什么是操作系統(tǒng)？

操作系統(tǒng)（OS）是一種復(fù)雜的軟件程序，它管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源，并為計(jì)算機(jī)程序提供通用服務(wù)。它是任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的必要組件，沒(méi)有它，用戶無(wú)法運(yùn)行任何應(yīng)用程序。

一些最受歡迎的操作系統(tǒng)包括Windows，macOS和Linux。這些操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、用戶界面、功能和與不同應(yīng)用程序的兼容性方面都有所不同。Windows是最廣泛使用的操作系統(tǒng)，具有用戶友好的界面和對(duì)各種硬件和軟件的支持。macOS是用于Apple計(jì)算機(jī)的流行操作系統(tǒng)，以其安全性和穩(wěn)定性而聞名。Linux是一種免費(fèi)且開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)，受到開(kāi)發(fā)人員和重視定制和靈活性的用戶的歡迎。

操作系統(tǒng)的主要功能是管理計(jì)算機(jī)資源，包括中央處理器（CPU）、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備、輸入和輸出（I/O）設(shè)備以及其他硬件組件。操作系統(tǒng)將這些資源分配給不同的應(yīng)用程序和進(jìn)程，確保它們高效地工作且不沖突。

除了管理計(jì)算機(jī)資源之外，操作系統(tǒng)還為計(jì)算機(jī)程序提供通用服務(wù)。這些服務(wù)包括文件管理、設(shè)備管理、安全和網(wǎng)絡(luò)。文件管理允許用戶在分層結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建、存儲(chǔ)、修改和刪除文件。設(shè)備管理使操作系統(tǒng)能夠與各種硬件組件（如打印機(jī)、掃描儀和相機(jī)）進(jìn)行通信。安全功能保護(hù)系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)、病毒、惡意軟件和其他威脅。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)允許用戶連接到其他計(jì)算機(jī)、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)交換。

操作系統(tǒng)還為運(yùn)行應(yīng)用程序軟件（如文字處理器、Web瀏覽器和游戲）提供平臺(tái)。它提供一組庫(kù)、API和工具，供開(kāi)發(fā)人員在系統(tǒng)上創(chuàng)建和運(yùn)行程序。操作系統(tǒng)確保這些應(yīng)用程序與底層硬件和軟件兼容，并遵循某些標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則。

操作系統(tǒng)是任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。它為運(yùn)行應(yīng)用程序軟件提供平臺(tái)，管理計(jì)算機(jī)資源，并為計(jì)算機(jī)程序提供通用服務(wù)。它在確保計(jì)算機(jī)高效、可靠和安全工作以及用戶可以有效和方便地執(zhí)行任務(wù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

以下是IT工程師必須了解的10個(gè)操作系統(tǒng)基本概念。

Process management進(jìn)程管理

進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)的一個(gè)功能，它處理與進(jìn)程相關(guān)的各種任務(wù)，例如創(chuàng)建、調(diào)度、終止和同步進(jìn)程。進(jìn)程是正在處理器上執(zhí)行的程序?qū)嵗?，它具有唯一的?biāo)識(shí)符（PID）、狀態(tài)（如就緒、運(yùn)行或等待）和各種屬性（如優(yōu)先級(jí)、內(nèi)存分配和 CPU 寄存器），這些屬性存儲(chǔ)在稱為進(jìn)程控制塊（PCB）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。操作系統(tǒng)使用 PCB 來(lái)管理和控制進(jìn)程。

操作系統(tǒng)執(zhí)行進(jìn)程管理的幾個(gè)活動(dòng)：

• 它創(chuàng)建和刪除用戶和系統(tǒng)進(jìn)程。
• 它根據(jù)某個(gè)算法（如輪轉(zhuǎn)或基于優(yōu)先級(jí)）在 CPU 上調(diào)度進(jìn)程和線程。
• 它在需要時(shí)暫停和恢復(fù)進(jìn)程（如進(jìn)行 I/O 操作或多任務(wù)處理）。
• 它提供進(jìn)程同步的機(jī)制（如信號(hào)量或鎖），以確保進(jìn)程在訪問(wèn)共享資源時(shí)不會(huì)相互干擾。
• 它提供進(jìn)程通信的機(jī)制（如管道或消息隊(duì)列），允許進(jìn)程相互交換信息。

進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方面，因?yàn)樗绊懴到y(tǒng)的性能、可靠性和安全性。操作系統(tǒng)必須確保進(jìn)程被高效和公平地執(zhí)行，資源被優(yōu)化和動(dòng)態(tài)地分配，死鎖被預(yù)防或解決，錯(cuò)誤被優(yōu)雅地處理

Memory/Storage management內(nèi)存/存儲(chǔ)管理

操作系統(tǒng)的內(nèi)存/存儲(chǔ)管理是將內(nèi)存或存儲(chǔ)空間分配和釋放給在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的程序或進(jìn)程的過(guò)程。操作系統(tǒng)的內(nèi)存/存儲(chǔ)管理確保每個(gè)程序或進(jìn)程都有足夠的內(nèi)存或存儲(chǔ)空間來(lái)執(zhí)行其指令并存儲(chǔ)其數(shù)據(jù)，而不會(huì)干擾其他程序或進(jìn)程。操作系統(tǒng)的內(nèi)存/存儲(chǔ)管理還通過(guò)最小化碎片、重復(fù)和浪費(fèi)來(lái)優(yōu)化內(nèi)存或存儲(chǔ)資源的使用。

File systems文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用于控制如何在存儲(chǔ)設(shè)備上存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)組織成具有名稱、屬性、權(quán)限和其他元數(shù)據(jù)的文件和目錄。文件系統(tǒng)還提供諸如崩潰恢復(fù)、安全性、效率和性能等功能。

有許多類型的文件系統(tǒng)，每種都具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。一些文件系統(tǒng)的示例包括NTFS、FAT、exFAT、ext4、btrfs、zfs等。這些文件系統(tǒng)在兼容性、可靠性、可擴(kuò)展性、加密和壓縮等方面存在差異。

文件系統(tǒng)對(duì)于操作系統(tǒng)的正常高效運(yùn)行至關(guān)重要。它們幫助用戶輕松安全地訪問(wèn)其數(shù)據(jù)。它們還幫助操作系統(tǒng)管理存儲(chǔ)空間并優(yōu)化設(shè)備的性能。

I/O management I/O管理

Linux的I/O管理是控制Linux系統(tǒng)中不同設(shè)備和程序之間數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)倪^(guò)程。I/O管理涉及多個(gè)組件，例如：

• I/O流：這些是從源到目的地?cái)y帶數(shù)據(jù)的通道。Linux有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流：標(biāo)準(zhǔn)輸入(stdin)，標(biāo)準(zhǔn)輸出(stdout)和標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤(stderr)。可以使用>，>>，<，|等運(yùn)算符重定向這些流。例如，echo 'Hello' > file.txt將echo的輸出重定向到名為file.txt的文件中。
• I/O設(shè)備：這些是執(zhí)行輸入或輸出操作的硬件組件，例如磁盤、鍵盤、鼠標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)卡等。Linux將每個(gè)設(shè)備視為一個(gè)文件，可以通過(guò)/dev目錄下的路徑訪問(wèn)。例如，/dev/sda是第一個(gè)磁盤設(shè)備。
• 設(shè)備控制器：這些是電子組件，用于在設(shè)備和其驅(qū)動(dòng)程序之間進(jìn)行接口。它們處理與設(shè)備的通信的低級(jí)細(xì)節(jié)，可以具有自己的處理器、內(nèi)存或總線控制器。
• 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：這些是插入操作系統(tǒng)以管理特定設(shè)備的軟件模塊。它們提供了一個(gè)抽象的接口，使程序可以訪問(wèn)設(shè)備而不必知道其詳細(xì)信息。
• 端口和總線：這些是設(shè)備相互通信以及與CPU通信的連接點(diǎn)和路徑。根據(jù)其速度和功能，有不同類型的端口和總線。例如，PCI Express(PCIe)是一種高速總線，用于連接諸如圖形卡和網(wǎng)絡(luò)卡之類的設(shè)備。

Linux的I/O管理基于Unix哲學(xué)，制作能夠很好地完成一件事并可以使用重定向運(yùn)算符組合在一起的工具。這使得執(zhí)行各種I/O任務(wù)具有靈活性和效率。

Networking網(wǎng)絡(luò)

操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)指的是操作系統(tǒng)（OS）在網(wǎng)絡(luò)上與其他設(shè)備和系統(tǒng)通信的能力。支持網(wǎng)絡(luò)的OS可以使用各種協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立連接，交換數(shù)據(jù)，并與網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)共享資源。操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)使得許多依賴于分布式計(jì)算的應(yīng)用和服務(wù)成為可能，例如云計(jì)算、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、電子郵件、文件共享、在線游戲、視頻會(huì)議等等。

為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)能力，需要幾個(gè)組件。這些包括提供物理訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)媒介的網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）；轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)包的交換機(jī)和路由器；允許無(wú)線連接的接入點(diǎn)；傳輸數(shù)據(jù)的電纜或無(wú)線信號(hào)；以及處理網(wǎng)絡(luò)邏輯方面的驅(qū)動(dòng)程序、協(xié)議、應(yīng)用程序和服務(wù)等軟件組件。

操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能是現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)的重要特性。它允許用戶從世界任何地方訪問(wèn)信息和資源；它促進(jìn)人們和組織之間的協(xié)作和通信；它通過(guò)提供備份和冗余選項(xiàng)來(lái)增強(qiáng)安全性和可靠性；它通過(guò)將工作負(fù)載分配給多個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)提高性能和效率；它通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的新應(yīng)用程序和服務(wù)來(lái)支持創(chuàng)新和創(chuàng)造力。

Boot process（Startup Management（init.d））開(kāi)機(jī)過(guò)程

操作系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)過(guò)程是指在計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，操作系統(tǒng)將自身加載到內(nèi)存中的一系列步驟。開(kāi)機(jī)過(guò)程可以分為六個(gè)主要階段：

• BIOS：BIOS（Basic Input/Output System）是存儲(chǔ)在主板芯片上的固件，當(dāng)計(jì)算機(jī)通電時(shí)運(yùn)行。BIOS執(zhí)行一些硬件設(shè)備的基本檢查并初始化它們。它還會(huì)搜索包含引導(dǎo)加載程序的可引導(dǎo)設(shè)備（例如硬盤、CD-ROM或USB驅(qū)動(dòng)器）。

• MBR：MBR（Master Boot Record）是可引導(dǎo)設(shè)備開(kāi)頭的一個(gè)特殊扇區(qū)，其中包含引導(dǎo)加載程序和分區(qū)表。BIOS將MBR加載到內(nèi)存中并執(zhí)行它。
• 引導(dǎo)加載程序：引導(dǎo)加載程序是一個(gè)程序，用于定位并將內(nèi)核（操作系統(tǒng)的核心）加載到內(nèi)存中。引導(dǎo)加載程序還可以顯示菜單，允許用戶從設(shè)備上安裝的不同操作系統(tǒng)或內(nèi)核版本中進(jìn)行選擇。一些引導(dǎo)加載程序的例子包括GRUB、LILO和rEFInd。
• 內(nèi)核：內(nèi)核負(fù)責(zé)管理操作系統(tǒng)的所有方面，例如內(nèi)存、進(jìn)程、設(shè)備、驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等等。內(nèi)核掛載根文件系統(tǒng)（操作系統(tǒng)的主目錄）并執(zhí)行init程序。
• init：init程序負(fù)責(zé)初始化各種服務(wù)和程序，這些服務(wù)和程序是正常操作操作系統(tǒng)所需的。它還設(shè)置不同的運(yùn)行級(jí)別（操作模式），這些級(jí)別根據(jù)用戶需求確定啟動(dòng)或停止哪些服務(wù)。init.d是指linux操作系統(tǒng)中的一種服務(wù)管理方式，它使用/etc/init.d目錄下的腳本來(lái)啟動(dòng)和停止各種服務(wù)。init.d是一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，它是Linux系統(tǒng)的第一個(gè)進(jìn)程，它負(fù)責(zé)啟動(dòng)其他進(jìn)程、服務(wù)、守護(hù)進(jìn)程和線程。因此，init.d是init進(jìn)程的配置數(shù)據(jù)庫(kù)。要使用init.d來(lái)管理服務(wù)，可以直接運(yùn)行/etc/init.d目錄下的腳本，并傳遞start、stop、status或restart參數(shù)。例如，要啟動(dòng)ssh服務(wù)，可以運(yùn)行/etc/init.d/ssh start。要檢查ssh服務(wù)的狀態(tài)，可以運(yùn)行/etc/init.d/ssh status
• 用戶界面：用戶界面是允許用戶使用圖形或文本元素（例如窗口、圖標(biāo)、菜單、命令等）與操作系統(tǒng)交互的部分。用戶界面可以由不同的程序提供，例如X Window System（用于圖形界面）、bash（用于命令行界面）或登錄管理器（用于登錄用戶）。

POSIX（可移植操作系統(tǒng)接口）

POSIX（可移植操作系統(tǒng)接口）是由IEEE計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)指定的一系列標(biāo)準(zhǔn)，用于維護(hù)操作系統(tǒng)之間的兼容性。 POSIX定義了系統(tǒng)級(jí)別和用戶級(jí)別的應(yīng)用程序編程接口（API），以及命令行shell和實(shí)用程序接口，以實(shí)現(xiàn)與Unix和其他操作系統(tǒng)的變體的軟件兼容性（可移植性）。

POSIX的出現(xiàn)是為了使應(yīng)用程序在不同的系統(tǒng)之間更加可移植。在計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期，程序員必須為每個(gè)計(jì)算機(jī)模型和操作系統(tǒng)重寫他們的應(yīng)用程序。這種情況在IBM推出其System/360系列計(jì)算機(jī)時(shí)開(kāi)始發(fā)生改變，這些系統(tǒng)都可以運(yùn)行相同的操作系統(tǒng)OS/360。有了這些新系統(tǒng)，可以制作更多可移植的應(yīng)用程序，節(jié)省了大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

POSIX支持源代碼級(jí)別的應(yīng)用程序可移植性，因此應(yīng)用程序可以構(gòu)建為在任何POSIX兼容操作系統(tǒng)上運(yùn)行。 POSIX接口旨在供應(yīng)用程序和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員使用。

SOCKETS套接字

套接字是一種通信機(jī)制，允許進(jìn)程在不同的機(jī)器或同一機(jī)器上交換數(shù)據(jù)。套接字是操作系統(tǒng)(OS)的一部分，為應(yīng)用程序提供了使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如TCP/IP或UDP的接口。套接字可以分為兩種類型：流套接字和數(shù)據(jù)報(bào)套接字。流套接字提供了兩個(gè)端點(diǎn)之間可靠、有序和雙向的連接，而數(shù)據(jù)報(bào)套接字提供了不可靠、無(wú)序和單向的連接。套接字也可以通過(guò)它們的域來(lái)區(qū)分，該域指定它們使用的地址格式和協(xié)議族。例如，Internet域套接字使用IP地址和端口號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)端點(diǎn)，而Unix域套接字使用文件系統(tǒng)路徑來(lái)標(biāo)識(shí)端點(diǎn)。通過(guò)調(diào)用socket()函數(shù)來(lái)創(chuàng)建套接字，它將返回一個(gè)文件描述符，可用于在套接字上執(zhí)行各種操作，例如bind()，listen()，accept()，connect()，send()，receive()等等。

service management（system.d）服務(wù)管理

Service Management（systemd）是指為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)提供一系列系統(tǒng)組件的軟件套件。systemd的主要目的是在Linux發(fā)行版之間統(tǒng)一服務(wù)配置和行為。

systemd的核心組件之一是系統(tǒng)和服務(wù)管理器，它是用于引導(dǎo)用戶空間和管理用戶進(jìn)程的init系統(tǒng)。它還提供了各種守護(hù)進(jìn)程和實(shí)用程序的替代品，例如設(shè)備管理、登錄管理、網(wǎng)絡(luò)連接管理和事件日志記錄。

Systemd允許用戶使用systemctl命令管理服務(wù)，該命令可以啟動(dòng)、停止、重啟、重新加載、啟用、禁用或屏蔽服務(wù)。它還可以列出系統(tǒng)上所有可用的單元文件，這些單元文件可以是服務(wù)（.service）、掛載點(diǎn)（.mount）、設(shè)備（.device）或套接字（.socket）。

Thread and Concurrency線程和并發(fā)

線程和并發(fā)是操作系統(tǒng)中的兩個(gè)重要概念。線程是在進(jìn)程內(nèi)可以獨(dú)立運(yùn)行的基本執(zhí)行單元。一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，它們共享同一地址空間和資源。并發(fā)是操作系統(tǒng)同時(shí)或交錯(cuò)地執(zhí)行多個(gè)線程或進(jìn)程的能力。并發(fā)可以通過(guò)利用多個(gè)處理器或核心，或者通過(guò)將計(jì)算與 I/O 操作重疊來(lái)提高系統(tǒng)的性能和響應(yīng)性。然而，并發(fā)也會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，如同步、死鎖、競(jìng)態(tài)條件和內(nèi)存一致性等問(wèn)題。

結(jié)論

無(wú)論您是程序員或者工程師，了解操作系統(tǒng)的基本定義是必要的。本文簡(jiǎn)要介紹了操作系統(tǒng)的定義以及一些相關(guān)概念，如虛擬化、引導(dǎo)管理、POSIX、套接字、服務(wù)管理和線程并發(fā)等。它還包括Linux操作系統(tǒng)中的init.d和systemd服務(wù)管理方法，以及操作系統(tǒng)的引導(dǎo)過(guò)程和用戶界面。但是要深入學(xué)習(xí)更詳細(xì)的內(nèi)容，您還需要參考相關(guān)書(shū)籍和教程。