不知道你有沒有產生過這些疑問：

桌面上的圖示到底是啥？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裡啪啦地敲，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選的是這個地方，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”這個影象呢？

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“雙擊滑鼠開啟聊天軟體”這樣一個簡單的操作，它幾乎涵蓋了作業系統的所有功能。我們就從這個熟悉的操作，來認識陌生的作業系統。

作業系統其實就像一個軟體外包，核心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，設身處地地去理解作業系統是如何協調各種資源，幫客戶做成事情的。

今後所說的“使用者”，都是指作業系統的使用者，“客戶”則是指外包公司的客戶，這兩者是對應的。

1 雙擊執行軟體，觸動了哪些硬體呢

1.1 滑鼠和鍵盤

計算機的輸入裝置。

使用者想要告訴計算機應該做什麼，都是通過這兩個裝置。

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 螢幕

也就是顯示器，是計算機的輸出裝置，將計算機處理使用者請求後的結果反饋給客戶。

顯示器上面顯示的東西是由顯示卡控制的。

無論是顯示器還是顯示卡，這裡都有個“座標”的概念，也就是說，什麼影象在哪個座標，都是定義好了才畫上去的。本來在某個座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），在螢幕的某個座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 輸入裝置驅動

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，這就是作業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，對於作業系統來講，輸入裝置會發送一箇中斷。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，這個時候客戶傳送的需求就被稱為中斷事件（Interrupt Event）。

1.4 輸出裝置驅動

顯示卡會有顯示卡驅動，在作業系統中稱為輸出裝置驅動，也就是上面說的交付人員。

2 從點選程式，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使用者“在桌面上點選QQ圖示”的事件了。

首先，滑鼠雙擊會觸發一箇中斷，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。在作業系統裡面就是呼叫中斷處理函式。作業系統發現雙擊的是一個圖示，就明白了使用者的原始訴求，準備執行QQ和別人聊天。

你會發現，執行QQ是一件大事，因為將來的一段時間，使用者要一直和QQ進行互動。

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，以後與這個專案有關的事情，都由這個專案組來處理。

2.1檔案管理系統

立項可不能隨便立，一定要有一個專案執行計劃書，說明這個專案打算怎麼做，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制了。這個程式就相當於專案執行計劃書。

電腦上的程式有很多，它們都以二進位制檔案的形式儲存在硬碟上。硬碟是個物理裝置，要按照規定格式化成為檔案系統，才能存放這些程式。檔案系統需要一個系統進行統一管理，稱為檔案管理子系統（File Management Subsystem）。

2.2 程序與程式

對於你們公司，專案立得多了，專案執行計劃書也會很多，同樣需要有個統一儲存檔案的檔案庫，而且需要有序地管理起來。

當你從資料庫裡面拿到這個專案執行計劃書，接下來就需要開始執行這個專案了。專案執行計劃書是靜態的，專案的執行是動態的。

同理，當作業系統拿到QQ的二進位制執行檔案的時候，就可以執行這個檔案了。

• QQ的二進位制檔案是靜態的，稱為程式（Program），
• 執行起來的QQ，是不斷進行的，稱為程序（Process）。

2.3 系統呼叫

你會發現，一個專案要想順暢進行，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，不能由專案組濫取濫用
• 效率，咱是一個私營企業，保證專案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，然後就會有迴應。

在作業系統中，也有同樣的問題。

例如多個程序都要往印表機上列印檔案，如果隨便亂列印程序，就會出現同樣一張紙，第一行是A程序輸出的文字，第二行是B程序輸出的文字，全亂套了。所以，印表機的直接操作是放在作業系統核心裡面的，程序不能隨便操作。但是作業系統也提供一個辦事大廳，也就是系統呼叫（System Call）。

系統呼叫也能列出來提供哪些介面可以呼叫，程序有需要的時候就可以去呼叫。

這其中，立項是辦事大廳提供的關鍵服務之一。同樣，任何一個程式要想執行起來，就需要呼叫系統呼叫，建立程序。

2.4 程序管理系統

一旦專案正式立項，就要開始執行，就要成立專案組，將開發人員分配到這個專案組，按照專案執行計劃書一步一步執行。

為了管理這個專案，我們還需要一個專案經理、一套專案管理流程、一個專案管理系統，例如程式設計師比較熟悉的Jira。如果專案多，可能一個開發人員需要同時執行多個專案，這就要考驗專案經理的排程能力了。

在作業系統中，程序的執行也需要分配CPU進行執行，也就是按照程式裡面的二進位制程式碼一行一行地執行。

於是，為了管理程序，我們還需要一個程序管理子系統（Process Management Subsystem）。如果執行的程序很多，則一個CPU會併發執行多個程序，也就需要CPU的排程能力了。

2.5 記憶體管理系統

每個專案都有自己的私密資料，這些資料不能被其他專案組看到。這些資料主要是專案在執行的過程中，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，如果不同專案的辦公空間不隔離，一方面，專案的私密性不能得到保證，A專案的細節，B專案也能看到；另一方面，專案之間會相互干擾，A專案組的人剛在白板上畫了一個架構圖，出去上個廁所，結果B專案組的人就給擦了。

如果把不同的專案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。

在作業系統中，不同的程序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，可以開啟工作管理員，你就能看到QQ這個程序耗費的CPU和記憶體。

專案執行的時候，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，有一部分程式碼會在顯示器上畫一個對話方塊，並且將鍵盤的焦點放在了輸入框裡面。CPU根據這些指令，就會告知顯示卡驅動程式，將這個對話方塊畫出來。

於是使用QQ的使用者就會很開心地發現，他能和別人開始聊天了。

當用戶通過鍵盤噼裡啪啦打字的時候，鍵盤也是輸入裝置，也會觸發中斷，通知相應的輸入裝置驅動程式。

我們假設使用者輸入了一個“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，因為是對接這個專案的，因而就回來報告，客戶提新需求了，專案組需要處理一下。專案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，專案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這個對話方塊上，因而作業系統知道，這個事件是給這個程序的。QQ的程式碼裡面肯定有遇到這種事件如何處理的程式碼，就會執行。一般是記錄下客戶的輸入，並且告知顯示卡驅動程式，在那個地方畫一個“a”。顯示卡畫完了，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作業系統，作業系統還是會找到QQ，QQ會將使用者的輸入傳送到網路上。QQ程序是不能直接傳送網路包的，需要呼叫系統呼叫，核心使用網絡卡驅動程式進行傳送。

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作業系統核心體系結構，回顧一下它們是如何組成一家公司的。

QQ的執行過程，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，這樣你就能瞭解作業系統的全貌了。

作業系統核心體系結構圖

參考

趣談Linux操作系