操作系统一般提供哪些功能？

操作系统是计算机系统的灵魂，它统管所有的硬件资源以及各种各样的软件程序，并且给使用者提供一个安全、快捷和方便的操作平台。它的主要职责就是完成以下五项工作：一是对CPU进行调度和中断响应，保证多个程序可以同时运行而又互不影响；二是把内存分成很多小块来使用，并且还要考虑到安全性问题；三是负责所有外部设备的工作，包括驱动程序的安装、分配以及出现故障后的修复；四是建立一个有序的信息库，使数据能够被存取、分享并且受到适当的保护；五是创建一种人机交互的方式，既可以采用命令行的形式也可以用图形界面或者系统调用等方式来进行操作。

一、处理器管理方面，既要保证精确调度又要做到及时响应

操作系统利用进程控制块来给每一个正在运行中的程序都赋予一个唯一的编号，并且可以对其进行从创建到结束整个过程的所有操作，比如创建、暂停、恢复和销毁等等；进程之间的同步主要依靠信号量或者管程等方式来防止资源的竞争，在多个线程同时去打印同一个文件的时候就会出现排队的情况；进程之间可以通过共享内存、消息传递以及管道等方式来进行信息交换，比如微信后台的数据更新和前端聊天可以同时进行而不会相互影响；调度策略会根据实际情况的变化而改变，在桌面上的操作一般采用时间片轮转的方式保证鼠标的响应速度不受影响，在服务器上则倾向于使用完全公平调度器来分配处理器的时间；对于各种各样的硬件事件都会经过中断向量表被迅速地分发给相应的驱动程序去处理，平均延迟保持在微秒级别以内。

第二部分是关于存储器管理的安全隔离和弹性伸缩技术实现

使用的是分页的方式把4K大小的逻辑页映射到物理帧上，并且由MMU来完成地址转换；为了保证安全起见，在页表项中设置了读、写和执行三种权限位；如果Chrome浏览器出现故障的话就会导致整个系统的崩溃，所以要对内存进行保护；虚拟内存就是利用硬盘的空间创建一个交换区，在8G的物理内存已经被占用了95%的时候会把不常用的页面放到这个交换区里去以腾出更多的空间给重要的程序使用；另外还可以用写时复制的技术来扩大内存容量，即各个子进程一开始都共享同一个父进程的代码段，在需要修改的时候才会分配新的内存块。

第三部分是设备管理，即对外设进行统一抽象和高效的协同

操作系统把键盘、显卡、SSD等不同类型的硬件抽象成一个标准的文件接口，用户可以使用open()、read()和write()这三个函数来对各种硬件进行操作；设备驱动分为三层结构：最上面一层提供了通用的输入输出服务（比如CFQ磁盘调度算法用来缩短寻道时间），下面是具体的硬件驱动程序；缓冲区用来解决各个硬件之间速度不一致的问题，在此例中就是用一个环形缓冲区来暂存来自USB摄像头每秒钟30帧的视频流数据，之后再由剪辑软件根据需要从中读取数据；虚拟设备技术使得打印机后台处理成为可能——当用户点击了“打印”按钮之后并不会马上得到结果，而是会立刻回到编辑状态，在后台有一个叫做spooler的服务正在工作，并且会在适当的时候把结果呈现给用户。

第四部分 文件管理：结构化的组织和精细化控制的基础

文件系统的元数据主要由inode来表示，它包含了权限信息、大小信息、时间戳以及指向数据块的指针等；对于目录的管理使用了哈希索引和线性查找相结合的方式，在一百万级别的文件夹中执行ls命令仍然可以达到毫秒级别；在读写操作上支持直接I/O的方式来避免通过页缓存进行的数据传输，从而保证了数据库对于写入一致性所提出的要求；存取控制方面既有传统的rwx权限模型也有ACL（访问控制列表），并且可以通过ACL来实现更加细致的操作权限分配，比如只让审计小组能够查看财务报表而不能对其进行拷贝。

第五部分 作业和用户界面：多模态交互以及服务封装之间的桥梁

命令行接口把ls -l这样的命令拆分成系统调用execve和stat；图形用户界面则使用X11或者Wayland协议来转换出窗口绘制请求，并且转成GPU指令流的形式；程序接口就是系统调用，所有的应用程序都要经过这个通道才能去访问硬件资源，比如Python中的open函数就会被映射到sys_open内核服务上；现在的操作系统还加入了语音助手以及触摸屏的手势识别功能，这些输入事件也会被输入子系统进行统一归类之后再做进一步处理。

五大部分并不是各自独立存在的，而是依靠内核态和用户态之间的严格隔离、系统调用的标准封装、中断-调度-内存-IO的闭环协作来构建一个可靠的计算基础。