操作系统是如何工作的？
为了探究操作系统的工作原理。我们先要知道它是什么，它的作用，以及它的组成结构。然后我们解释为什么需要操作系统。最后，我们开始探究操作系统的工作原理，它是如何实现这些功能的。
什么是操作系统
操作系统的定义
操作系统是一个一直运行在计算机中的程序。它管理着计算机的硬件和软件资源，提供一些服务给计算机的程序。为了更好的理解操作系统，我们可以把它对比一个政府组织，它作用的与政府组织相类似。一个政府组织，它不是为了自己而运作，而是为了给百姓提供服务。操作系统它提供了一个环境，让程序可以在操作系统中运行。
操作系统的功能
- 用户接口。如用户图形界面，终端等。
- 程序的执行。
- I/O 操作。
- 文件系统操作
- 通信。
- 错误侦探。
- 资源分配。如，为程序分配CPU、分配内存。
操作系统的结构
常见的操作系统结构如下。
- 整体结构 （Monolithic Structure）。结构比较简单，没有清晰的层次和模块划分。这种结构，初期看起来会比较简单。由于耦合度较高，后期就比较难维护，以及容易出现安全问题。
- 分层结构 （Layered Approach）。系统分为多个层，较低的层的提供一系列方法给较高的层调用。这是一种松耦合的结构，系统中某一个部分改变对其它部分没有很大的影响。另外，这种结构比较易于系统调试。
- 微核心结构 （Microkernels）。把所有不必要的组件从内核中移除，作为用户层的软件去实现，把内核最小化。这样的结构易于系统扩展，添加新的系统服务不需要修改内核。
- 组件化结构 （Modules）。内核包含一些核心的组件，其它系统服务模块可以通过动态加载来实现。
现代操作系统一般采用上面的某一种结构。但有的操作系统会采用混合多种不同的结构。大部分现代操作系统都采用一种组件化结构称为 Loadable Kernel Modules (LKMs)。
虽然每个系统的结构各不相同，但它提供的功能大致是相同的。如进程管理，文件管理，设备管理等功能是必要的。每个系统为了实现它要提供的功能，采用一个合适的结构就好。最重要的是把功能很好的实现，以及方便操作系统能够持续的维护和优化。
现代 Linux 系统内核结构采用组件化结构，如图
为什么需要操作系统
操作系统是连接硬件和用户软件的媒介。它对硬件资源进行管理，提供一个让用户软件可以运行的环境，以及给用户提供了用户图形接口（GUI）让用户可以方便使用硬件资源。没有操作系统提供的环境，我们就无法享受各种各样的应用软件带来的便利。
操作系统是如何工作的
操作系统的启动过程
当笔记本电脑按下开机键后，位于电脑主板上的固件 ROM 中的启动程序（Boot Loader）会运行，常见的启动程序有 BIOS 和 UEFI。启动程序会加载操作系统的启动程序，进而把整个操作系统加载到内存中并开始执行操作系统。然后安装驱动程序，创建初始化系统进程，启动必要的服务（如Web服务器，数据库等），最终出现系统登录的页面。
操作系统是如何为用户程序服务的？
操作系统启动成功后，就可以登录系统。用户可以根据自己的需要运行相应的程序，如浏览器，文本编辑器等。
一个程序的运行，需要把可执行文件加载到内存中，需要使用 CPU 去执行。然而，硬件资源（CPU，内存等）是被操作系统所管理的，为了安全和高效，用户程序不能直接使用硬件资源。
操作系统为用户程序提供了一系列的接口，通过调用对应的接口获取相应的服务和资源。这一系列接口称为系统调用 （System Call）接口。
常见的系统调用接口
- 进程控制。创建子进程，获取进程属性，分配额外内存空间等等。
- 文件管理。创建和删除文件，打开和关闭文件，读写文件等等。
- 设备管理。请求连接设备，关闭设备，读写设备等等。
操作系统是如何管理硬件和软件资源的？
为了更高效的使用硬件资源，需要合理的管理和分配资源。操作系统负责给进程分配资源。关于 CPU 的分配，一般采用轮询调度算法（Round-Robin Scheduling），即每个进程依次被 CPU 执行一个小的时间片段。关于内存的分配，一般采用的是虚拟内存，它可以使进程的逻辑内存空间远大于实际的物理内存空间，从而能运行更多的程序，更大程度的使用计算机硬件资源。
除了管理硬件资源，操作系统还要管理软件资源。如何让进程同步，如何解决进程死锁，如何实现文件I/O 等等。由于篇幅原因，这里就不具体展开。以后会单独作为一篇文章去写。
结语
通过了解操作系统是什么，为什么需要操作系统，以及操作系统的工作原理。我们大致了解操作系统的内部结构和实现机制。想要了解更多操作系统相关内容，可以阅读我的参考内容。
References
[1] Silberschatz, A. Operating system concepts 10th [M]. 2018.
