基础知识：操作系统

一、什么是操作系统

操作系统是一组长期运行的系统软件，位于应用程序与计算机硬件之间。它向上为应用程序提供稳定、统一、受保护的运行环境；向下管理并调度 CPU、内存、磁盘、网卡等真实硬件。macOS、Windows、Linux、Android、iOS 都是操作系统。

它的职责可以归为四句话：

• 封装硬件：把杂乱的硬件细节藏起来，暴露出标准接口，让上层应用不用关心每种屏幕、每种磁盘怎么操作。
• 管理资源：控制整个计算机系统的硬件资源，进行合理组织、调度与分配。
• 服务用户：为用户提供良好的界面和接口，方便对计算机的使用。
• 辅助观测：提供任务管理器、活动监视器、终端工具等辅助功能，让用户能掌控系统运行状态。

1.1 核心功能

操作系统做的事看起来多，拆开看其实就六块。

1.2 运行时常用概念

几个容易混的词，分开记清楚：

• 程序 vs 应用程序：程序是躺在磁盘上的代码与数据，是静态的；还没运行时它不是进程。应用程序是面向用户完成某类任务的软件产品，运行时可能包含一个或多个进程。
• 进程 vs 线程：进程是程序的一次运行实例，也是分配和隔离资源的容器。线程是进程中真正执行代码的工作流；同一进程的线程共享大部分资源，但各有自己的调用栈。
• 父子进程与 PID / PPID：一个进程创建另一个进程时，前者是父、后者是子，仍是两个独立进程。PID 是进程的唯一编号，PPID 是其父进程的编号。
• 系统调用、用户态、内核态：系统调用是应用向内核请求服务的受控入口（创建进程、读文件、申请内存……）。用户态是普通应用运行的受限状态；内核态是操作系统执行受保护服务时使用的高权限状态。
• 进程间通信、并发、并行：进程间通信是不同进程通过管道、套接字、共享内存、Mach Port 等机制交换数据。并发是多个任务交替推进；并行是多个任务在多个 CPU 核心同一时刻真正执行。

二、操作系统的组成架构

从应用一路向下，可以看到四层在协作：

应用层    浏览器 · 编辑器 · 微信 · 终端         → 提出"打开文件、创建进程、发送数据"等请求
   ↓
接口层    系统调用                              → 用户程序进入内核服务的安全入口
   ↓
内核层    进程调度 · 内存管理 · 文件系统 · 网络 · 驱动   → 决定谁能使用什么资源、何时使用
   ↓
硬件层    CPU · 内存 · 磁盘 · 网卡 · 屏幕           → 真正完成计算、存储、通信与输入输出

每一层只对上一层负责，应用并不直接操作硬件。

内核层内部又按资源类型拆成若干子系统，对应前面那六项核心功能：

• CPU —— 进程与线程管理：应用请求创建线程，操作系统决定谁何时运行、在哪个 CPU 核心上运行、何时暂停。
• Memory —— 内存管理：为每个进程提供看似独立的地址空间，分配、映射、保护、回收，避免应用随意读写彼此的数据。
• Storage —— 文件系统：把磁盘块组织成文件和目录，并管理名称、权限、缓存、读写位置，以及崩溃后的数据一致性。
• I/O —— 设备与通信：通过驱动使用硬件，通过管道、套接字、Mach Port 等机制帮助进程间安全通信。

一个容易混淆的点：活动监视器里的”端口”主要指 macOS 用于进程间通信的 Mach Port，不是网站常说的 80、443、8000 等 TCP/UDP 网络端口。两者单词一样、概念不同。

三、操作系统的发展历程

操作系统的发展，本质上是在效率、易用性、隔离性与规模之间不断取舍。新机制往往不是凭空出现，而是为了解决上一代系统暴露出的具体问题。

1940s–1950s   手工操作与批处理
              早期计算机一次只运行一个任务，操作员手工装载程序。
              批处理随后把任务排成队列，减少机器等待人的时间。

1960s         多道程序与分时系统
              多个程序同时驻留内存；当一个任务等待 I/O 时，CPU 转去运行另一个。
              分时进一步让多个用户感觉自己独占计算机。

1969–1970s    Unix 与可移植系统
              Unix 形成了进程、文件、管道等影响深远的抽象，并主要用 C 重写，
              使操作系统更容易移植到不同硬件。

1980s         个人计算机与图形界面
              计算机从机房走向个人桌面，操作系统开始重点解决交互、图形界面、
              外设支持与普通用户的易用性。

1990s         现代内核与网络普及
              Linux、Windows NT 等系统发展壮大，内存保护、多任务、权限和网络
              成为桌面及服务器的基础能力。

2000s–现在    多核、移动、云与安全
              操作系统需要充分利用多核 CPU，并支撑手机、虚拟机、容器和大规模
              云服务；隔离、能耗与安全的重要性持续上升。

读历史的方法不是背年份。每看到一个新机制，都问三件事：当时遇到了什么问题？旧方案为什么不够？新方案又付出了什么代价？

四、身边的应用案例

把上面的抽象放回到每天使用的 Mac，可以更直观地看到操作系统在做什么。

A. 打开 WorkBuddy

主进程负责应用生命周期，Renderer 进程绘制页面，GPU 进程处理图形任务；每个进程内部又有多个线程。操作系统为它们分配 PID、隔离内存并调度线程。

对应概念：应用、多进程、线程、进程间通信

B. 在终端运行命令

Shell 创建子进程来执行命令，通常等待它结束，再读取退出状态并显示新的提示符。用管道连接两个命令时，操作系统还要负责在进程之间传递数据。

对应概念：父子进程、系统调用、管道、文件描述符

C. 播放音乐同时操作界面

播放器可以让不同线程分别处理界面、音频解码和声音输出。即使后台正在解码，界面线程仍能立即响应暂停按钮。

对应概念：并发、线程调度、共享内存、设备驱动

D. 打开并保存一个文件

应用通过系统调用请求打开文件，操作系统检查权限、查找目录和文件信息、缓存磁盘数据，最后由设备驱动完成实际读写。

对应概念：文件系统、权限、缓存、输入输出

下一步练习

从上面任选一个案例，用 「谁发起请求 → 哪个进程处理 → 哪些线程工作 → 操作系统管理什么资源」 的顺序，画一张自己的流程图。看懂一次日常操作背后的进程、线程、系统调用与资源变化，就是最好的入门实践。