一、概述
操作系统其实就像一个软件外包公司，其内核就相当于这家外包公司的老板。所以接下来的整个课程中，请你将自己的角色切换成这家软件外包公司的老板，设身处地地去理解操作系统是如何协调各种资源，帮客户做成事情的。
鼠标和键盘是计算机的输入设备。大部分的普通用户想要告诉计算机应该做什么，都是通过这两个设备。例如，用户移动了一下鼠标，鼠标就会通过鼠标线给电脑发消息，告知电脑，鼠标向某个方向移动了多少距离。对于操作系统来讲，输入设备会发送一个中断。称为中断事件（Interrupt Event）。
电脑上的程序有很多，什么有道云笔记的程序、Word 程序等等，它们都以二进制文件的形式保存在硬盘上。硬盘是个物理设备，要按照规定格式化成为文件系统，才能存放这些程序。文件系统需要一个系统进行统一管理，称为文件管理子系统（File ManagementSubsystem）。
显示器，是计算机的输出设备，将计算机处理用户请求后的结果展现给客户。显示器上面显示的东西是由显卡控制的。无论是显示器还是显卡，这里都有个“坐标”的概念，也就是说，什么图像在哪个坐标，都是定义好了才画上去的。本来在某个坐标画了一个鼠标箭头，当接到鼠标移动的事件之后，你应该按相同的方向，按照一定的比例（鼠标灵敏度），在屏幕的某个坐标再画一个鼠标箭头。显卡会有显卡驱动，在操作系统中称为输出设备驱动。
例如 QQ 的二进制文件是静态的，称为程序（Program），而运行起来的 QQ，是不断进行的，称为进程（Process）。
一些操作如对文件的读写、打印机的操作等是放在操作系统内核里面的，进程不能随便操作。系统调用也能列出来提供哪些接口可以调用，进程有需要的时候就可以去调用。
在操作系统中，进程的执行也需要分配 CPU 进行执行，也就是按照程序里面的二进制代码一行一行地执行。于是，为了管理进程，我们还需要一个进程管理子系统（ProcessManagement Subsystem）。 如果运行的进程很多，则一个 CPU 会并发运行多个进程，也就需要 CPU 的调度能力了。
在操作系统中，不同的进程有不同的内存空间，但是整个电脑内存就这么点儿，所以需要统一的管理和分配，这就需要内存管理子系统（Memory Management Subsystem）。
二、几个命令
其实 Linux 命令也是一个程序，只不过代码是别人写好的，我们直接用就可以了。
三、几个系统调用
进程管理
1. 创建进程
创建进程的系统调用叫fork。这个名字很奇怪，中文叫“分支”。在 Linux 里，要创建一个新的进程，需要一个老的进程调用 fork 来实现，其中老的进程叫作父进程（Parent Process）， 新的进程叫作子进程（Child Process）。 当父进程调用 fork 创建进程的时候，子进程将各个子系统为父进程创建的数据结构也全部拷贝了一份，甚至连程序代码也是拷贝过来的。
对于 fork 系统调用的返回值，如果当前进程是子进程，就返回 0；如果当前进程是父进程，就返回子进程的进程号。 这样首先在返回值这里就有了一个区分，然后通过 if-else 语句判断，如果是父进程，还接着做原来应该做的事情；如果是子进程，需要请求另一个系统调用execve来执行另一个程序，这个时候，子进程和父进程就彻底分道扬镳了，也即产生了一个分支（fork）了。
同样是“先拷贝，再修改”的策略，你可能会问，新进程都是父进程 fork 出来的，那到底谁是第一个呢？启动的时候先创建一个所有用户进程的“祖宗进程”。
有时候，父进程要关心子进程的运行情况，这毕竟是自己身上掉下来的肉。有个系统调用waitpid，父进程可以调用它，将子进程的进程号作为参数传给它，这样父进程就知道子进程运行完了没有，成功与否。
内存管理
在操作系统中，每个进程都有自己的内存，互相之间不干扰，有独立的进程内存空间。进程的内存空间放程序代码的这部分，称为代码段（Code Segment）。 放进程运行中产生数据的这部分，称为数据段（DataSegment）。 其中局部变量的部分，在当前函数执行的时候起作用，当进入另一个函数时，这个变量就释放了；也有动态分配的，会较长时间保存，指明才销毁的，这部分称为堆（Heap）。
一个进程的内存空间是很大的，32 位的是 4G，64 位的就更大了，我们不可能有这么多物理内存。一定是需要的时候再分配。所以，进程自己不用的部分就不用管，只有进程要去使用部分内存的时候，才会使用内存管理的系统调用来登记，说自己马上就要用了，希望分配一部分内存给它，但是这还不代表真的就对应到了物理内存。只有真的写入数据的时候，发现没有对应物理内存，才会触发一个中断，现分配物理内存。
在堆里面分配内存的系统调用，brk和mmap。 当分配的内存数量比较小的时候，使用 brk，会和原来的堆的数据连在一起。当分配的内存数量比较大的时候，使用mmap，会重新划分一块区域。
文件管理
对于文件的操作，下面这六个系统调用是最重要的：
对于已经有的文件，可以使用open打开这个文件，close关闭这个文件；对于没有的文件，可以使用creat创建文件；打开文件以后，可以使用lseek跳到文件的某个位置；可以对文件的内容进行读写，读的系统调用是read，写是write。
Linux 里有一个特点，那就是一切皆文件。
- 启动一个进程，需要一个程序文件，这是一个二进制文件。
- 启动的时候，要加载一些配置文件，例如 yml、properties 等，这是文本文件；启动之后会打印一些日志，如果写到硬盘上，也是文本文件。
- 但是如果我想把日志打印到交互控制台上，在命令行上唰唰地打印出来，这其实也是一个文件，是标准输出stdout 文件。
- 这个进程的输出可以作为另一个进程的输入，这种方式称为管道，管道也是一个文件。
- 进程可以通过网络和其他进程进行通信，建立的Socket，也是一个文件。
- 进程需要访问外部设备，设备也是一个文件。
- 文件都被存储在文件夹里面，其实文件夹也是一个文件。
- 进程运行起来，要想看到进程运行的情况，会在 /proc 下面有对应的进程号，还是一系列文件。
每个文件，Linux 都会分配一个文件描述符（File Descriptor）， 这是一个整数。有了这个文件描述符，我们就可以使用系统调用，查看或者干预进程运行的方方面面。
信号处理
当进程遇到异常情况，需要发送一个信号（Signal）。经常遇到的信号有以下几种：
- 在执行一个程序的时候，在键盘输入“CTRL+C”，这就是中断的信号，正在执行的命令就会中止退出；
- 如果非法访问内存，可能会看到不该看的东西；
- 硬件故障，设备出了问题；
- 用户进程通过kill函数，将一个用户信号发送给另一个进程。
每种信号都定义了默认的动作，例如硬件故障，默认终止；也可以提供信号处理函数，可以通过sigaction系统调用，注册一个信号处理函数。例如，SIGKILL（用于终止一个进程的信号）和 SIGSTOP（用于中止一个进程的信号）。
进程间通信
- 消息队列（MessageQueue）: 这个消息队列是在内核里的，这个消息队列是在内核里的，我们可以通过msgget创建一个新的队列，msgsnd将消息发送到消息队列，而消息接收方可以使用msgrcv从队列中取消息。
- 当需要交互的信息比较大的时候，可以使用共享内存的方式，这样数据就不需要拷贝来拷贝去。这时候，我们可以通过shmget创建一个共享内存块，通过shmat将共享内存映射到自己的内存空间，然后就可以读写了。
但是，两个进程共同访问同样的数据，就会存在“竞争”的问题。这就需要有一种方式，让不同的人能够排他地访问，这就是信号量的机制Semaphore。
对于只允许一个人访问的需求，我们可以将信号量设为 1。当一个人要访问的时候，先调用sem_wait。如果这时候没有人访问，则占用这个信号量，他就可以开始访问了。如果这个时候另一个人要访问，也会调用 sem_wait。由于前一个人已经在访问了，所以后面这个人就必须等待上一个人访问完之后才能访问。当上一个人访问完毕后，会调用sem_post将信号量释放，于是下一个人等待结束，可以访问这个资源了。
网络通信
不同机器的通过网络相互通信，要遵循相同的网络协议，也即TCP/IP 网络协议栈。Linux内核里有对于网络协议栈的实现。网络服务是通过套接字 Socket 来提供服务的。Socket 这个名字很有意思，可以作“插口”或者“插槽”讲。虽然我们是写软件程序，但是你可以想象成弄一根网线，一头插在客户端，一头插在服务端，然后进行通信。因此，在通信之前，双方都要建立一个 Socket。
我们可以通过 Socket 系统调用建立一个 Socket。Socket 也是一个文件，也有一个文件描述符，可以通过读写函数进行通信。
Glibc
如果你做过开发，你会觉得刚才讲的和平时咱们调用的函数不太一样。这是因为，平时你并没有直接使用系统调用。使用的是中介Glibc，它会转换成为系统调用，帮你调用。
Glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库，它是 GNU 发布的 libc 库。Glibc 为程序员提供丰富的 API，除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外，最重要的是封装了操作系统提供的系统服务，即系统调用的封装。
每个特定的系统调用对应了至少一个 Glibc 封装的库函数，比如说，系统提供的打开文件系统调用 sys_open 对应的是 Glibc 中的 open 函数。
有时候，Glibc 一个单独的 API 可能调用多个系统调用，比如说，Glibc 提供的 printf 函数就会调用如 sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close 等等系统调用。也有时候，多个 API 也可能只对应同一个系统调用，如 Glibc 下实现的 malloc、calloc、free 等函数用来分配和释放内存，都利用了内核的 sys_brk 的系统调用。
