程序是如何运行的

计算机程序是怎样运行的呢?对于多数人来说，或多或少地知道任何程序必须首先有人写出来，即“编程”，然后放到计算机里即可运行。这种解释当然是过于简单了。计算机程序的运行实际上是一件十分复杂的事情，牵扯到方方面面。

首先当然是进行编程，而编程需要计算机程序设计语言作为基础。对于绝大多数编写程序的人来说，使用的编程语言称为“高级程序设计语言”，如C，C++ ,Java等。但由于计算机并不认识高级语言编写的程序，编好的程序需要通过编译变成计算机能够识别的机器语言程序，而这需要编译器和汇编器的帮助。其次，机器语言程序需要加载到内存，形成一个运动中的程序，即“进程”，而这需要操作系统的帮助。进程需要在计算机芯片CPU上执行才算是真正在执行，而将进程调度到CPU上运行也由操作系统完成。再次，在CPU上执行的机器语言指令需要变成能够在一个个时钟脉冲里执行的基本操作，这需要指令集结构和计算机硬件的支持，而整个程序的执行过程还需要操作系统提供的服务和程序语言提供的执行环境( runtime environment)。这样，一个从程序到微指令执行的整个过程就完成了。下图所示的就是这个过程。

当然了，上图描述的从程序到结果的演变过程还是过于简单。我们只是从一个线性的角变来看程序的演变过程，而没有考虑到各种因素之间的穿插和交互过程。不过，这种描述能够帮助理解整个程序是如何在计算机上执行的问题。

从这个描述可以看出:程序的运行至少需要如下4个因素:·

• 程序设计语言。
• 编译系统。
• 操作系统。
• 指令集结构(计算机硬件系统)。

操作系统在程序的执行过程中具有关键的作用。

需要提醒的是，上图给出的程序执行过程是从高级语言编写的程序开始，而实际并非总是这样。事实上，程序可以直接在机器语言或汇编语言上编写。用这种称为“低级”的语言编写出来的机器语言程序无需经过编译器的翻译就可以在计算机指令集上执行。如果是在汇编语言上编写的汇编程序，则只需要经过汇编器的翻译即可加载执行。

什么是操作系统

Operating Systems 指的就是掌控局势的一种系统。也就是说计算机里面的一切事情均由Operating Systems来掌控。那么，我们现在面临两个问题:第一个问题是操作系统到底是什么?第二个问题是操作系统到底操控什么事情?

我们先回答第一个问题。既然操作系统是掌控计算机局势的一个系统，自然很重要。但这个说法并不能帮助读者理解操作系统，也无法形成有形的概念。如果我们换个说法：操作系统是一个介于计算机和应用软件之间的一个软件系统， 则概念就具体多了。从这个定义出发，我们知道操作系统的上面和下面都有别的对象存在：下面是硬件平台，上面是应用软件，如图所示。

再来回答第二个问题。我们现在知道操作系统代表的是掌控事情的系统。掌控什么事情呢?当然是计算机上或计算机里发生的一切事情。最原始的计算机并没有操作系统，而是直接由人来掌控事情，即所谓的单一控制终端、单一操作员模式。但是随着计算机复杂性的增长，人已经不能胜任直接掌控计算机了。于是我们编写出操作系统这个“软件”来掌控计算机,将人类从日益复杂的任务中解脱出来。这个“掌控”有着多层深远的意义。

首先，由于计算机的功能和复杂性不断发生变化（趋向更加复杂)，操作系统所掌控的事情也就越来越多，越来越复杂。同时，操作系统本身能够使用的资源也不断增多（如内存容量)。这是早期驱动操作系统不断改善的根本原因。

其次，既然操作系统是专门掌控计算机的，那么计算机上发生的所有事情自然需要操作系统的知晓和许可，未经操作系统同意的任何事情均视为非法事情，也就是病毒和入侵攻击所试图运作的事情。作为操作系统的设计人员，我们当然要确保计算机不发生任何我们不知情或不同意的事情。但是人的能力是有限的，人的恩维也是有缺陷的，我们设计出的系统自然不会十全十美，也会有缺陷的，这就给了攻击者可乘之机。操作系统设计人员和攻击者之间的博弈是当前驱动操作系统改善的一个重要动力。

再次，掌控事情的水平有高低之分，有效率不同之分。就像手术大夫之间也有水平高低之分。为了更好地掌控事情，为了更好地满足人类永不满足的各种越来越苛刻的要求，操作系统自然需要不断改善。这种改善在过去、现在和将来都会继续下去。

好了，说到这里，我们可以给操作系统做一个定义了:操作系统是一个软件系统，使计算机变得好用（将人类从繁琐、复杂的对机器掌控的任务中解脱)，使计算机运作变得有序（操作系统掌控计算机上所有事情)。

总结起来就是:操作系统是掌控计算机上所有事情的软件系统。从这个定义可以引申出操作系统的功能包括:

• 替用户及其应用管理计算机上的软硬件资源。
• 保证计算机资源的公平竞争和使用。
• 防止对计算机资源的非法侵占和使用。
• 保证操作系统自身正常运转。

操作系统的功能

作为用户/计算机接口

将计算机以一个更加容易、更加方便、更加强大的方式呈献给用户使用。直白地说，就是把差的东西变好，把少的东西变多，把复杂的东西变得容易。例如，如果在裸机上直接编程是很困难的，因为各种数据转移均需要用户自己来控制，对不同设备要用不同命令来驱动，而这对一般人来说很难胜任。操作系统将这些工作从用户手中接过来，从而让用户感觉到编程是一件容易的事（相对来说，编程对于有些人来说永远很难)。操作系统通过进程抽象让每一个用户感觉到有一台自己独享的CPU；通过虚拟内存的抽象，让用户感觉到物理内存空间具有无限扩张性。这就是把少变多。 当然，操作系统的把少变多不是无中生有。变多也不是无限多，只是针对磁盘容量的大小。

管理计算机上软硬件资源

管理计算机上软硬件资源。例如，操作系统对CPU、内存、磁盘等的管理，使得不同用户之间或者同一用户的不同程序之间可以安全有序的共享这些硬件资源。那怎么让用户很好地利用这些硬件资源呢，就是分块( parcels out )。把硬件分块出来给应用程序使用。这里关键的原则是有效和公平，这是管理者的必备素质。有效指的是不能浪费资源，公平指的是每个人都有享有资源的可能，即不能有不公平的现象。

当然真正的公平是没有的事，这很像人类生活的现实。不过追求公平却是我们的本能、在虚拟世界里尽可能公平一点还是非常应该的，至少应该是操作系统设计时的不懈追求。
根据管理的资源不同，操作系统具体功能包括:

• CPU 管理，即如何分配CPU给不同应用和用户。
• 内存管理，即如何分配内存给不同应用和用户。
• 外存管理，即如何分配外存（磁盘)给不同应用和用户。
• I/O管理，即如何分配输入输出设备给应用和用户

除了对上述资源进行管理和抽象外，操作系统作为掌控一切的软件系统，其自身必须是稳定和安全的，即操作系统自己不能出现故障。因此、操作系统本身的设计还需包括如下两项:

• 健壮性管理，即如何确保操作系统自身的正常运作。
• 安全性管理，即如何防止非法操作和人侵。

用户程序和操作系统

前面说过，操作系统上下分别是虚拟机器界面和物理机器界面。 处于物理机器下面的是硬件，而硬件和操作系统的关系将是关注点。处于虚拟机器界面上面的是应用软件。在这里，我们只想简要讨论一下应用程序和操作系统的关系，因为这个关系对理解操作系统非常重要。

那么，操作系统和应用程序之间是个什么关系呢?很显然，操作系统为用户程序提供了一个虚拟机器界面，而应用程序运行在这个界面之上。但这个答案似乎太抽象。并不能帮助深入理解它们之间的关系。我们前面讲过，操作系统是一个程序，而用户程序也是程序，程序和程序之间能有什么关系呢?无非是调用和被调用的关系。

那操作系统和用户程序之间到底谁是调用者，谁是被调用者呢?答案似乎很清楚。操作系统通过虚拟机器界面给用户程序提供各种服务，用户程序在运行过程中不断使用操作系统提供的服务来完成自己的任务。例如，用户程序在运行过程中需要读写磁盘，这个时候就需要调用操作系统的服务来完成磁盘读写操作。如果需要收发数据包，也需要调用操作系统的服务来完成。当调用这些服务时，控制从用户程序转移到操作系统，而操作系统在完成这些服务后将控制返回给用户程序。在这种思维模式下，用户程序是主程序，操作系统是子程序，如图所示。

但是有正就有反，这就是哲学中的矛盾论。如果从另一个角度来看，我们就会得出不同的结论。系统启动之后最先启动的是什么程序?操作系统。用户程序不能在操作系统启用之前启动（除非是很厉害的病毒)。在此之后，每次启动一个用户程序，都相当于操作系统将控制转移给用户程序；而在用户程序执行完毕后，控制又回到操作系统。这样看上去，操作系统是主程序，它在运行当中不断调用各种应用程序，而每个应用程序执行完之后再回到操作系统。就这样循环往复，直到无穷或机器关闭。在此种思维模式下，操作系统是主程序，用户程序是子程序，如图所示。

当然了，上述关系描述是非常简单化的。实际上，操作系统和各种用户程序可以看作是互相调用，从而形成一个非常复杂的动态关系。

操作系统的范畴

操作系统要完成的任务具体有哪些呢?前面提到过:

• CPU 管理，即如何分配CPU给不同应用和用户。
• 内存管理，即如何分配内存给不同应用和用户。
• 外存管理，即如何分配外存（磁盘)给不同应用和用户。
• I/O管理，即如何分配输入输出设备给应用和用户。

CPU管理就是我们将要讲的进程管理。进程管理的主要目的有三个:第一个是公平，即每个程序都有机会使用到CPU。第二个是非阻塞，即任何程序不能无休止地阻挠其他程序的正常推进。如果一个程序在运行过程中需要输入输出或者别的什么事情而发生阻塞，这个阻塞不能妨碍别的进程继续前进。第三是优先级。在人类生活中人的地位不是完全一样的，地位高的就比你优先级高。如果优先级高的程序开始运行，则优先级低的程序就要让出资源。

内存管理主要是管理缓存、主存、磁盘、磁带等存储介质所形成的内存架构。为此目的，操作系统设计人员发明了虚拟内存的概念，即将物理内存（缓存和主存）扩充到外部存储介质（磁盘、光盘和磁带)上。这样内存的空间就大大的增加了，能够运行的程序的大小也大大的增加了。内存管理的另一个目的是让很多程序共享同一个物理内存。 这就需要对物理内存进行分割和保护，不让一个程序访问另一个程序所占的内存空间，专业术语称为运行时不能越界。

存储管理就是众所周知的文件系统了,文件系统的主要目的是将磁盘变成一个很容易使用的存储媒介供用户使用。 这样我们在访问磁盘时无需了解磁盘的物理属性，或数据在磁盘上的精确位置，诸如磁道、磁柱、扇面等。当然，文件系统还可以建立在光盘和磁带上。只是使用最为频繁的文件系统都以磁盘为介质。

设备管理就是管理输入输出设备。其目的有两个:一是屏蔽不同设备的差异性, 即用户用同样的方式访问不同的设备，从而降低编程的难度；二是提供并发访问， 即将那些看上去开不具备共享特性的设备、如打印机，变得可以共享。

另外还有一个任务称为批处理。 批处理提供一种无需人机交互的程序运行模式。有时我们不需要人来交互，就批处理交给计算机。主要是要达到吞吐量最大化，单位时间完成的任务最多。