操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序的關(guān)系

1、.操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序的關(guān)系操作系統(tǒng)主要可以分為兩大部分：內(nèi)核和內(nèi)核之外的一些程序。內(nèi)核就是直接控制最底層的硬件，而我們?nèi)粘Ｋ玫降能浖蠖际峭ㄟ^內(nèi)核之外一些程序與內(nèi)核之間的接口完成的，例如WINDOWS API就是為我們提供了應(yīng)用程序與內(nèi)核的接口，以實現(xiàn)硬件上的一些操作。操作系統(tǒng)（Operating System，簡稱OS）是一管理電腦硬件與軟件資源的程序，同時也是計算機系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。操作系統(tǒng)是一個龐大的管理控制程序，大致包括5個方面的管理功能:進程與處理機管理、作業(yè)管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理。目前微機上常見的操作系統(tǒng)有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Wind

2、ows、Netware等。 應(yīng)用軟件是用戶可以使用的各種程序設(shè)計語言,以及用各種程序設(shè)計語言編制的應(yīng)用程序的集合,分為應(yīng)用軟件包和用戶程序.應(yīng)用軟件包是利用計算機解決某類問題而設(shè)計的程序的集合,供多用戶使用。內(nèi)核系統(tǒng)與應(yīng)用程序的關(guān)系在Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核為用戶程序提供了兩方面的支持。其一是系統(tǒng)調(diào)用接口，即中斷調(diào)用int 0x80；另一方面是通過開發(fā)環(huán)境庫函數(shù)或內(nèi)核庫函數(shù)與內(nèi)核進行信息交流。不過內(nèi)核庫函數(shù)僅供內(nèi)核創(chuàng)建的任務(wù)0和任務(wù)1使用，它們最終還是去調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用。因此內(nèi)核對所有用戶程序或進程實際上只提供系統(tǒng)調(diào)用這一種統(tǒng)一的接口。lib/目錄下內(nèi)核庫函數(shù)代碼的實現(xiàn)方法與基本C函數(shù)庫libc中類

3、似函數(shù)的實現(xiàn)方法基本相同，為了使用內(nèi)核資源，最終都是通過內(nèi)嵌匯編代碼調(diào)用了內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用功能。系統(tǒng)調(diào)用主要提供給系統(tǒng)軟件編程或者用于庫函數(shù)的實現(xiàn)。而一般用戶開發(fā)的程序則是通過調(diào)用像libc等庫函數(shù)來訪問內(nèi)核資源。這些庫中的函數(shù)或資源通常被稱為應(yīng)用程序編程接口（API），其中定義了應(yīng)用程序使用的一組標準編程接口。通過調(diào)用這些庫中的程序，應(yīng)用程序代碼能夠完成各種常用工作，例如，打開和關(guān)閉、對文件或設(shè)備的訪問、進行科學計算、出錯處理以及訪問組和用戶標識號ID等系統(tǒng)信息。在UNIX類操作系統(tǒng)中，最為普遍使用的是基于POSIX標準的API接口。Linux當然也不例外。API與系統(tǒng)調(diào)用的區(qū)別在于：為了實現(xiàn)某

4、一應(yīng)用程序接口標準，例如POSIX，其中的API可以與一個系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)，也可能由幾個系統(tǒng)調(diào)用的功能共同實現(xiàn)。當然某些API函數(shù)可能根本就不需要使用系統(tǒng)調(diào)用，即不使用內(nèi)核功能。因此函數(shù)庫可以看做實現(xiàn)像POSIX標準的主體界面，應(yīng)用程序不用管它與系統(tǒng)調(diào)用之間到底存在什么關(guān)系。無論一個操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用有多么大的區(qū)別，但只要它遵循同一個API標準，那么應(yīng)用程序就可以在這些操作系統(tǒng)之間具有可移植性。系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核與外界接口的最高層。在內(nèi)核中，每個系統(tǒng)調(diào)用都有一個序列號（在include/unistd.h頭文件中定義），并且常以宏的形式實現(xiàn)。應(yīng)用程序不應(yīng)該直接使用系統(tǒng)調(diào)用，因為這樣的話，程序的移植性

5、就不好了。因此目前Linux標準庫（Linux Standard Base，LSB）和許多其他標準都不允許應(yīng)用程序直接訪問系統(tǒng)調(diào)用宏。庫函數(shù)一般包括C語言沒有提供的執(zhí)行高級功能的用戶級函數(shù)，如輸入/輸出和字符串處理函數(shù)。某些庫函數(shù)只是系統(tǒng)調(diào)用的增強功能版。例如，標準I/O庫函數(shù)fopen和fclose提供了與系統(tǒng)調(diào)用open和close類似的功能，不過是在更高的層次上。在這種情況下，系統(tǒng)調(diào)用通常能提供比庫函數(shù)略微好一些的性能，但是庫函數(shù)卻能提供更多的功能，而且更具檢錯能力。實際上軟件程序還可以細分成兩種：系統(tǒng)程序軟件和應(yīng)用程序軟件。系統(tǒng)程序軟件實際上就是我們所說的驅(qū)動程序，它們的目的只有一個，

6、就是為了驅(qū)動硬件，使之能正常地完成某種硬件功能，比如網(wǎng)卡的發(fā)送數(shù)據(jù)功能，聲卡的播放聲音功能。應(yīng)用程序軟件則用來接收用戶的輸入請求，進行很多業(yè)務(wù)運算后，再通過驅(qū)動程序驅(qū)動硬件去完成用戶所要求的任務(wù)，有時候應(yīng)用程序軟件也負責把運算的最終結(jié)果反饋給用戶。畫成圖就是圖一那樣，注意，在整個軟件系統(tǒng)中，也只有驅(qū)動程序最清楚硬件的功能及工作方式，如果上面應(yīng)用程序想要硬件完成什么樣的任務(wù)，必須使用相應(yīng)的驅(qū)動程序所提供的那些接口才行。驅(qū)動程序直接驅(qū)動硬件進行工作，而應(yīng)用程序則只需要知道這些接口，通過它們間接去驅(qū)動硬件來完成任務(wù)。這種策略看似簡單好用，但也會受到兩方面因素的制約。圖一首先，一個計算機系統(tǒng)里面的硬件

7、設(shè)備通常不會只有一個。比方我的魅族MP3里除了音頻解碼器外，自然也有用來存儲歌曲的設(shè)備。這些設(shè)備各具不同的功能，完成這些功能的操作也就各不相同，就決定了寫出來的驅(qū)動程序也是各式各樣的，最后導(dǎo)致他們提供給應(yīng)用程序使用的接口也是千變?nèi)f化的，如圖二那樣，用不同顏色的箭頭表示不同的接口使用。這大大增加了應(yīng)用程序開發(fā)的難度，因為應(yīng)用程序開發(fā)者不僅要考慮上層業(yè)務(wù)邏輯的處理，還要非常熟悉各種驅(qū)動所提供出來的不同接口。圖二: 一個應(yīng)用使用多個硬件設(shè)備其次，一個計算機系統(tǒng)里面同時運行著的應(yīng)用程序通常也不會只有一個，這些應(yīng)用程序會競爭使用總量特定的硬件設(shè)備資源。比方你和朋友在用qq聊天的同時，也聽著千千靜聽放出來

8、的音樂，他們都要使用屏幕設(shè)備show出界面，也都要使用物理內(nèi)存(2)來運行程序代碼。但是屏幕只有一個，內(nèi)存也只有那么多，所以在整個計算機系統(tǒng)范圍內(nèi)，必須有某種機制來管理分配這些特定硬件資源的使用。如圖三，設(shè)計的時候，這種機制要么放在應(yīng)用程序中實現(xiàn)，要么放在驅(qū)動程序中實現(xiàn)，但無論放在哪一方，都是會給這一方的程序開發(fā)者帶來額外的負擔。圖二 一個應(yīng)用使用多個硬件設(shè)備圖三: 多個應(yīng)用使用多個硬件設(shè)備引入操作系統(tǒng)之后 上面之所以說額外，那是因為對于應(yīng)用程序開發(fā)者來講，其重點要考慮的是業(yè)務(wù)邏輯如何實現(xiàn)，而不是去考慮硬件資源的管理分配，也最好用不著去區(qū)分那么多驅(qū)動程序的不同接口。類似的，對于驅(qū)動程序開發(fā)者來說，其要考慮的重點是如何正確的驅(qū)動特定的硬件，而不是去考慮硬件資源的管理分配上。那這部分“額外”的工作由誰去做呢，這正是后來出現(xiàn)的操作系統(tǒng)(3)的職責所在。圖五: 引入操作系統(tǒng)后的情況如圖五，操作系統(tǒng)幫我們考慮對各種硬件資源的分配管理，并完成對各種驅(qū)動程序所提供接口的抽象，形成一套簡單一致的接口給上層的應(yīng)用程序去使用。如此，應(yīng)用程序開發(fā)人員只需要知道操作系統(tǒng)所提供的這套編程接口(API)，就可以實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用。前面我們講系統(tǒng)程序軟件實際上就是驅(qū)動程序，但這里我們講系統(tǒng)程序軟件是操作系統(tǒng)。概念上，我們認為操作系統(tǒng)依賴于驅(qū)動程序這一層，但實際上，驅(qū)動程序是嵌入