即使进程不配合，也能重新夺回 CPU 控制权
- 设计高效的调度器（scheduler）
这里的关键不是“让谁先跑”这么简单，而是要在资源有限的情况下持续维持系统可用。
内存管理
冯·诺伊曼结构 (Von Neumann architecture) 下，运行中的程序要执行，指令和数据必须在物理内存（physical memory）中。
这是什么结构？
笔者之前没了解过OS，因此也不知道这个结构。查询后了解到，冯·诺伊曼结构是一种计算机体系结构，它描述了计算机的基本组成部分和工作原理。它包括以下几个关键组件：
- 存储器（Memory）：用于存储程序指令和数据。
- 控制器（Control Unit）：负责从存储器中获取指令，并控制计算机的操作。
- 算术逻辑单元（ALU）：执行算术和逻辑运算。
- 输入/输出设备（I/O Devices）：用于与外部世界进行交互。
- 总线（Bus）：用于连接各个组件，传输数据和指令。
下图为一张冯·诺伊曼结构的示意图：
在有限内存、多个进程并发运行的前提下，OS 的任务就是决定哪些内容应该留在内存里，以便优化 CPU 利用率和用户响应速度。
内存管理的职责包括：
- 给每个进程提供一个看起来私有的地址空间
- 控制应用能访问哪些内存位置
- 在总内存需求超过物理上限时，借助更大但更慢的磁盘
- 管理空闲空间，并在快用完时从运行中的进程回收部分内存
这部分的本质，是在“隔离”和“共享”之间找平衡。
并发
OS 本身就是并发程序。多个执行逻辑可能同时更新内核内部的数据结构。现代多核系统和多线程程序进一步放大了这个问题，因为共享数据可能被同时访问和修改。
因此，正确处理并发的前提，是使用合适的同步原语（synchronization primitives），并且让硬件和 OS 提供足够的支持。
OS 在并发方面要回答的问题包括：
- 需要哪些同步原语
- 这些原语需要硬件和 OS 提供什么支持
- 如何使用这些原语解决并发问题
如果没有同步，多个线程或多个内核执行路径同时碰共享数据，程序就很容易出错。
文件管理
OS 中负责管理磁盘存储的部分叫文件系统（file system）。它要做的事，是以可靠且高效的方式，把用户创建的数据保存在磁盘上。
文件系统提供的是一种统一、逻辑化的存储视图。它抽象掉物理介质的细节，把文件映射到实际存储位置，并提供给应用创建、访问和管理文件的机制。
文件管理的职责包括：
- 管理持久化设备
- 为新建文件寻找合适的存储位置
- 删除文件时正确回收空间
- 设计文件系统内部的数据结构，让按文件名访问文件成为可能
- 降低文件访问的 I/O 成本，因为磁盘访问很慢
设计目标
OS 的设计目标可以概括成几组。
- 通过抽象让系统更容易使用
- 在应用之间、以及 OS 与应用之间提供保护
- 尽量高效地使用系统资源
- 能适应多种硬件配置
- 具有较高可靠性，不应因为个别应用或硬件错误就崩溃
- 保护资源不被未授权用户或软件访问
- 还要考虑安全性、能效和移动性
这些目标之间往往互相拉扯，所以 OS 工程本身就是一门权衡艺术。
机制与策略
讨论现实系统问题时，一个很重要的设计原则是：机制（mechanism）和策略（policy）要分开看。
- 机制负责“能做什么”
- 策略负责“怎么做、何时做、对谁做”
操作系统设计里，这个区分很关键。很多问题并不是缺少能力，而是缺少合适的决策规则。
操作系统结构
从结构上看，OS 一般分成两层感知。
- 上层是 shell 或命令层，负责用户和 OS 的交互
- 中间有一组工具函数，供应用程序调用
- 底层是 kernel，负责管理资源并直接和硬件打交道
OS 架构的意义，就是把一个很复杂的系统组织得可管理、可扩展、可维护。
用户态与内核态
CPU 至少有两种运行模式。
| 模式 | 特点 |
|---|---|
| 内核态（kernel mode） | 也叫特权态（privilege mode）或监督态（supervisor mode），OS 内核运行时进入这一模式，可以执行机器允许的任何指令 |
| 用户态（user mode） | 应用程序运行时进入这一模式，只能使用部分机器指令，不能干扰其他程序的正常运行 |
这个区分是 OS 安全性和隔离性的基础。
系统调用
系统调用（system call）是应用程序向 OS 申请资源或服务的机制。系统调用集合构成了 OS 服务的接口，也就是 API。
当系统调用发生时，系统会从用户态切换到内核态，执行对应的内核功能，再通过 trap / return-from-trap 回到用户态。这个过程就是模式切换（mode switch）。
如果没有系统调用，应用程序就很难以受控方式使用受限资源。
单体内核
单体架构（monolithic architecture）是最传统的一类设计。它的基本特点是：OS 的所有组件都在内核里，整个系统像一个大程序一样在特权态中运行。
它的优点是效率高，组件之间可以直接函数调用，共享数据也很方便。
它的缺点也很明显：
- 体系结构相关代码容易散落在内核各处
- 一个组件可以直接访问另一个组件的数据和函数
- 某个组件的修改可能连带影响别的组件
- 一个组件的 bug 可能波及整个系统
- 恶意代码也更容易造成损害
Unix、Linux 和 MS-DOS 都属于这一类的代表。
分层架构
分层架构（layered architecture）把功能相近的组件组织成模块，再把模块一层层叠起来。每一层只能和相邻层通信。
优点主要有两个。
- 结构清晰，容易构建和调试
- 信息隐藏较好，可以用新的实现替换某一层，而不影响其他层
缺点也很直接。
- 性能通常不如单体内核
- 层次怎么划分并不容易
- 灵活性不足
- 现实系统往往比层模型更复杂
Windows NT 3.x 的分层实现曾经面临性能偏低的问题。Windows NT 4.0 把部分层从用户空间移到内核空间，做了更紧的集成，从而改善性能。
虚拟机与容器
虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor, VMM），也叫 hypervisor，可以放在宿主 OS 上运行，也可以被整合进宿主 OS 的内核中。它负责虚拟化硬件资源，让每个运行中的 OS 都以为自己独占整台机器。
从这个角度看，VMM 本质上就是“OS 的 OS”。
容器（container）技术属于 OS 级虚拟化，它把服务器虚拟化放在操作系统之上。容器里的程序只能看到分配给它的资源。典型例子包括：
- LXC
- LXD
- Solaris Zones
- Docker
- Google Containers
如果只从最简化视角看，虚拟机和容器的差别在于：
- 虚拟机虚拟的是整套硬件环境，里面跑的是完整 OS
- 容器共享宿主内核，只隔离用户空间所见的资源和环境
微内核架构
微内核（microkernel）把尽可能多的功能从内核空间移到用户空间的服务器进程里，只保留最基础的进程通信和 I/O 控制。
这样做的目的，是把内核做小。
优点：
- 更容易扩展、移植和规模化
- 更安全、更可靠，因为内核态代码更少
缺点：
- 性能通常较差
- 服务器进程之间的通信要通过内核，消息传递会带来明显开销
很多嵌入式系统会采用微内核思路，因为它们通常更重视可控性、可靠性和较小的内核规模。
模块化架构
现代 OS 往往仍保留单体内核的基本形态，但会把核心组件拆成内核模块（kernel modules）。
模块化方法有几个关键好处：
- 模块之间有明确定义且受保护的接口
- 模块都在内核中，通信效率较高
- 某些功能可以按需动态加载
- 只加载需要的模块，可以节省内存
- 模块可单独修改，也更容易扩展
典型例子包括 Solaris、Linux 和传统 Unix 内核。
具体系统例子
几个典型系统可以帮助我们理解现实 OS 架构的混合特征。
- Windows 系统架构：混合内核（hybrid kernel），带有模块化设计思想
- Linux 系统架构：整体上偏单体，但支持可加载内核模块
- Mac OS X / XNU：混合内核，并支持可加载内核扩展
- Android：在 Linux 内核基础上构建系统架构
这些例子想说明的不是“谁更先进”，而是现实系统通常会把几种架构思想混合起来，用来折中性能、稳定性和扩展性。
结论
如果把这一讲压成一句话，那就是：操作系统本质上是一个资源管理器和抽象层，它要在虚拟化、并发和持久化这三类问题上做出稳定的工程折中，并且通过不同的架构设计去平衡性能、可靠性、扩展性和安全性。