操作系统与应用程序的关系

1、共享知识分享快乐盛年不重来，一日难再晨。及时宜自勉，岁月不待人。操作系统与应用程序的关系操作系统主要可以分为两大部分：内核和内核之外的一些程序。内核就是直接控制最底层的硬件，而我们日常所用到的软件，大都是 通过内核之外一些程序与内核之间的接口完成的，例如WINDOWSAPI就是为我们提供了应用程序与内核的接口，以实现硬件上的一些操作。操作系统（Operating System简称OS）是一管理电脑硬件与 软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。 操作系统是一 个庞大的管理控制程序，大致包括 5个方面的管理功能：进程与处理 机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。目前微机上常 见

2、的操作系统有 DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、 Netware 等。应用软件是用户可以使用的各种程序设计语言，以及用各种程序 设计语言编制的应用程序的集合，分为应用软件包和用户程序.应用 软件包是利用计算机解决某类问题而设计的程序的集合 ，供多用户使 用。内核系统与应用程序的关系在Linux系统中，内核为用户程序提供了两方面的支持。其一是系统调用接口，即中断调用int 0x80 ;另一方面是通过开发环境库 函数或内核库函数与内核进行信息交流。 不过内核库函数仅供内核创 建的任务0和任务1使用，它们最终还是去调用系统调用。因此内核 对所有用户程序或进程实际上只

3、提供系统调用这一种统一的接口。lib/目录下内核库函数代码的实现方法与基本 C函数库libc中类似 函数的实现方法基本相同，为了使用内核资源，最终都是通过内嵌汇 编代码调用了内核系统调用功能。系统调用主要提供给系统软件编程或者用于库函数的实现。而一般用户开发的程序则是通过调用像libc等库函数来访问内核资源。 这些库中的函数或资源通常被称为应用程序编程接口（API），其中定义了应用程序使用的一组标准编程接口。通过调用这些库中的程 序，应用程序代码能够完成各种常用工作，例如，打开和关闭、对文 件或设备的访问、进行科学计算、出错处理以及访问组和用户标识号 ID等系统信息。在UNIX类操作系统中，最

4、为普遍使用的是基于POSIX标准的API 接口。Linux当然也不例外。API与系统调用的区别在于：为了实现 某一应用程序接口标准，例如 POSIX其中的API可以与一个系统调 用对应，也可能由几个系统调用的功能共同实现。当然某些API函数可能根本就不需要使用系统调用，即不使用内核功能。因此函数库可 以看做实现像POSIX标准的主体界面，应用程序不用管它与系统调用 之间到底存在什么关系。无论一个操作系统提供的系统调用有多么大 的区别，但只要它遵循同一个API标准，那么应用程序就可以在这些 操作系统之间具有可移植性。系统调用是内核与外界接口的最高层。 在内核中，每个系统调用 都有一个序列号（在i

5、nclude/unistd.h头文件中定义），并且常以宏的形式实现。应用程序不应该直接使用系统调用，因为这样的话， 程序的移植性就不好了。因此目前 Linux标准库（Linux Standard Base, LSB和许多其他标准都不允许应用程序直接访问系统调用宏。 库函数一般包括C语言没有提供的执行高级功能的用户级函数， 如输 入/输出和字符串处理函数。某些库函数只是系统调用的增强功能版。 例如，标准I/O库函数fopen和fclose提供了与系统调用open和 close类似的功能，不过是在更高的层次上。在这种情况下，系统调 用通常能提供比库函数略微好一些的性能，但是库函数却能提供更多的功能

6、，而且更具检错能力。实际上软件程序还可以细分成两种：系统程序软件和应用程序软 件。系统程序软件实际上就是我们所说的驱动程序，它们的目的只有一个，就是为了驱动硬件，使之能正常地完成某种硬件功能，比如网 卡的发送数据功能，声卡的播放声音功能。应用程序软件则用来接收 用户的输入请求，进行很多业务运算后，再通过驱动程序驱动硬件去 完成用户所要求的任务，有时候应用程序软件也负责把运算的最终结 果反馈给用户。画成图就是图一那样，注意，在整个软件系统中，也 只有驱动程序最清楚硬件的功能及工作方式，如果上面应用程序想要 硬件完成什么样的任务，必须使用相应的驱动程序所提供的那些接口 才行。驱动程序直接驱动硬件进

7、行工作，而应用程序则只需要知道这 些接口，通过它们间接去驱动硬件来完成任务。这种策略看似简单好 用，但也会受到两方面因素的制约。图一首先，一个计算机系统里面的硬件设备通常不会只有一个。比方 我的魅族MP3里除了音频解码器外，自然也有用来存储歌曲的设备。 这些设备各具不同的功能，完成这些功能的操作也就各不相同， 就决 定了写出来的驱动程序也是各式各样的，最后导致他们提供给应用程 序使用的接口也是千变万化的，如图二那样，用不同颜色的箭头表示 不同的接口使用。这大大增加了应用程序开发的难度， 因为应用程序 开发者不仅要考虑上层业务逻辑的处理，还要非常熟悉各种驱动所提 供出来的不同接口。图二：一个应用

8、使用多个硬件设备其次，一个计算机系统里面同时运行着的应用程序通常也不会只有一 个，这些应用程序会竞争使用总量特定的硬件设备资源。比方你和朋友在用qq聊天的同时，也听着千千静听放出来的音乐，他们都要使用 屏幕设备show出界面，也都要使用物理内存（2）来运行程序代码。但 是屏幕只有一个，内存也只有那么多，所以在整个计算机系统范围内，必须有某种机制来管理分配这些特定硬件资源的使用。如图三，设计的时候，这种机制要么放在应用程序中实现， 要么放在驱动程序中实 现，但无论放在哪一方，都是会给这一方的程序开发者带来额外的负 担。图二一个应用使用多个硬件设备图三：多个应用使用多个硬件设备引入操作系统之后上面

9、之所以说额外，那是因为对于应用程序开发者来讲， 其重点要考虑的是业务逻辑如何实现，而不是去考虑硬件资源的管理分配， 也最 好用不着去区分那么多驱动程序的不同接口。 类似的，对于驱动程序 开发者来说，其要考虑的重点是如何正确的驱动特定的硬件， 而不是 去考虑硬件资源的管理分配上。那这部分 额外”的工作由谁去做呢， 这正是后来出现的操作系统(3)的职责所在图五：引入操作系统后的情况如图五，操作系统帮我们考虑对各种硬件资源的分配管理，并完成对各种驱动程序所提供接口的抽象，形成一套简单一致的接口给上层的 应用程序去使用。如此，应用程序开发人员只需要知道操作系统所提 供的这套编程接口 (API)，就可以实现不同的业务应用。前面我们讲 系统程序软件实际上就是驱动程序，但这里我们讲系统程序软件是操 作系统。概念上，我们认为操作系统依赖于驱动程序这一层，但实际 上，驱动程序是嵌入到操作系统中去的， 所