操作系统和应用的关系

Posted 2021-04-19 杨秉学的小屋

几个问题

在步入正题之前先问几个问题就是

监控程序的主要功能是什么？

在操作系统上运行的程序称为什么？

 调用操作系统功能称为什么？

其实，每个人的答案都不一样，没必要完全按照标准答案，理解就可以了。

程序的加载和运行

应用或应用程序

系统调用（system call）

操作系统前身

在计算机中尚不存在操作系统的年代，完全没有任何程序，因此程序员就需要编写出处理相关的所有程序。用机器语言编写程序，然后再使用开关将程序输入，这一过程非常麻烦。

于是，有人开发出了仅具有加载和运行功能的监控程序，这就是操作系统的原型。通过事先启动监控程序，程序员就可以根据需要将各种程序加载到内存中运行。

监控程序可以说是操作系统的原型

随着时代的发展，人们在利用监控程序编写程序的过程中，发现很多程序都有共通的部分。例如，通过键盘输入文字数据、往显示器输出文字数据等。这些处理，在任何程序下都是一样的。而如果每编写一个新的程序都要记述相同的处理的话，那真的是太浪费时间了。因此，基本的输入输出部分的程序就被追加到了监控程序中。初期的操作系统就这样诞生了。

初期的操作系统

之后，随着时代的进一步发展，开始有更多的功能被追加到监控程序中，比如，为了方便程序员的硬件控制程序、编程语言处理器（汇编、编译、解析）以及各种实用程序等，结果就形成了和现在相差不大的操作系统。因此，操作系统本身并不是单独的程序，而是多个程序的集合体。

操作系统

操作系统作用

制作应用的程序员们意识到一点，那就是你们制作的不是硬件，而是利用操作系统功能的应用。

计算机的硬件都是由核心(kernel)管理，那么如果我想要开发软件的话，自然就得要去参考这个核心的相关功能！就这样从原本的参考硬件函数变成参考核心功能，操作系统通常会提供一整组的开发接口给工程师来开发软件！ 工程师只要遵守该开发接口那就很容易开发软件了！

由于操作系统诞生后，程序员无需再考虑硬件的问题，因此程序员的数量也增加了。哪怕是自称“对硬件一窍不通”的人，也可能会制作出一个有模有样的应用。

举个例子

#include <stdio.h>#include <time.h>
int main(){    time_t tm;    time(&tm); printf("%s
", ctime(&tm));     return 0;}
在操作系统这个运行环境下，应用并不是直接控制硬件，而是通过操作系统来间接控制硬件的。变量定义中涉及的内存的申请分配，以及 time() 和 printf() 这些函数的运行结果，都不是面向硬件而是面向操作系统的。操作系统收到应用发出的指令后，首先会对该指令进行解释，然后会对时钟 IC（实时时钟）和显示器用的 I/O 进行控制。

应用程序经过 OS 间接地控制硬件

操作系统和高级编程语言使硬件抽象化

#include <stdio.h>void main() { //打开文件 FILE *fp = fopen("MyFile.txt", "w");
 //写入文件 fputs("你好", fp);
 //关闭文件 fclose(fp); }  fopen() 是用来打开文件的函数；file open fputs() 是用来往文件中写入字符串的函数；file put string fclose() 是用来关闭文件的函数 file close

如果没有操作系统直接对硬件进行操作的话，那就变成了通过向磁盘用的 I/O 指定扇区位置来对数据进行读写了。

但是程序当中扇区根本没有出现过。传递给 fopen() 函数的参数，是文件名 "MyFile" 和指定文件写入的 "w"。传递给 fputs() 的参数，是往文件中写入的字符串 " hello world" 和 fp。传递给 fclose 的参数，也仅仅是 fp。也就是说，磁盘媒介的读写采用了文件这个概念，将整个流程抽象化成了打开文件用的 fopen()、写入文件用的 fputs()、关闭文件用的 fclose()

物理上的磁盘媒体被抽象化成了文件

提供多任务功能

多任务指的是同时运行多个程序的功能。Windows 是通过时钟分割技术来实现多任务功能的。

时钟分割实现多任务的机制

时钟分割指的是在短时间间隔内，多个程序切换运行的方式。在用户看来，就是多个程序在同时运行。也就是说，Windows 会自动切换多个程序的运行。此外，Windows 中还具有以程序中的函数为单位来进行时钟分割的多线程功能。

线程：是操作系统分配给 CPU 的最小运行单位。源代码的一个函数就相当于一个线程。多线程处理指的是在一个程序中同时运行多个函数的意思。

系统调用

操作系统的硬件控制功能，通常是通过一些小的函数集合体的形式来提供的。这些函数及调用函数的行为统称为系统调用（system call），也就是应用对操作系统（system）的功能进行调用（call）的意思。

C 语言等高级编程语言并不依存于特定的操作系统。这是因为人们希望不管是 Windows 还是 Linux，都能使用几乎相同的源代码。因此，高级编程语言的机制就是，使用独自的函数名，然后再在编译时将其转换成相应操作系统的系统调用（也有可能是多个系统调用的组合）。
高级编程语言中，也存在可以直接调用系统调用的编程语言。不过，利用这种方式做成的应用，移植性并不友好（也俗称为有恶意行为的应用）。例如，直接调用 Windows 系统调用的应用，在 Linux 上显然是无法运行的。

高级编程语言的函数调用在编译后变成了系统调用

如果将整个计算机系统软/硬件绘制一下，大致如下

只要硬件不同核心(kernel)就要改变，核心只会进行计算机系统的资源分配，所以在上头还需要有应用程序的提供，用户才能够操作系统的。

操作系统的核心层直接参考硬件规格写成， 所以同一个操作系统程序不能够在不一样的硬件架构下运作。举例来说，个人计算机版的 Windows 不能直接在 ARM 架构 (手机与平板硬件) 的计算机下运作。

操作系统只是在管理整个硬件资源，包括 CPU、内存、输入输出装置及文件系统文件。如果没有其他的应用程序辅助，操作系统只能让计算机主机准备妥当(Ready)而已！并无法运作其他功能。所以你现在知道为何 Windows 上面要达成网页影像的运作还需要类似 PhotoImpact 或 Photoshop 之类的软件安装了吧？

应用程序的开发都是参考操作系统提供的开发接口， 所以该应用程序只能在该操作系统上面运作而已，不可以在其他操作系统上面运作的。现在您知道为何去购买在线游戏的光盘时，光盘上面会明明白白的写着该软件适合用于哪一种操作系统上了吧？也该知道某些游戏为何不能够在 Linux 上面安装了吧？