前面我们对操作系统的组成结构进行了分析，下面我们从操作系统的功能作用的角度再对操作系统进行具体的分析。我们先来思考一个问题，什么是操作系统，为什么要有操作系统？我们通过对操作系统发展历史的研究以及对Linux内核实现的深入研究发现，操作系统的存在就是为了一个目的，就是为了运行程序，如果再加个形容词的话，那就是多快好省地运行程序。为了实现这个目的，操作系统提供了两个作用：1.操作系统是一个更加高级的抽象计算机，2.操作系统是计算机资源管理器。下面我们对一个目的、两个作用展开讨论。

5.1 操作系统的目的

操作系统存在的目的就是为了运行程序。我们还可以用反证法来论证这个结论，假设操作系统不能用来运行程序，那么操作系统要它还有什么用呢。所以操作系统存在的目的就是为了运行程序，为了多快好省地运行程序，多就是多任务，快就是效率高，好就是安全稳定，省就是节省资源，为了实现这个目的，操作系统做了非常大的努力。

既然是为了运行程序，那么我们要问的第一个问题就是程序是怎么来的呢。首先程序是用计算机编程语言编写的。编写程序的工具是什么呢，是文本编辑器。编写的原则是什么呢，随便怎么写都可以吗，不是的，首先要符合所使用语言的语法才行。其次我们对程序还有几个要求，其中首先最重要的要求就是正确性，程序运行结果不正确可不行，除了编程时我们小心翼翼尽量保证程序逻辑正确外，我们在运行的时候发现程序不正确时还要用调试工具GDB来调试程序，找到程序的错误改正它。对于程序的内存错误，我们还可以使用asan、malloc-debug、valgrind等工具来排查错误。再者我们写的程序还要简洁清晰、可读性强、可维护性强，为了达到这个目的，我们要学习很多编程的艺术，在此给大家推荐几本书：《Agile Software Development》《Clean Code》《The Clean Coder》《Clean Architecture》《Code Complete》《Design Patterns》《Refactoring Improving the Design of Existing Code》。其中大家在很多博客上经常看到的一些编程原则如开闭原则、单一责任原则、依赖倒置原则等都是出自第一本书，汉译书名叫《敏捷软件开发》。再者我们写的程序还要具有高效性，程序效率低运行慢可不行，那么怎么让我们写的程序比较高效呢，为此我们要学习数据结构与算法，只有把数据结构与算法学透了，我们才能把我们学到的方法和我们的需求结合起来，写出来运行又快占用空间又小的程序。为此我向大家推荐几本书：《Introduction to Algorithms》《Algorithm Design and Applications》《Algorithms in a Nutshell》《Data Structures and Algorithms in Java》《Algorithms》《An Introduction to the Analysis of Algorithms》。如果是已经写好的程序嫌它运行慢应该怎么办呢，我们有性能剖析工具gprof，它能帮你找到热点代码，然后你就可以进行定向优化，必要时还可以使用汇编语言实现一些函数来提高效率。

当我们把源代码都写好了之后，程序就可以运行了吗，不行，CPU不认识源代码，只认识二进制程序，所以我们还需要把源代码编译、链接成二进制程序才行。二进制程序有没有格式呢，随便怎么生成都行吗，不行，不同的操作系统都有自己特定的二进制程序格式。Linux使用的二进制程序格式叫做ELF格式，ELF是一个总体格式，在不同的操作系统上、不同的CPU架构上又有一些具体细化的要求，如都有哪些段，函数怎么传递参数等，这些统称为ABI，应用程序二进制接口。源码生成的二进制程序可以分为exe主程序和so动态库程序，主程序可以直接执行，库程序不能直接执行，只能在别人的进程里被调用执行。程序运行起来就是进程，一个进程由一个exe主程序和n个so库程序构成。

还有一个概念叫做IDE，集成开发环境，它是一个图形界面程序，里面集成了文件编辑器、调试器、编译器、链接器、Build工具等，可以在一个程序里完成一系列开发操作。

5.2 操作系统的作用之一

操作系统为了运行程序提供了哪些作用呢，第一个就是操作系统是一个更加高级的抽象计算机。怎么理解这句话呢，我们从计算机发展的历史来讲解。最开始的时候是没有操作系统的，只有应用程序，应用程序的开发要直接面向硬件开发，因为没有人给你提供API。比如说你要读写一个文件，你该怎么办，要是搁现在那是很简单的，你只需要open(file path),read(fd),write(fd)就可以了。但是在当时读写却是非常复杂的，你需要了解磁盘的型号，知道磁盘的端口，知道磁盘的各个技术参数如磁盘有多少个盘面柱面扇区，你要自己编程管理每一个扇区，记录哪一个扇区用过了哪一个扇区没用过，想想都头疼，都想放弃。现在好了，现在有操作系统帮你做这些事情，你只需要按照操作系统给你的API去做就行了，那是十分的方便啊。操作系统向应用程序提供的功能，从底层实现的角度来看叫做系统调用，从上层应用的角度来看叫做API，系统调用和API看起来很像又不太一样，但是它俩又有很强的关联。

5.3 操作系统的作用之二

操作系统的第一个作用是从单个进程的角度来看的，操作系统是一个更加高级的抽象计算机。现在我们从多个进程的角度来看，又发现操作系统其实是个计算机资源管理器。这和操作系统的标准定义又很契合，我们来看一下操作系统的标准定义：操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入设备与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。

既然操作系统是计算机资源管理器，那么我们先来看一看计算机都有哪些资源呢？从第二章我们可以看出，计算机最主要的资源有CPU、内存、外存、外设，因此我们可以很轻易地看出操作系统的四个必要组成部分分别是CPU管理、内存管理、外存管理、设备管理。CPU管理就是CPU时间管理就是进程调度。内存管理是对内存资源进行管理，包括物理内存的管理和虚拟内存的管理。外存管理包括文件系统和磁盘驱动两部分。设备管理是最复杂的，一般都是由内核提供基础代码和驱动模型，由各个硬件厂商具体去写自家设备的驱动程序，系统还会制定用户空间接口，提供一些基础操作库。由于Linux支持的设备众多，因此设备驱动代码是Linux里面代码最多的部分，占Linux总代码的比例高达60%多。

操作系统管理计算机资源总体上有四种模式，分别是：1时间分割管理，2空间分割管理，3独占性管理，4直接管理。我们把资源分为共享性资源和非共享性资源。共享不共享是相对于进程来说的，有些资源直接对整个系统起作用，对进程不可用，我们把系统对这种资源的管理方法叫做直接管理，例如中断控制器。对于共享性资源，我们要根据资源自身的特点采取相应的管理方式。资源的特点包括时间分割相似性和空间分割相似性。时间分割相似性是指在一个较少的时间片上资源仍然是可用的。空间分割相似性是指把资源分割成若干份，每一个仍然能达到资源本身的作用。对于具有时间分割相似性的资源我们采取时间分割管理，对于具有空间分割相似性的资源我们采取空间分割管理，如果两者都不具有我们采取独占性管理。

CPU管理：
对CPU应该怎么管理呢，我们来思考一下。我们能不能采用空间分割管理呢？试一下，如果用空间分割管理，那么就是把一个CPU分割为n个部分，每个部分都是一个独立的执行单元，n个进程各占一个各运行各的，好像也行，但是根据我们在第二章所学的知识，CPU做不到啊。如果用时间分割管理呢，把时间分成一片一片的，轮流分给每个进程来使用，由于CPU是一条指令一条指令地执行，不同进程之间的指令是没有依赖关系的，所以是可以的。所以我们对CPU采取的管理方式是时间分割管理。对CPU进行时间分割管理就是进程调度。

进程调度需要统计进程的运行时间，被动调度需要有定时器的支持，文件系统需要给文件打上时间戳，用户空间也有查看时间、修改时间、设置定时器的需求。

内存管理：
我们再来看一下对内存应该使用什么管理方式。内存能不能进行时间分割管理呢？能，把时间分成一片一片的，每个时间片就只有一个进程就能独享整个内存。显然这么做很不利于充分使用内存，太浪费了，违背了多快好省地运行进程的原则。那么能不能对内存进行空间分割管理呢？能，每个进程占用一小块内存进行运行，这样能充分利用整个内存。这么做有没有什么缺点呢？有，内核和各个进程都在物理内存里，大家都可以相互访问甚至破坏别人的内存，显然是不安全的。对此有什么办法呢，最先想到的也是最直观的方法就是分段机制，修改CPU的运行原理，实现分段机制，内核、每个进程各自运行在各自的段里面。由于是在CPU硬件上实现的限制，谁也无法访问自己段外面的内存，这样就实现了进程隔离，非常安全了。但是这么做有没有缺点呢？有，物理内存本来就少，分完段之后物理空间就更小了，而且还有一个缺点就是程序启动的时候就要把程序全部加载到内存才行，不然运行到没有加载的程序就崩溃了。对此有什么解决办法吗，最刚开始想的办法是软件的，每个程序要自己要写个overlay manager，程序员要对自己程序的执行流程有清晰的认识，自己控制何时把哪部分即将会用到的程序加载到内存，何时将哪部分暂时不会使用的程序再放回外存，这样程序就可以使用较少的内存也能顺利运行了。但是这个做法非常麻烦，对程序员的考验非常大，要解决这个问题还是得使用硬件机制才行。于是后来就产生了虚拟内存/分页机制，每个进程都运行在虚拟内存上，并且独占整个虚拟内存空间，这样就实现了进程隔离，非常安全，同时进程并不立即分配物理内存，而是程序在运行的过程中产生page fault 按需调页，用到的时候再去分配物理内存，这样就可以节省物理内存。所以Linux对内存的管理方式是在形式上每个进程都独占整个虚拟内存空间，在实际上进程之间对物理内存进行空间分割管理，而且是延迟分配，用到的才分配，用不到就不分配，又节省了物理内存，分页机制真是太完美了。

外存管理：
显然，外存也是采用空间分割管理的。

外设管理：
有些设备比如相机，既不具有时间分割相似性，也不具有空间分割相似性，只能对其进行独占性管理。我们可以来假设一下，如果对相机进行时间分割管理的话，比如说A进程用了0.5秒拍照拍了一半，B进程又用了0.5秒拍照拍了一半，然后A进程又用了0.5秒把整个照片拍完了，接着B进程又用0.5秒把整个照片拍完了，显然这是不可能的，因为相机做不到。我们再假设对相机进行空间分割管理，比如说这个相机拍照的分辨率是1000×800的，A、B两个进程同时用相机，分别拍出了一个1000×400的照片，这也是不可能的，相机做不到。所以对相机只能采取独占性管理，每个进程在使用相机前都要先申请，使用完后再释放，使用期间进程对相机是独占的。

计算机中除了CPU、内存、主板、总线等之外的设备都叫做外设，内核对外设的管理叫做设备管理，也是操作系统中非常重要的一块。外设的运行需要驱动程序，内核一般会提供总线的驱动和一些设备类型的框架代码，然后由各个硬件厂商去编写具体的驱动程序。想学习Linux驱动编程的话，推荐阅读《Linux Device Drivers》《Essential Linux Device Drivers》《Linux设备驱动开发详解》。

有些设备，并不是单单有个驱动就能独立运行了，而是与用户空间库和进程一起构成了一个新的系统，比如网卡和显示器。网卡需要网卡驱动，但是只有网卡驱动，网卡还是没有用，网卡与网卡驱动还有网络协议还有一些相关的硬件软件共同构成了网络系统。再说显示器，光有个显示驱动也是没有意义的，显示器只是计算机图形系统中的一个组成部分。计算机图形系统还包括GPU、渲染库、窗口系统等很多组件。

中断机制：
计算机中外设与CPU的交互方式，除了CPU可以控制外设之外，外设也可以主动向CPU报告事情，避免了CPU轮询外设的低效行为，这种方式就叫做中断。中断除了这个作用之外还有其它一些作用，比如可以用来处理CPU异常、用来实现系统调用，定时器中断还可以用来实现抢占式多任务。所以中断机制对操作系统来说是非常重要的，重要性就相当于人的神经系统加呼吸系统一样重要。

编程设施：
计算机除了管理硬件之外，还为软件提供了两个编程设施，分别是线程同步和进程间通信。线程同步是因为多个执行流(线程)同时访问公共数据引起的，如果不采取一些措施的话就会产生程序错误，因此操作系统提供了线程同步这个编程设施来解决这个问题。线程同步中有一个非常常用的方法叫做自旋锁。

进程间通信是因为有了虚拟内存/分页机制之后产生了进程隔离，进程之间无法直接访问对方，所以需要通过内核提供的进程间通信机制来进行沟通，具体内容请参看《深入理解Linux进程间通信》。Linux还有一个重要的机制叫做信号机制(signal)，它和IPC很像，但又不是典型的IPC，也不仅仅是IPC，它还是系统处理CPU异常的方法。

其它模块：
操作系统还有两个重要的模块：一个是和社会因素有关的安全防护，一个是和物理因素有关的电源管理。电源管理包括基本电源管理和高级电源管理，基本电源管理包括：睡眠、休眠、关机、重启，高级电源管理也就是各种省电机制，如CPUIdle、CPUFrequ、DEVFreq，另外温控也可以算到电源管理里面。

推荐阅读：
想要学习Linux内核的话，推荐以下书籍《Linux Kernel Development》《Understanding the Linux Kernel》《Professional Linux Kernel Architecture》《Mastering Linux Kernel Development》《Understanding the Linux Virtual Memory Manager》《Linux内核深度解析》《Linux操作系统原理与应用》《深度探索Linux操作系统》《ARM Linux内核源码剖析》《奔跑吧Linux内核》《Linux内核源代码情景分析》。

想要学习早期版本Linux的，如0.11、0.12，推荐以下书籍《Linux内核设计的艺术》《Linux内核完全注释》。

还有一些学习Linux的网络资源：
LWN：https://lwn.net/Kernel/Index/
linux-insides：https://github.com/0xAX/linux-insides
宋宝华：https://blog.csdn.net/21cnbao
蜗窝科技：http://www.wowotech.net
CHENG Jian：https://kernel.blog.csdn.net/
内核工匠：https://blog.csdn.net/feelabclihu
DroidPhone：https://blog.csdn.net/DroidPhone
Bystander_J：https://blog.csdn.net/weixin_42092278
术道经纬：https://www.zhihu.com/column/c_1108400140804726784
Kernel Exploring：https://richardweiyang-2.gitbook.io/kernel-exploring/
Linux Performance：http://linuxperf.com/

Linux系统标准规范：
https://refspecs.linuxfoundation.org/
https://man7.org/linux/man-pages/man7/standards.7.html

六、计算机运行模型