8. 操作系统管理硬件
当shell加载和运行hello程序时，以及hello程序输出自己的消息时，shell和hello程序都没有直接访问键盘、显示器、磁盘或者主存，而是依靠操作系统提供的服务间接访问硬件的。
操作系统可以看成是应用程序和硬件之间插人的一层软件，所有应用程序对硬件的操作尝试都必须通过操作系统。如下图所示：
操作系统有两个基本功能：
——防止硬件被失控的应用程序滥用；
——向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大不相同的低级硬件设备。
操作系统通过几个基本的抽象概念（进程、虚拟内存和文件）来实现这两个功能。
——文件：对I/O设备的抽象表示
——虚拟内存：对主存和磁盘I/O设备的抽象表示
——进程：对处理器、主存和I/O设备的抽象表示
（1）进程
进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。
操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息，这种状态就是上下文。上下文包括许多信息：比如PC和寄存器文件的当前值，以及主存的内容。
无论是单核还是多核系统中，cpu并发是通过进程切换实现的 。**操作系统实现这种交错执行的机制可以称为上下文切换。**在任何一个时刻，单处理器系统都只能执行一个进程的代码。当操作系统决定要把控制权从当前进程转移到某个新进程时，就会进行上下文切换，即保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，然后将控制权传递到新进程。新进程就会从它上次停止的地方开始。下图展示了示例hello程序运行场景的基本理念。
从一个进程到另一个进程的转换是由操作系统内核（kernel)管理的。内核是操作系统代码常驻主存的部分。当应用程序需要操作系统的某些操作时，比如读写文件，它就执行一条特殊的系统调用（system call)指令，将控制权传递给内核。然后内核执行被请求的操作并返回应用程序。
注意：内核不是一个独立的进程，它是系统管理全部进程所用代码和数据结构的集合。
（2）虚拟内存：
虚拟内存是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，即每个进程都在独占地使用主存。每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟地址空间。
下图所示的是Linux进程的虚拟地址空间（其他Unix系统的设计也与此类似）。请注意，图中的地址是从下往上增大的。
在Linux中：
地址空间最上面的区域——是保留给操作系统中的代码和数据的，这对所有进程来说都一样。
而地址空间的底部区域——存放用户进程定义的代码和数据。
每个进程看到的虚拟地址空间由大量准确定义的区构成，每个区都有专门的功能。此处，先简单了解每一个区，对后续的详细学习是非常有益的。我们从最低的地址开始，逐步向上介绍。
——程序代码和数据：对所有的进程来说，代码是从同一固定地址开始，紧接着的是和C全局变量相对应的数据位置。代码和数据区是直接按照可执行目标文件的内容初始化的.
——堆：代码和数据区后紧随着的是运行时堆。代码和数据区在进程一开始运行时就被指定了大小，与此不同，当调用像malloc和free这样的C标准库函数时，堆可以在运行时动态地扩展和收缩。
——共享库：大约在地址空间的中间部分是一块用来存放像C标准库和数学库这样的共享库的代码和数据的区域。
——栈：位于用户虚拟地址空间顶部的是用户栈，编译器用它来实现函数调用。和堆一样，用户栈在程序执行期间可以动态地扩展和收缩。特别地，每次我们调用一个函数时，栈就会增长；从一个函数返回时，栈就会收缩。
——内核虚拟内存：地址空间顶部的区域是为内核保留的。不允许应用程序读写这个区域的内容或者直接调用内核代码定义的函数。相反，它们必须调用内核来执行这些操作。
基本思想是把一个进程虚拟内存的内容存储在磁盘上，然后用主存作为磁盘的高速缓存。
（3）文件
文件就是字节序列，仅此而已。 每 个 I/O 设备，包括磁盘、键盘、显示器，甚至网络，都可以看成是文件。
（4）线程
一个进程实际上可以由多个线程的执行单元组成，多线程之间比多进程之间更容易共享数据。