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計算機操作系統與生態系統

作者:佚名   來源:本站原創   點擊數:  更新時間:2012年03月25日   【字體:

  規律,世界的運轉遵循著一定的規則。比如地球圍繞著太陽轉,月球圍繞著地球轉。我們無法理解月球為什么叫月球,因而CPU也是如此,他為什么用的是這個名詞而不是別的,這些是一些約定俗成的東西。我們只需要理解他所代表的意義,沒有必須深究其在表面上的意義。

  我們在計算機給予了節拍的概念,也就是說在計算機運行的時候也在以某個頻率運行著操作系統,如在早期的Linux內核中,是以100Hz為節拍的。而隨后的內核有些則改用1000Hz的定時器。而這些就像我們生活中的秒一樣都是人為規定的。我們可以更改內核中的CPU節拍,同時我們也可以人為地定義這個世界的1分鐘可以是30秒,而不是60秒。這些都是人為發明和創造的,就如同我們稱呼太陽為太陽一樣。而計算機也是將我們所熟知的世界的規律帶入計算機世界中。

  定時器中斷也是相當有趣的一個設計,我們在使用操作系統的時候無法察覺到定時器的設計,每秒都發生了一定數量的中斷。而中斷的意義是使得硬件得以與處理器進行通信,而中斷也是多任務設計的一個利器。當然,我們還不知道這個世界是不是有中斷如此有趣的設計。

  但是,我們也可以將這些重新構造,也就是在C++等語言中的重構。在初等數學中1+1=2,然而你可以將“+”號重新定義,這里的”+”就不是加法、ADD了。你就是我們可以重新定義1+1=3,而”+”這是一個符號。通常,當然我們認為是加號。當然了,你也可以認為是其它已知事實。這些只是人為定義和發明的,而我們將這些已知的規律帶入了計算機世界,而使這些更為簡單。所以,我們可以將計算機定義為人類世界的延伸。故,我們可以用已知的已經熟知的這個世界的規律來理解計算機操作系統。

 

  計算機操作系統是以基于管理計算機及其他配件為基礎的軟件,也就是一個管理工具,操作系統內核管理著計算機本身及其應用程序,同時為其它程序提供系統服務,操作系統控制著計算機的所有資源。計算機本身有著極其復雜的硬件結構,無論是直接用RISC、還是MIPS等來操縱系統都是極為復雜的工作。同時在這些機器語言中有著數量不少的指令,可以用作數據傳輸、運算等操作。當然除了這些之外還有內存地址操作等等。因而操作系統的職責之一就是將所有這些復雜性的事物隱藏下來,同時為程序員提供一套更加方便的指令。(比如說,在unix shell中我們可以通過rm –rf  *來刪除某個目錄的所有文件,然而這是相當危險的。在類unix系統中,一般都認為用戶知自己的操作會帶來什么后果。)同時,我們也可以基于操作系統來開發應用程序,比如C++、Python等高級語言也是基于操作系統層次上而言的。

  我們可以將這一切類比,如同地球本身一樣,為其它生態提供了載體,而這一切又是以操作系統為核心。當我們需要建設房屋的時候我們直接買來的是磚、玻璃等等,而不會去選擇去買土,然后再用來燒磚。建設的時候,就好比是程序設計。首先我們要分析好我們的需要,為這房屋多大,什么樣子的。因而,在多數語言中一般會要求你事先了解你所要設計的程序架構等等,也就是自頂向下的編程。(也存在某些例外,比如Lisp)。這些都已經是基于類似于我們操作系統層次上的操作。

  而這一切如同我們所生活的環境一樣。我們所需的一切都是基于地球。以建筑為例,我們在建設的同時,就如同應用程序一樣,一切都是基于系統所提供的資源。如房屋、木材等,而這都是利用周圍的資源所構成的。而資源都是有限,盡管我們在當前認為有些資源是無限的,然而,我們也會發現這一切是有限的。

  開發PC程序時,通常不會去限制對資源(如內存等)的使用,除在某些特定的開發領域如嵌入式、游戲編程等。在我們所生活的環境中,我們會遇到這樣或者那樣的災難,而這些都是不可預料的,正如系統中的BUG一樣。就當我們對自然規律不斷掌握的同時,我們也會遇到這樣或者那樣無法解決的問題,而映射在WINDOWS系統中比如藍屏,或者在單片機中遇到的溢出等等。我們還無法遇知問題出在哪里。因而,如同自然規律一樣,軟件中的BUG也是存在的,隨著開發的進行,數量會減少,但是還是存在的。就好比是數學領域人們在計算最大的質數一樣,軟件中的BUG也是那個質數。雖然你在此時認為BUG已經被消除了,然而它還是存在的,只不過不知道它在何處罷了。

  從沒有操作系統到簡單的批處理系統,就有如地球的的誕生一樣。而批處理簡單就像第一個細胞的誕生那樣有著重要的意義,你可以將之類比為今天的人的大腦和操作系統的關系,今天的操作系統當然還不比人的智能,然而意義上也可以是相當的。我們可以發現,這有著如此的相似之處。

  一個又一個的人類好比是計算機中一個個簡單的線程,每個人都是獨立的的有著自己的思想,行動等等,然而有這么幾群人為著一個共同的目標為努力著,這就構成了操作系統中的進程。一個進程可以由N多個線程構成,當然這只是理論值。我們暫且將之類比為一家公司,一個進程如同一家公司一樣,它有N多個員工,也就是線程。而當一家公司不斷擴大的時候,就可能觸犯邊界,也就是法律給予的邊境。每個系統本身也給予了程序一定的資源使用范圍。當一個程序占用了過多的系統的資源的時候,操作系統就開發干涉這個程序的行為。就像壟斷法所規定的公司應當如何如何一樣,如果你觸發了這個邊界,那么你可能如同美孚石油一樣被拆分,而這一切也是相當的有趣的。

  當我們在一個團隊里面工作的時候,有時候幾個人同時做一件事的,也有可能在同一時間段內由不同的人來做同一件事了。而我們的核心就是完成某個任務,聽起來是不是很像操作系統的任務的運行。而我們在做這個任務的時候可以得到團隊最好的資源和人力,那么這就是搶占式(Preemptive),因為我們可以優先獲得系統資源。當然了,同一團隊中如果去搶別人的資源可能是不好的行為,當然了其它線程也可以做出讓步(yielding)。因而一個內核調配器的設計在整個操作系統中是極為重要的。會影響系統資源的利用,及多進程的并發效果。基于搶占式多任務(Preemptive multitasking)設計的linux內核中,進程在被搶占之前能夠運行的時候是預先設置好的,而且有一個專門的名字,叫進程的時間片(timeslice)。

  當然了一個操作系統中可能會有不同的高度程序,就像我們在執行一個任務的時候會有不同的方法一樣。在Solaris中,有多個調度程序可以并發操作。Solaris提供表驅動的、隨用量減少的分時調度程序(TS);為窗口系統優化的交互高度程序(IA);基于共享的調度程序(FSS);固定優先級的調度程序(FX)及實時的固定優先級的調度程序(RT)。

  一個操作系統中,也包含文件系統,而你可以將之類比為什么呢,地球。。。。我們所用的軟件將依賴于文件系統,隨著開發的不斷進行,這還在相當長的時間還是一樣的。你會發現,我們生活在地球上,我們所工作、生活的地方也是在地球上的。而這一切都是有限的,因為資源從來都是有限的。取之不盡用之不竭那只是鬼話,一種相當激進的自我安慰。

因而將操作系統形像為我們所居住的環境,你會發現這一切是如此的簡單。在生態中,一切都是對象,無論是人類還是其它什么的,他們之間有著共同的屬性,比如,人和猴子一樣都有四肢。而這之間又有著如此多的區別,就以人類而論,男人和女人之間又有著這么多的區別,他們這又是人類。又有大腦,等等。你又能加以從性方面加以區別。

  人的思考就有如系統一樣,在不斷地進行判斷,馮體系的操作系統是如此只有真和假,而人的大腦也是如此吧,只不過加以了一個又個復雜的編程,就如計算機誕生之時,人們會驚嘆其的偉大和神奇,而人的大腦也如同其一樣復雜,編程的一個又一個的終點就是BIN,二進制。而就是1和0構成了這個復雜的世界。而我們所生活的世界就是由這個,那個化學元素構成的,而你又會發現這一個又一個神奇的事物的構成究其底是什么呢H,也就是所謂的氫。我們所生活的世界到最后也就是由氫構成的,就如同計算機世界的1一樣,有著神奇的功能,而0呢,有趣的是你會發現0是什么也沒有,正如同物理學家告訴你真空的存在一樣,0就是這個世界的真空。

  因而,你可以將計算機操作系統等等理解為這個世界,一切都是如此的有趣,有著如此多的相似之處而。更有趣的是人的大腦吧,就像早期的操作系統沒有多任務屬性一樣。而人的大腦同上也是一個神奇的多任務操作系統,當然了你可能會說人的大腦無法同一時間處理兩件事,而操作系統可以嗎?答案是不可以的。一個時間片我們只能考慮這件事,然而一天呢,我們可以想這件事或者那件事。因而,操作系統的多任務也是如此的。在一段時間內做那件事,在那一個時間內做另外一件事。盡管相互之間有著如此多的區別,當然了。有的系統,可能不是基于時間片的。

  你可以將法律類比為操作系統的一個個策略、管理單元等等。而這一切都是為了操作系統有著更好的開發環境,或者說這是為了讓人與人和平的相處下來,而不至于發生矛盾。當發生問題的時候,就有了規范有了解決方案,這就是系統存在的意義,如同國家對于人民的意義一樣。這個國家可能會有病毒,你可以將之稱之為造反。病毒就如同義軍一樣,要么你平息了他,要么,你被他“平息”了。但是一個新的操作系統不會因此而誕生,這也是兩者間的區別。

  虛擬世界和現實世界不可能都是盡處相同的。我們無法將此一一對應,當然了,我們可以將現實世界中的設計帶入計算機操作系統設計之中。


 參考書目包括但不限于以下文獻:

《Solaris內核結(第二版)》Richard McDougall  Jim Mauro著,機械工業出版社,2007;

《Linux內核設計與實現(第二版)》Robert Love 著,      機械工業出版社,2009;

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