不知道你有沒有產生過這些疑問：

桌面上的圖標到底是啥？憑啥我在滑鼠上一雙擊，就會出來一些不可描述的畫面？都是從哪裡跑出來的？
憑什麼我在鍵盤上噼里啪啦地敲，某個位置就會顯示我想要的那些字元？

電腦怎麼知道我滑鼠點擊的是這個地方，又是怎麼知道我要輸入的是這個地方？

我在鍵盤上點“a”，是誰在顯示器上畫出“a”這個圖像呢？

為什麼我一回車，這些字元就發到遙遠的另外一臺機器上去了？

別小看“雙擊滑鼠打開聊天軟體”這樣一個簡單的操作，它幾乎涵蓋了操作系統的所有功能。我們就從這個熟悉的操作，來認識陌生的操作系統。

操作系統其實就像一個軟體外包，內核就相當於這家外包公司的老闆。所以接下來請你將自己的角色切換成這家軟體外包公司的老闆，設身處地地去理解操作系統是如何協調各種資源，幫客戶做成事情的。

今後所說的“用戶”，都是指操作系統的用戶，“客戶”則是指外包公司的客戶，這兩者是對應的。

1 雙擊運行軟體，觸動了哪些硬體呢

1.1 滑鼠和鍵盤

電腦的輸入設備。

用戶想要告訴電腦應該做什麼，都是通過這兩個設備。

如果是一家外包公司，怎麼才能知道客戶的需求呢？你需要配備銷售、售前等角色，專門負責和客戶對接，把客戶需求拿回來，我們把這些人統稱為客戶對接員。你可以跟客戶說，有什麼事兒都找對接員。

1.2 屏幕

也就是顯示器，是電腦的輸出設備，將電腦處理用戶請求後的結果反饋給客戶。

顯示器上面顯示的東西是由顯卡控制的。

無論是顯示器還是顯卡，這裡都有個“坐標”的概念，也就是說，什麼圖像在哪個坐標，都是定義好了才畫上去的。本來在某個坐標畫了一個滑鼠箭頭，當接到滑鼠移動的事件之後，你應該按相同的方向，按照一定的比例（滑鼠靈敏度），在屏幕的某個坐標再畫一個滑鼠箭頭。

作為外包公司，當客戶給你提了需求，不管你做還是不做，最終做成什麼樣，你都需要給客戶反饋，所以你要配備交付人員，將做好的需求展示給他們看。

1.3 輸入設備驅動

其實就是客戶對接員。有時候新插上一個滑鼠的時候，會彈出一個通知你安裝驅動，這就是操作系統這家外包公司給你配備對接人員呢。當客戶告訴對接員需求的時候，對於操作系統來講，輸入設備會發送一個中斷。這個概念很好理解。客戶肯定希望外包公司把正在做的事情都停下來服務它。所以，這個時候客戶發送的需求就被稱為中斷事件（Interrupt Event）。

1.4 輸出設備驅動

顯卡會有顯卡驅動，在操作系統中稱為輸出設備驅動，也就是上面說的交付人員。

2 從點擊程式，窺探OS全貌

有了客戶對接員和交付人員，外包公司就可以處理用戶“在桌面上點擊QQ圖標”的事件了。

首先，滑鼠雙擊會觸發一個中斷，這相當於客戶告知客戶對接員“有了新需求，需要處理一下”。你會事先把處理這種問題的方法教給客戶對接員。在操作系統裡面就是調用中斷處理函數。操作系統發現雙擊的是一個圖標，就明白了用戶的原始訴求，準備運行QQ和別人聊天。

你會發現，運行QQ是一件大事，因為將來的一段時間，用戶要一直和QQ進行交互。

這就相當於你們公司接了一個大單，而不是處理零星的客戶需求，這個時候應該單獨立項。一旦立了項，以後與這個項目有關的事情，都由這個項目組來處理。

2.1文件管理系統

立項可不能隨便立，一定要有一個項目執行計劃書，說明這個項目打算怎麼做，一步一步如何執行，遇到什麼情況應該怎麼辦等等。

換句話說，對QQ這個程式來說，它能做哪些事情，每個事情怎麼做，先做啥後做啥，都已經作為程式邏輯寫在程式裡面，並且編譯成為二進位了。這個程式就相當於項目執行計劃書。

電腦上的程式有很多，它們都以二進位文件的形式保存在硬碟上。硬碟是個物理設備，要按照規定格式化成為文件系統，才能存放這些程式。文件系統需要一個系統進行統一管理，稱為文件管理子系統（File Management Subsystem）。

2.2 進程與程式

對於你們公司，項目立得多了，項目執行計劃書也會很多，同樣需要有個統一保存文件的檔案庫，而且需要有序地管理起來。

當你從資料庫裡面拿到這個項目執行計劃書，接下來就需要開始執行這個項目了。項目執行計劃書是靜態的，項目的執行是動態的。

同理，當操作系統拿到QQ的二進位執行文件的時候，就可以運行這個文件了。

• QQ的二進位文件是靜態的，稱為程式（Program），
• 運行起來的QQ，是不斷進行的，稱為進程（Process）。

2.3 系統調用

你會發現，一個項目要想順暢進行，需要用到公司的各種資源，比如說蓋個公章、開個證明、申請個會議室、列印個材料等等。

這裡有個兩難的權衡

• 資源有限，甚至是涉及機密的，不能由項目組濫取濫用
• 效率，咱是一個私營企業，保證項目申請資源的時候只跑一次，這樣才能比較高效。

為了平衡這一點，一方面涉及核心許可權的資源，還是應該被公司嚴格把控，審批了才能用；

另外一方面，為了提高效率，最好有個統一的辦事大廳，明文列出提供哪些服務，誰需要可以來申請，然後就會有回應。

在操作系統中，也有同樣的問題。

例如多個進程都要往印表機上列印文件，如果隨便亂列印進程，就會出現同樣一張紙，第一行是A進程輸出的文字，第二行是B進程輸出的文字，全亂套了。所以，印表機的直接操作是放在操作系統內核裡面的，進程不能隨便操作。但是操作系統也提供一個辦事大廳，也就是系統調用（System Call）。

系統調用也能列出來提供哪些介面可以調用，進程有需要的時候就可以去調用。

這其中，立項是辦事大廳提供的關鍵服務之一。同樣，任何一個程式要想運行起來，就需要調用系統調用，創建進程。

2.4 進程管理系統

一旦項目正式立項，就要開始執行，就要成立項目組，將開發人員分配到這個項目組，按照項目執行計劃書一步一步執行。

為了管理這個項目，我們還需要一個項目經理、一套項目管理流程、一個項目管理系統，例如程式員比較熟悉的Jira。如果項目多，可能一個開發人員需要同時執行多個項目，這就要考驗項目經理的調度能力了。

在操作系統中，進程的執行也需要分配CPU進行執行，也就是按照程式裡面的二進位代碼一行一行地執行。

於是，為了管理進程，我們還需要一個進程管理子系統（Process Management Subsystem）。如果運行的進程很多，則一個CPU會併發運行多個進程，也就需要CPU的調度能力了。

2.5 記憶體管理系統

每個項目都有自己的私密資料，這些資料不能被其他項目組看到。這些資料主要是項目在執行的過程中，產生的很多中間成果，例如架構圖、流程圖。

執行過程中，難免要在白板上或者本子上寫寫畫畫，如果不同項目的辦公空間不隔離，一方面，項目的私密性不能得到保證，A項目的細節，B項目也能看到；另一方面，項目之間會相互干擾，A項目組的人剛在白板上畫了一個架構圖，出去上個廁所，結果B項目組的人就給擦了。

如果把不同的項目組分配到不同的會議室，就解決了這個問題。當然會議室是有限的，需要有人管理和分配，並且需要一個會議室管理系統。

在操作系統中，不同的進程有不同的記憶體空間，但是整個電腦記憶體就這麼點兒，所以需要統一的管理和分配，這就需要記憶體管理子系統（Memory Management Subsystem）。

如果想直觀地瞭解QQ如何使用CPU和記憶體，可以打開任務管理器，你就能看到QQ這個進程耗費的CPU和記憶體。

項目執行的時候，有了一定的成果，就要給客戶演示。例如客戶說要做個應用，我們做出來了要給客戶看看，如果客戶說哪裡需要改，可以根據客戶的需求再改，這就需要交付人員了。

QQ啟動之後，有一部分代碼會在顯示器上畫一個對話框，並且將鍵盤的焦點放在了輸入框裡面。CPU根據這些指令，就會告知顯卡驅動程式，將這個對話框畫出來。

於是使用QQ的用戶就會很開心地發現，他能和別人開始聊天了。

當用戶通過鍵盤噼里啪啦打字的時候，鍵盤也是輸入設備，也會觸發中斷，通知相應的輸入設備驅動程式。

我們假設用戶輸入了一個“a”。這就像客戶提出了新的需求給客戶對接員。客戶對接員收到需求後，因為是對接這個項目的，因而就回來報告，客戶提新需求了，項目組需要處理一下。項目執行計劃書裡面一般都會有當遇到何種需求應該怎麼做的規定，項目組就按這個規定做了，然後讓交付人員再去客戶那裡演示就行了。

對於QQ來講，由於鍵盤閃啊閃的焦點在QQ這個對話框上，因而操作系統知道，這個事件是給這個進程的。QQ的代碼裡面肯定有遇到這種事件如何處理的代碼，就會執行。一般是記錄下客戶的輸入，並且告知顯卡驅動程式，在那個地方畫一個“a”。顯卡畫完了，客戶看到了，就覺得自己的輸入成功了。

當用戶輸入完畢之後，回車一下，還是會通過鍵盤驅動程式告訴操作系統，操作系統還是會找到QQ，QQ會將用戶的輸入發送到網路上。QQ進程是不能直接發送網路包的，需要調用系統調用，內核使用網卡驅動程式進行發送。

這就像客戶對接員接到一個需求，但是這個需求需要和其他公司溝通，這就需要依靠公司的對外合作部，對外合作部在辦事大廳有專門的視窗，非常方便。

總結

到這裡，一個外包公司大部分的職能部門都湊齊了。你可以對應著下圖的操作系統內核體繫結構，回顧一下它們是如何組成一家公司的。

QQ的運行過程，只是一個簡單的比喻。在後面的章節中，我會展開講述每個部分是怎麼工作的，最後我會再將這個過程串起來，這樣你就能瞭解操作系統的全貌了。

操作系統內核體繫結構圖

參考

趣談Linux操作系統