利用計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序大部分都是為了提高處理效率。例如，Microsoft Word 這樣的文字處理軟件，是用來提高文本文件處理效率的程序，Microsoft Excel 等表格計(jì)算軟件，是用來提高賬本處理效率的程序。這種為了提高特定處理效率的程序統(tǒng)稱為 應(yīng)用

程序員的工作就是編寫各種各樣的應(yīng)用來提高工作效率，程序員一般不編寫操作系統(tǒng)，但是程序員編寫的應(yīng)用離不開操作系統(tǒng)，此篇文章我們就針對(duì) Windows 操作系統(tǒng)來說明一下操作系統(tǒng)和應(yīng)用之間的關(guān)系。

操作系統(tǒng)功能的歷史

操作系統(tǒng)其實(shí)也是一種軟件，任何新事物的出現(xiàn)肯定都有它的歷史背景，那么操作系統(tǒng)也不是憑空出現(xiàn)的，肯定有它的歷史背景。

在計(jì)算機(jī)尚不存在操作系統(tǒng)的年代，完全沒有任何程序，人們通過各種按鈕來控制計(jì)算機(jī)，這一過程非常麻煩。于是，有人開發(fā)出了僅具有加載和運(yùn)行功能的監(jiān)控程序，這就是操作系統(tǒng)的原型。通過事先啟動(dòng)監(jiān)控程序，程序員可以根據(jù)需要將各種程序加載到內(nèi)存中運(yùn)行。雖然仍舊比較麻煩，但比起在沒有任何程序的狀態(tài)下進(jìn)行開發(fā)，工作量得到了很大的緩解。

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們?cè)诶帽O(jiān)控程序編寫程序的過程中發(fā)現(xiàn)很多程序都有公共的部分。例如，通過鍵盤進(jìn)行文字輸入，顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)展示等，如果每編寫一個(gè)新的應(yīng)用程序都需要相同的處理的話，那真是太浪費(fèi)時(shí)間了。因此，基本的輸入輸出部分的程序就被追加到了監(jiān)控程序中。初期的操作系統(tǒng)就是這樣誕生了。

類似的想法可以共用，人們又發(fā)現(xiàn)有更多的應(yīng)用程序可以追加到監(jiān)控程序中，比如硬件控制程序，編程語(yǔ)言處理器(匯編、編譯、解析)以及各種應(yīng)用程序等，結(jié)果就形成了和現(xiàn)在差異不大的操作系統(tǒng)，也就是說，其實(shí)操作系統(tǒng)是多個(gè)程序的集合體。

我在 程序員需要了解的硬核知識(shí)之CPU這篇文章中提到了匯編語(yǔ)言，這里簡(jiǎn)單再提一下。

匯編語(yǔ)言是一種低級(jí)語(yǔ)言，也被稱為符號(hào)語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言是第二代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，在匯編語(yǔ)言中，用助記符代替機(jī)器指令的操作碼，用地址符號(hào)或標(biāo)號(hào)代替指令或操作數(shù)的地址。用一些容易理解和記憶的字母，單詞來代替一個(gè)特定的指令，比如：用ADD代表數(shù)字邏輯上的加減，MOV代表數(shù)據(jù)傳遞等等，通過這種方法，人們很容易去閱讀已經(jīng)完成的程序或者理解程序正在執(zhí)行的功能，對(duì)現(xiàn)有程序的bug修復(fù)以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)都變得更加簡(jiǎn)單方便

可以說共用思想真是人類前進(jìn)的一大步，對(duì)于解放生產(chǎn)力而言簡(jiǎn)直是太重要了。

要把操作系統(tǒng)放在第一位

對(duì)于程序員來說，程序員創(chuàng)造的不是硬件，而是各種應(yīng)用程序，但是如果程序員只做應(yīng)用不懂硬件層面的知識(shí)的話，是無法成為硬核程序員的。現(xiàn)在培訓(xùn)機(jī)構(gòu)培養(yǎng)出了一批怎么用的人才，卻沒有培訓(xùn)出為什么這么做的人才，畢竟為什么不是培訓(xùn)機(jī)構(gòu)教的，而是學(xué)校教的，我很相信耗子叔說的話：學(xué)習(xí)沒有速成這回事。言歸正題。

在操作系統(tǒng)誕生之后，程序員不需要在硬件層面考慮問題，所以程序員的數(shù)量就增加了。哪怕自稱對(duì)硬件一竅不通的人也可能制作出一個(gè)有模有樣的程序。不過，要想成為一個(gè)全面的程序員，有一點(diǎn)需要清楚的就是，掌握硬件的基本知識(shí)，并借助操作系統(tǒng)進(jìn)行抽象化，可以大大提高編程效率。

下面就看一下操作系統(tǒng)是如何給開發(fā)人員帶來便利的，在 Windows 操作系統(tǒng)下，用 C 語(yǔ)言制作一個(gè)具有表示當(dāng)前時(shí)間功能的應(yīng)用。time() 是用來取得當(dāng)前日期和時(shí)間的函數(shù)，printf() 是把結(jié)果打印到顯示器上的函數(shù)，如下：

#include <stdio.h> 
#include <time.h> 
 
void main(){ 
  // 保存當(dāng)前日期和時(shí)間信息 
  time_t tm; 
   
  // 取得當(dāng)前的日期和時(shí)間 
  time(&tm); 
   
  // 在顯示器上顯示日期和時(shí)間 
  printf("%s\n", ctime(&tm)); 
} 

讀者可以自行運(yùn)行程序查看結(jié)果，我們主要關(guān)注硬件在這段代碼中做了什么事情

• 通過 time_t tm，為 time_t 類型的變量申請(qǐng)分配內(nèi)存空間；
• 通過 time(&tm) ，將當(dāng)前的日期和時(shí)間數(shù)據(jù)保存到變量的內(nèi)存空間中
• 通過 printf("%sn"，ctime(&tm))， 把變量?jī)?nèi)存空間的內(nèi)容輸出到顯示器上。

應(yīng)用的可執(zhí)行文件指的是，計(jì)算機(jī)的 CPU 可以直接解釋并運(yùn)行的本地代碼，不過這些代碼是無法直接控制硬件的，事實(shí)上，這些代碼是通過操作系統(tǒng)來間接控制硬件的。變量中涉及到的內(nèi)存分配情況，以及 time() 和 printf() 這些函數(shù)的運(yùn)行結(jié)果，都不是面向硬件而是面向操作系統(tǒng)的。操作系統(tǒng)收到應(yīng)用發(fā)出的指令后，首先會(huì)對(duì)該指令進(jìn)行解釋，然后會(huì)對(duì) 時(shí)鐘IC 和顯示器用的 I/O 進(jìn)行控制。

計(jì)算機(jī)中都安裝有保存日期和時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real-time clock)，上面提到的時(shí)鐘IC 就是值該實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

系統(tǒng)調(diào)用和編程語(yǔ)言的移植性

操作系統(tǒng)控制硬件的功能，都是通過一些小的函數(shù)集合體的形式來提供的。這些函數(shù)以及調(diào)用函數(shù)的行為稱為系統(tǒng)調(diào)用，也就是通過應(yīng)用進(jìn)而調(diào)用操作系統(tǒng)的意思。在前面的程序中用到了 time() 以及 printf() 函數(shù)，這些函數(shù)內(nèi)部也封裝了系統(tǒng)調(diào)用。

C 語(yǔ)言等高級(jí)編程語(yǔ)言并不依存于特定的操作系統(tǒng)，這是因?yàn)槿藗兿Ｍ还苁?code>Windows 操作系統(tǒng)還是 Linux 操作系統(tǒng)都能夠使用相同的源代碼。因此，高級(jí)編程語(yǔ)言的機(jī)制就是，使用獨(dú)自的函數(shù)名，然后在編譯的時(shí)候?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為系統(tǒng)調(diào)用的方式（也有可能是多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的組合）。也就是說，高級(jí)語(yǔ)言編寫的應(yīng)用在編譯后，就轉(zhuǎn)換成了利用系統(tǒng)調(diào)用的本地代碼。

不過，在高級(jí)語(yǔ)言中也存在直接調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的編程語(yǔ)言，不過，利用這種方式做成應(yīng)用，移植性并不友好。

移植性：移植性指的是同樣的程序在不同操作系統(tǒng)下運(yùn)行時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間，時(shí)間越少證明移植性越好。

操作系統(tǒng)和高級(jí)編程語(yǔ)言使硬件抽象化

通過使用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用，程序員不必直接編寫控制硬件的程序，而且，通過使用高級(jí)編程語(yǔ)言，有時(shí)也無需考慮系統(tǒng)調(diào)用的存在，系統(tǒng)調(diào)用往往是自動(dòng)觸發(fā)的，操作系統(tǒng)和高級(jí)編程語(yǔ)言能夠使硬件抽象化，這很了不起。

下面讓我們看一個(gè)硬件抽象化的具體實(shí)例

#include <stdio.h>  
void main(){    
  // 打開文件 
  FILE *fp = fopen("MyFile.txt","w");    
  // 寫入文件 
  fputs("你好", fp);    
  // 關(guān)閉文件 
  fclose(fp); 
} 

上述代碼使用 C 編寫的程序，fputs() 是用來往文件中寫入字符串的函數(shù)，fclose() 是用來關(guān)閉文件的函數(shù)。

上述應(yīng)用在編譯運(yùn)行后，會(huì)向文件中寫入 "你好" 字符串。文件是操作系統(tǒng)對(duì)磁盤空間的抽象化，就如同我們?cè)?程序員需要了解的硬核知識(shí)之磁盤 這篇文章提到的一樣，磁盤就如同樹的年輪，磁盤的讀寫是以扇區(qū)為單位的，通過磁道來尋址，如果直接對(duì)硬件讀寫的話，那么就會(huì)變?yōu)橥ㄟ^向磁盤用的 I/O 指定扇區(qū)位置來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫了。

但是，在上面代碼中，扇區(qū)壓根就沒有出現(xiàn)過傳遞給 fopen() 函數(shù)的參數(shù)，是文件名 MyFile.txt 和指定文件寫入的 w。傳遞給 fputs() 的參數(shù)，是往文件中寫入的字符串"你好" 和 fp，傳遞給 fclose() 的參數(shù)，也僅僅是 fp，也就是說磁盤通過打開文件這個(gè)操作，把磁盤抽象化了，打開文件這個(gè)操作就可以說是操作硬件的指令。

下面讓我們來看一下代碼清單中 fp 的功能，變量 fp 中被賦予的是 fopen() 函數(shù)的返回值，該值被稱為文件指針。應(yīng)用打開文件后，操作系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)申請(qǐng)分配用來管理文件讀寫的內(nèi)存空間。內(nèi)存地址可以通過 fopen() 函數(shù)的返回值獲得。用 fopen() 打開文件后，接下來就是通過制定的文件指針進(jìn)行操作，正因?yàn)槿绱?，fputs() 和 fclose() 以及 fclose() 參數(shù)中都制定了文件指針。

由此我們可以得出一個(gè)結(jié)論，應(yīng)用程序是通過系統(tǒng)調(diào)用，磁盤抽象來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤的控制的。

Windows 操作系統(tǒng)的特征

Windows 操作系統(tǒng)是世界上用戶數(shù)量最龐大的群體，作為 Windows 操作系統(tǒng)的資深用戶，你都知道 Windows 操作系統(tǒng)有哪些特征嗎？下面列舉了一些 Windows 操作系統(tǒng)的特性

• Windows 操作系統(tǒng)有兩個(gè)版本：32位和64位
• 通過 API 函數(shù)集成來提供系統(tǒng)調(diào)用
• 提供了采用圖形用戶界面的用戶界面
• 通過 WYSIWYG 實(shí)現(xiàn)打印輸出，WYSIWYG 其實(shí)就是 What You See Is What You Get ，值得是顯示器上顯示的圖形和文本都是可以原樣輸出到打印機(jī)打印的。
• 提供多任務(wù)功能，即能夠同時(shí)開啟多個(gè)任務(wù)
• 提供網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)庫(kù)功能
• 通過即插即用實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的自設(shè)定

這些是對(duì)程序員來講比較有意義的一些特征，下面針對(duì)這些特征來進(jìn)行分別的介紹

32位操作系統(tǒng)

這里表示的32位操作系統(tǒng)表示的是處理效率最高的數(shù)據(jù)大小。Windows 處理數(shù)據(jù)的基本單位是 32 位。這與最一開始在 MS-DOS 等16位操作系統(tǒng)不同，因?yàn)樵?6位操作系統(tǒng)中處理32位數(shù)據(jù)需要兩次，而32位操作系統(tǒng)只需要一次就能夠處理32位的數(shù)據(jù)，所以一般在 windows 上的應(yīng)用，它們的最高能夠處理的數(shù)據(jù)都是 32 位的。

比如，用 C 語(yǔ)言來處理整數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，有8位的 char 類型，16位的short類型，以及32位的long類型三個(gè)選項(xiàng)，使用位數(shù)較大的 long 類型進(jìn)行處理的話，增加的只是內(nèi)存以及磁盤的開銷，對(duì)性能影響不大。

現(xiàn)在市面上大部分都是64位操作系統(tǒng)了，64位操作系統(tǒng)也是如此。

通過 API 函數(shù)集來提供系統(tǒng)調(diào)用

Windows 是通過名為 API 的函數(shù)集來提供系統(tǒng)調(diào)用的。API是聯(lián)系應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間的接口，全稱叫做 Application Programming Interface,應(yīng)用程序接口。

當(dāng)前主流的32位版 Windows API 也稱為 Win32 API，之所以這樣命名，是需要和不同的操作系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分，比如最一開始的 16 位版的 Win16 API，和后來流行的 Win64 API 。

API 通過多個(gè) DLL 文件來提供，各個(gè) API 的實(shí)體都是用 C 語(yǔ)言編寫的函數(shù)。所以，在 C 語(yǔ)言環(huán)境下，使用 API 更加容易，比如 API 所用到的 MessageBox() 函數(shù)，就被保存在了 Windows 提供的 user32.dll 這個(gè) DLL 文件中。

提供采用了 GUI 的用戶界面

GUI(Graphical User Interface) 指得就是圖形用戶界面，通過點(diǎn)擊顯示器中的窗口以及圖標(biāo)等可視化的用戶界面，舉個(gè)例子：Linux 操作系統(tǒng)就有兩個(gè)版本，一種是簡(jiǎn)潔版，直接通過命令行控制硬件，還有一種是可視化版，通過光標(biāo)點(diǎn)擊圖形界面來控制硬件。

通過 WYSIWYG 實(shí)現(xiàn)打印輸出

WYSIWYG 指的是顯示器上輸出的內(nèi)容可以直接通過打印機(jī)打印輸出。在 Windows 中，顯示器和打印機(jī)被認(rèn)作同等的圖形輸出設(shè)備處理的，該功能也為 WYSIWYG 提供了條件。

借助 WYSIWYG 功能，程序員可以輕松不少。最初，為了是現(xiàn)在顯示器中顯示和在打印機(jī)中打印，就必須分別編寫各自的程序，而在 Windows 中，可以借助 WYSIWYG 基本上在一個(gè)程序中就可以做到顯示和打印這兩個(gè)功能了。

提供多任務(wù)功能

多任務(wù)指的就是同時(shí)能夠運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序的功能，Windows 是通過時(shí)鐘分割技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)功能的。時(shí)鐘分割指的是短時(shí)間間隔內(nèi)，多個(gè)程序切換運(yùn)行的方式。在用戶看來，就好像是多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，其底層是 CPU 時(shí)間切片，這也是多線程多任務(wù)的核心。

提供網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)庫(kù)功能

Windows 中，網(wǎng)絡(luò)功能是作為標(biāo)準(zhǔn)功能提供的。數(shù)據(jù)庫(kù)(數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器)功能有時(shí)也會(huì)在后面追加。網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)庫(kù)功能雖然并不是操作系統(tǒng)不可或缺的，但因?yàn)樗鼈兒筒僮飨到y(tǒng)很接近，所以被統(tǒng)稱為中間件而不是應(yīng)用。意思是處于操作系統(tǒng)和應(yīng)用的中間層，操作系統(tǒng)和中間件組合在一起，稱為系統(tǒng)軟件。應(yīng)用不僅可以利用操作系統(tǒng)，也可以利用中間件的功能。

相對(duì)于操作系統(tǒng)一旦安裝就不能輕易更換，中間件可以根據(jù)需要進(jìn)行更換，不過，對(duì)于大部分應(yīng)用來說，更換中間件的話，會(huì)造成應(yīng)用也隨之更換，從這個(gè)角度來說，更換中間件也不是那么容易。

通過即插即用實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)設(shè)定

即插即用(Plug-and-Play)指的是新的設(shè)備連接(plug) 后就可以直接使用的機(jī)制，新設(shè)備連接計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)安裝和設(shè)定用來控制該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)是操作系統(tǒng)的一部分，提供了同硬件進(jìn)行基本的輸入輸出的功能。鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、磁盤裝置等，這些計(jì)算機(jī)中必備的硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，一般都是隨操作系統(tǒng)一起安裝的。

有時(shí) DLL 文件也會(huì)同設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件一起安裝。這些 DLL 文件中存儲(chǔ)著用來利用該新追加的硬件API，通過 API ，可以制作出運(yùn)行該硬件的心應(yīng)用。