操作系统是一个大而复杂的话题，如果想要用一篇文章讲清楚操作系统，那简直就是不自量力了，所以这篇文章是从大框架上分享一下我理解的操作系统，话不多说，发车！
一、操作系统概念
小故事：2019年8月9日华为发布了自己的鸿蒙操作系统，打破了长期以来国内对国外操作系统的依赖，虽然现在鸿蒙的市场占有率还远远落后于国外的操作系统，但是对于国内操作系统的发展是非常有意义的。
问题1：什么是操作系统？
一台现代计算机设备，比如手机、电脑、是由软件和硬件共同组成，缺一不可。如果我们的手机或者电脑没有软件的话，对我们而言就是一块板砖，毫无用处。如果需要使用硬件的计算能力需要通过编写程序跑在硬件上，而编写的这个程序就是软件。而软件也分为应用级软件和系统级软件，我们电脑上会安装比如360、微信、QQ、浏览器等软件都属于应用级软件，这些软件不直接和硬件沟通，而是调用操作系统的接口来实现对应的功能，而各种操作系统其实就是一款直接和硬件打交道的软件，操作系统需要管理内存、文件、进程、IO等设备。当然再细分的话，操作系统可以分为桌面操作系统，手机操作系统，服务器操作系统，嵌入式操作系统等，而今天主要以桌面操作系统来进行介绍，下面用一张图来表示他们的关系：
问题2：为什么要分为系统级软件和应用级软件呢？
在经济学中有一个分工原理的概念，大概的意思就是说在商业世界里，因为分工越来越明确，专门的人干专门的事情，效率也会越来越高。计算机的世界里也是追求效率的，甚至比现实世界更加追求效率，这就要求分工要尽可能的明确。所以大家试想一下，如果没有操作系统这个更底层的软件，那么第一：像微信、QQ这些软件就需要自己去管理内存、文件、输入、输出设备。这就极大的增加了程序编码人员的心智负担和学习成本，不利于软件行业的发展。第二：应用程序之间可能会存在打架的现象，因为各个应用程序之间都是自己去抢占CPU的资源，没人负责调度和管理，那就相当于一群猴子，没有猴王管理，那就乱套了。
因此这样的分工是非常有必要的，操作系统负责管理和调度应用程序，操作系统通过某种机制去决定谁去占用CPU资源，不让应用程序因为CUP资源而打架，其次操作系统统一来和硬件打交道，负责管理内存、进程、硬盘、IO等设备，对外暴露接口给上层的应用程序。而应用程序就可以专注于业务的开发，不需要去操心怎么更好的管理内存、硬盘等设备。
二、硬件
现代计算机都是符合冯诺伊曼体系的，即一台计算机存储单元、计算单元、控制单元、输入设备、输出设备组成。如果对标现代计算机中的各种设备，那么就有以下的关系。
问题3：32位和64位是什么意思？
大家如果查看自己电脑的配置，可能会看到这样的配置信息
64位操作系统，基于x64的处理器。这个是什么意思呢？简单来讲，这个多少位代表位宽，即计算机在线路上一次性可以传输多少位的数据，也代表处理器一次性可以计算的数的大小。
因此基于32位的处理器代表处理器一次性可以计算0 - 4294967296之间的数，而不需要额外的转换。同理基于64位的处理器代表一次性可以计算0-2的64次方的之间的数而不需要额外的转换。当然现实生活中我们其实很少计算超过42亿这个数的需求，所以64位处理器的优势要在大数计算的情况下才能有所体现。
如果用 32 位 CPU 去加和两个 64 位大小的数字，就需要把这 2 个 64 位的数字分成 2 个低位 32 位数字和 2 个高位 32 位数字来计算，先加个两个低位的 32 位数字，算出进位，然后加和两个高位的 32 位数字，最后再加上进位，就能算出结果了，可以发现 32 位 CPU 并不能一次性计算出加和两个 64 位数字的结果。
以上我们说明的是硬件的 32位 和 64位的区别，相信大家都现在都能理解了，但其实软件也有32位和64位的区别。我们说操作系统也是一个软件，因此有以上的多少位操作系统的说明，但有的时候我们下载应用软件的时候，也会有这样的选项。
软件的多少位代表的其实是指令的位数，软件在交给硬件运行的时候，是需要编译为二进制的机器码的，也就是一堆010100101，而64位的软件的程序当中访问的是64位大小的地址空间，这个地址空间交给32位的处理器是运行不了的。32位的处理器没有那么大的寻址能力。就相当于火车和过山车都有自己的轨道，但火车没办法跑在过山车的轨道，因为火车太宽太大了，过山车的轨道根本无法承受。
三、操作系统结构
既然要了解操作系统，那么首先需要学习一下操作系统的结构。
操作系统最为核心的部分就是内核，在服务器操作系统 —— linux操作系统中，最为核心的其实就是linux内核。而由于linux是开源的，所以基于linux内核，经过各种各样的组织和公司的迭代开发，发行了很多分支的操作系统，比如centOS、ubuntu、Fedora等。对于windows操作系统来说也是一样的，也有windows内核，只不过windows操作系统并不开源，如果想要开发windows操作系统，只有进入微软公司才有机会！
下面用一张图来介绍内核【kernel】和硬件的关系。
对于内核的架构一般有这三种类型：
- 宏内核，包含多个模块，整个内核像一个完整的程序；
- 微内核，有一个最小版本的内核，一些模块和服务则由用户态管理；
- 混合内核，是宏内核和微内核的结合体，内核中抽象出了微内核的概念，也就是内核中会有一个小型的内核，其他模块就在这个基础上搭建，整个内核是个完整的程序；
Linux 的内核设计是采用了宏内核，Window 的内核设计则是采用了混合内核。
四、内存管理
问题4：什么是内存？
内存是由DRAM（动态随机存储器）芯片组成的。DRAM的内部结构可以说是PC芯片中最简单的，是由许多重复的单元——cell组成，每一个cell由一个电容和一个晶体管（一般是N沟道MOSFET）构成，电容可储存1bit数据量，充放电后电荷的多少（电势高低）分别对应二进制数据0和1。
我们可以把内存想象成为一个二维的数组，每一个格子都具备存储一定大小的数据的能力，只不过这个能力需要一直通电才可以维持，断电之后这些数据就丢失了。
操作系统管理内存的方式叫做虚拟内存技术，上面的图是代表的是硬件，这种客观现实的内存叫做物理内存。而我们写应用程序时声明的变量，访问的内存其实是虚拟内存，例如：
const a = '我是一个变量'
console.log(a)
当我们要打印这个变量时，js引擎需要访问这个变量所对应的内存地址，而这个内存地址其实是虚拟内存地址，而非物理内存地址。虚拟内存地址和物理内存地址会有一个映射关系，这种映射关系便是由操作系统内核和硬件的配合共同来维护和实现，确保我们访问的内存地址能够准确访问到相应的数据。
问题5：为什么要有这个虚拟内存地址呢？直接访问物理内存不行么？
如果我们的计算机永远只跑一个程序，那其实不用虚拟内存技术其实是可以的，但是大家想一下我们的计算机是不是同时在跑很多个程序。一个程序如果直接访问物理内存，那么如果a程序明明维护好了一个变量，b程序在某个时候不小心把a程序维护的这个变量给改了，那a程序不就der了么？这就好比你有一个女朋友，你们明明关系很好，现实世界里很容易突然半路杀出一个高富帅杀出来给你截胡了，你是不是很气。所以不能够直接访问物理内存。那怎么办呢？你想了一个办法，你创建了一个平行宇宙，在这个平行宇宙里，只有你和你女朋友两个人，别的男人根本就没办法到达你这个平行宇宙。所以你很开心，终于可以不怕女朋友被别人抢走了。
虚拟内存就是这样一个技术，对于a程序而言，他就像拥有一块独立的内存空间一样，别的程序永远无法访问a的空间。虚拟内存提供了一个安全的沙箱隔离环境。
当然作为上帝视角，我们知道这其实都是给a程序的假象，实际上只不过是操作系统在物理内存中隔离出若干个空间，让每个程序只能访问或写入属于自己的那一块空间而已。
五、进程管理
对于操作系统而言，在他的上层运行着若干个程序，这些程序都是一个又一个进程。我们可以把这多个进程看作一个又一个任务，表面上似乎CPU同时处理着这些任务，但其实微观层面并不是，对于一个CPU而言，同一时刻只能处理一个任务，然后CPU不停的切换处理的任务，由于切换的频率非常快，所以宏观上我们就感觉好像是同时在处理很多任务，所以我们建立一个模型。
如果有先后产生了 A、B、C、D四个任务，作为操作系统，是不是首先要考虑在当下时刻该把谁交给CPU去执行？
这就要提到进程的调度算法了？
先来先服务调度算法
既然任务的产生有先后，我们可以通过一个队列去维护任务，先产生的进入队列，然后每次从队列中取出一个任务，交给CPU执行后，再取出下一个，直到队列清空。
但是这样做有一个问题，那就是如果先加入队列的任务执行时间比较长的话，那么后面来的短任务就需要等很长的时间，这对于短的任务显然是不公平的，会让短任务等很长的时间。
最短作业优先调度算法
那我们改进一下，依然维护一个队列，每产生一个任务，我们判断一下所需要的时间，然后根据时间排一下顺序，短任务放前面，长任务放后面。
这样做虽然弥补了上面的问题，但是又产生了新的问题，如果新来的都是短任务，那么长任务就没有机会执行，这样的话显然对长任务又不公平了。
时间片轮转调度算法
比较公平的算法应该是这样的，维护一个队列，我们给每一个任务分配固定的时间片，对于短任务，可能是刚好用完时间片，或者没有用完提前结束，就从队列中取出下一个任务。对于长任务，分配的时间片一旦结束，就直接中断执行，保存好上下文信息，将其加入到队尾，继续从队列中取出下一个任务，直到队列清空。
这个方法显然是公平的，但是绝对的公平真的好么？不一定，因为对于用户而言，应该需要有优先级的概念，比如用户移动了鼠标，敲击了键盘，CPU应该首先响应，处理这个任务，否则给用户的感觉就是卡顿和迟钝的。因此操作系统需要把这一层考虑到位。
最高优先级调度算法
在时间片轮转的基础上，我们可以把每个任务产生的那一刻分配一个优先级，如果有高优先级，我们首先加到队首，对于低的优先级，退而求其次放到队尾，这样的话，算是解决了这个优先级的问题。
但是有个问题，优先级似乎在产生的那一刻就确定了，不能再改变了，这对于系统的运行显然是不利的。
多级反馈队列调度算法
「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短
「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列；
来看看，它是如何工作的：
- 设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；
- 新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；
- 当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；
可以发现，对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业，如果在第一级队列处理不完，可以移入下次队列等待被执行，虽然等待的时间变长了，但是运行时间也会更长了，所以该算法很好的兼顾了长短作业，同时有较好的响应时间。
六、总结
我们来总结一下，本篇博客从框架方面介绍了一下操作系统，涉及到操作系统概念、硬件组成、内存管理、进程管理等。笔者能力有限，很多细节其实都没有办法谈起，例如操作系统置换算法、文件管理、虚拟内存和物理内存如何映射的等等。参考资料中有笔者认为不错的内容推荐，大家可以自行学习。最后感谢大家的阅读，有不正确的地方还请大神评论区指出。
