操作系统的定义

操作系统是一个一直运行的在计算机中的程序，他管理着计算机的硬件和软件资源，提供以下服务给计算机的程序。

操作系统的功能

• 用户接口。如图形界面、终端等
• 程序的执行
• I/O操作
• 文件系统操作
• 沟通
• 错误侦探
• 资源分配。如程序分配CPU、分配内存

操作系统的结构

• 整体结构：结构比较简单，没有清晰的层次和模块划分。这种结构，初期看起来会比较简单。由于耦合度高，后期比较难以维护，容易出现安全问题。
• 分层结构：系统分为多个层，较低的层提供一系列方法给提供给高层调用。这是一种松耦合的结构，系统中某一个部分改变对其他部分没有很大的影响，易于进行系统测试
• 微核心结构：把所有不必要的组件从内核移除，作为用户层的软件去实现，把内核最小化。这样的结构易于系统扩展，添加新的系统服务不需要修改内核
• 组件化结构：内核包含一些核心的组件，其他系统服务模块可以通过动态加载来实现

现在操作系统一般采用上面的某种结构。但有的操作系统会采用混合多种不同的结构。大部分现在操作系统都采用一种组件化结构为Loadable Kernel Moudules（LKMs）。

虽然每个系统的结构各不相同，但他提供的功能大致是相同的。如进程管理、文件管理、设备管理等功能是必要的。每个系统为了实现他要提供的功能，采用一个合适的结构就好。最重要的就是把功能很好的实现，以及方便操作系统能够持续的维护和优化。

现代linux系统内核结构采用组件化结构，如图：

为什么需要操作系统

操作系统是连接硬件和用户软件的媒介。他对硬件资源进行管理，提供一个让用户软件可以运行的环境，以及给用户提供一个图形接口（GUI）让用户可以方便使用硬件资源。没有操作系统提供的环境，我们就无法先收各种各样的应用软件带来的便利。

操作系统是如何工作的

操作系统启动过程

当电脑按下开机电源键时，位于主板上的固件ROM中的启动程序（Boot Loader）会开始运行，常见的启动程序会有BIOS和UEFI。启动程序回加载操作系统的启动程序，进而把整个操作系统加载到内存中并开始执行操作系统。然后安装加载驱动程序，创建初始化系统进程，启动必要的服务（如Web服务器、数据库等），最终出现系统登陆的页面。

操作系统时如何为用户程序服务的

操作系统完成启动后，就可以登陆系统。用户可以根据自己的需求运行相应的程序，如浏览器、文本编辑器等。

一个程序的运行，需要把可执行文件加载到内存中，需要使用CPU去执行。然而，硬件资源（CPU、内存、硬盘等）是被操作系统所管理的，为了提高安全和高效，用户程序不能直接使用硬件资源，硬件资源由操作系统统一管理和分配。

操作系统为用户程序提供了一系列的接口，通过调用对应的接口获取相应的服务和资源。这一系列接口称为系统调用（System Call）接口。

常见的系统调用接口

• 进程控制：创建子进程，获取进程属性，分配额外内存空间等等。
• 文件管理：创建和删除文件，打开和关闭文件，读写文件等等。
• 设备管理：请i去连接设备，关闭设备，读写设备等等。

操作系统是如何管理硬件和软件资源的

为了更高效的使用硬件资源，需要合理的管理和分配资源。操作系统负责给进程分配资源。关于CPU的分配，一般使用轮询调度算法（Round-Robin Scheduing）），即每个进程一次被CPU执行一个小的时间片段。关于内存的分配，一般采用的是虚拟内存，它可以使用进程的逻辑内存空间远大于实际的物理内存空间，从而运行更多的程序，更大程度的使用计算机硬件资源。