上一篇，我们用面向对象的思路，分析了一个操作系统的构成和设计。通过分析，我们觉得一个操作系统有进程、CPU、内存、外设四个基本的对象构成。今天我们来聊一下，这几个对象是如何运作起来的。
操作系统初始化
首先，操作系统启动后，他得有一个初始化的过程。在这个过程中，操作系统会扫描所有的设备，为每个设备创建一个对象，把设备的信息记录到对象中。同时，把这些对象放到操作系统的核心表结构中，方便未来使用。当然，初始化的细节没有这么简单，我们只是简化来说。
我们可以看到如果每次启动都重新扫描，启动的时间就太长了。所以，我们会在操作系统首次安装过程中，就把设备的一些信息存储到硬件中。类似于对核心表结构的一些对象做了序列化存储，下次启动的时候，直接反序列化就可以，大大加速了启动的过程。
子系统启动
初始化完毕后，操作系统就在内存中维护好了一个管理各种设备的对象表结构。但这时的操作系统还是个毛坯房，我们还没法使用，图形化界面还没有，用户账号也没法登陆，软件也没法安装等等。那怎么来添加这些功能呢。
我们从软件架构设计的角度来看，首先我们要思考这个模块跟核心模块的逻辑关联性。如果逻辑上关联性强，那就适合放到一起，反之就需要分拆出去。当然两种方式都各有利弊，全部都放到操作系统核心模块中，必然会加大他的复杂度。但是都放到核心之外也会有性能的损耗。比如图形化界面模块，Windows和Linux就走了不同的路线，Windows系统把他放到了核心模块中，而Linux则把他作为独立的子系统。两个选择没有对与错。选择的不同可能跟两个操作系统的用户群体有关系，Windows系统的用户主要是个人消费者，更关注用户的操作体验；而Linux系统的用户主要是企业服务器客户，注重的是未来的可扩展性以及安全和稳定性。
当各个子系统都启动完毕后，操作系统就变成了我们熟悉的样子。用户可以安装自己心仪的软件，当运行一个软件后，操作系统就会创建一个对应的进程对象，用于管理这个软件的运行。同样，这个进程对象也放到这个核心表结构中。
操作系统核心表
大家可以看到，核心表结构实在是太重要了，每个软件都是通过这些对象来访问设备。相应的，安全的问题就凸显出来。如果每个软件都可以随便访问，就相当于你可以随便去别人家串门。显然这是不能允许的，那怎么来做呢。
我们要禁止软件进程直接访问核心表，只能通过操作系统内核来访问。操作系统自身的代码运行空间我们叫内核态，他有独立的地址空间，核心表只有他可以访问。每个软件的运行空间我们叫用户态，他也有自己独立的地址空间。两个地址空间完全隔离。当软件需要访问核心表的时候，就要通过系统中断来切换到系统态中。
CPU本身就支持了两个态的切换。我们可以理解CPU上面有一个开关，用于标示现在是什么态。不同的态，地址空间映射会不一样，这样就保证了互相之间的完全隔离。
安全架构
如果只是做了安全隔离其实还不够，还可以做得再精细一些。应该明确哪个软件可以访问哪些权限，并且提示给用户。在PC时代，一方面大家的安全意识并不强；另外，操作系统也没有很好地支持，尤其是Windows系统。但是在手机时代，操作系统就有了更完善的支持，大家现在用的安卓系统和苹果就是这样的，每次打开一个App，该软件用到的系统权限都会提示出来，让用户去确认。
回到我们设计的这个操作系统，我们也可以设计类似的安全框架。进程每次对核心对象的访问，我们都可以判断进程的执行用户是否拥有这个权限。同时，每个进程的访问日志我们都可以记录下来。这样就可以有更灵活的安全机制。
总结一下，通过面向对象的分析，核心对象之间的关联和协作，我们搭建起了一个操作系统极简模型。可以看出面向对象的思想是非常有力的一个武器。
网友评论