“吳大哥，什麼是操作系統？” 陳小速急切地想知道答案。

吳進并沒有直接回答這個問題，而是問道：“小速，你有沒有想過，如果沒有操作系統，程序會怎麼運行？”

“沒有操作系統？那程序能運行得起來嗎？” 陳小速覺得有些不可思議。

“怎麼不行呢？” 吳進說着笑了起來，“還記得我們讨論CPU的結構與指令嗎，程序不就是一條條指令的集合嗎？”

“啊，對，想起來了。” 陳小速拍了拍腦袋，接着說，“但那樣的話，計算機就很難操作和使用了啊。比方說我要做最簡單的加法運算，就需要把四條指令裝載到内存裡，然後讓CPU去計算。但一次隻能執行一個程序，要執行另一個程序，那還得斷電把數據擦除，再加載新程序。太麻煩了吧。”

“對嘛，你這不是道出了操作系統的一個本質特征嗎？它就是機器與應用之間的界面，也可以叫做接口。當然，還可以看成是機器與人之間的窗口，微軟的Windows可謂取了個很貼切的名字。”

“嘿，吳大哥，我明白你的意思了，” 陳小速興奮起來，“就是說操作系統向用戶屏蔽了對硬件操作的細節，這讓普通用戶可以專注于做自己的工作。那這麼說，操作系統對于計算機的普及來說太重要了啊，沒有它的話，計算機的能力發揮不出來啊。”

“非常正确，接下來我們說一說操作系統的兩大核心功能吧。”

“還是先從咱們上面讨論的内容裡，提一個問題吧。就是小速你剛才說的，如果沒有操作系統，那麼程序隻能單獨運行，而且切換也很麻煩。那麼有了操作系統，程序可以怎麼運行呢？” 吳進提出了問題。

這一次，陳小速沒有馬上開口，而是埋頭思考起來，吳進也沒有打擾他。過了十分鐘，陳小速才擡起頭來，有些猶疑地說：“我胡亂說兩句啊。就是操作系統可以先把磁盤上的程序文件加載到内存裡，然後交給CPU去一個接一個地執行，像排隊一樣，是嗎？”

“原理上是沒錯，但小速你用電腦的時候，會不會一邊浏覽網頁，一邊聽音樂呢？”

“肯定的啊。對啦，問題就在這兒了，CPU一次隻能讓一個程序執行，多個程序同時在運行，這是怎麼做到的？” 陳小速馬上意識到了這個問題。

“這就是操作系統的一個基本功能了，就是進程管理。” 吳進開始詳細說明。

程序本身是一組指令的集合，一般是以文件的形式存在磁盤上。當程序被選中執行時，會進入作業狀态。作業過程是指程序被操作系統納入進程管理中，可能是在執行或者待執行狀态，直到程序完全退出，作業過程也就終止了。

作業如果被操作系統選中加載到内存中，那麼此時就可以稱之為進程了。進程顧名思義，就是正在運行中的程序，它要麼是占據CPU在執行，要麼就是等待CPU被釋放。

進程有三個狀态，分别是就緒态、運行态和等待态。就緒态指的是資源都已經得到滿足，就等着占用CPU進行運算了。而在CPU上運行的，則就是運行态。當産生中斷或者有I/O請求時，進程會轉到等待态，一直等到資源滿足了，才再次進入就緒态。

需要注意的是，運行态有可能轉到就緒态或等待态，但等待态隻能轉為就緒态。也就是說，進程必須在就緒态之後，才能進入運行。

有了進程管理，多個程序在宏觀上就可以有同時運行的效果。這還是得益于CPU超快的計算能力，操作系統在一秒内就可以将進程進行億次的切換。那麼對于人類用戶來說，使用計算機的體驗就是并行工作，哪件事都不會耽誤。

吳進說着就畫下了進程調度的流程圖。

進程調度

看着上面那張圖，陳小速如獲至寶，一直琢磨個不停。吳進說：“好了，小速你回去以後可以有針對性地找資料，去研究進程調度的細節了，我們接下來再讨論操作系統的另一個核心功能吧，就是内存管理。”

“啊，對，内存管理又是幹什麼的？” 陳小速回過神來，提出了這個問題。

“在回答這個問題之前，我先說明一下内存的物理特性。你攢機的時候最關注的内存指标就是容量是吧，例如16G、32G。它的單位是字節，一個G是1024M字節，一M是1024K字節，一K是1024字節，一個字節是8位，你大概可以知道這能容納多少數據。

1G = 1024M 1M = 1024K 1K = 1024Byte 1Byte = 8bit

“内存條本身就像按順序排列的一列水桶，每個桶子都有一個地址，而且可以存放數據。CPU可以通過地址訪問任何水桶，也就是任意一個内存的地址，進行數據的讀取操作。”

陳小速點着頭，這個比方很形象，很好理解。

吳進接着說：“那麼，我就要先提出一個問題了。為了簡化讨論，我們假設現在有一台機器，它的内存空間是1G。而我們這台機器上會同時運行兩個程序，每個程序都要使用1G的内存空間，應該怎麼辦？”

“怎麼辦？這個沒辦法運行吧……” 陳小速脫口而出了這句話，不過看着吳進溫和的笑容，他知道這個回答肯定不對，撓了撓頭，又自己想了會。

陳小速有些信心不足地開口說：“吳大哥，我猜可能也是類似進程管理吧。例如CPU隻有一個，而為了讓多個程序同時運行，就不停地來回切換，像這樣的管理方式？”

“從原理上來看，其實差不多。” 吳進先表示了肯定，“這在操作系統裡，叫做虛拟内存技術。它的原理就是讓每個程序都認為自己可訪問的空間是1G，而且内存地址都是一緻的。隻有在實際運行的時候，才會将程序所需的指令代碼和數據加載至物理内存中。

“當程序要使用内存時，它訪問的是虛拟内存地址，而操作系統會将虛拟内存映射至實際的物理内存。通過這種方式，程序就不必考慮實際運行時，還有多少可用物理内存了，隻要專注于自身的邏輯實現就好。”

“啊，這個原理我弄明白了。” 陳小速一邊點頭一邊說，但他也想到了一個問題，“那操作系統是怎麼把物理内存分配給程序的呢？是一次給一大塊，還是一點一點給？”

“這個問題很好，” 吳進笑着說，“現代操作系統對于内存分配通常都是基于分段與分頁式調度管理。它們也是實現虛拟内存技術的基礎。操作系統會将内存按照固定大小分成塊，這樣的塊被稱為幀。比方說一幀的大小是4KB。”

陳小速在腦海裡浮現出拉開相機膠卷的畫面。

“那麼好了，程序運行需要占用内存，那操作系統就将程序也分片放在4KB的空間中，這稱為頁。借助虛拟内存技術，程序運行時的頁空間是連續的，但映射到幀上是可以不連續的，小速你看下這張圖。” 吳進說着，又畫了一張圖。

分頁管理

陳小速一看就明白了這個意思，吳進接着說：“那分段管理呢，就是将若幹頁合并起來，成為一個段，段的大小也是固定的。邏輯上可以按照子程序劃分，分配段内存給它。然後在子程序内部，又按照分頁方式進行管理。”

陳小速不住地點頭，又問道：“那段大小是固定的，會不會在分配的時候會造成浪費呢？”

“你說得很對，” 吳進發現陳小速果然注意到了這一點，“所以原理說起來簡單，但操作系統在實現的時候就有許多細節要處理好。那就要通過算法來做到，将浪費減小到最少，同時還要保證穩定性和健壯性。”

“小速，今天我們學習了操作系統兩個最核心的功能，進程管理與内存管理。其他還有存儲管理的文件系統、IO系統，用戶界面等方面。希望今天給你開這個頭，你回去以後再繼續學習，逐漸理解操作系統的主要功能和設計哲學。”

“好的，吳大哥。這學習理論和編程實現之間，是不是就像是知道牛頓三大運動定律，和造出能飛上天的火箭之間的區别一樣啊？” 陳小速搔着腦袋問。

吳進不由得哈哈大笑，“真的可以這麼說，但任何一個火箭工程師，也必須從學習三大定律開始，對吧？”

“沒錯，那我這就回去好好把基礎理論學好！” 陳小速下定決心要啃下操作系統的知識來。

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