前言：本文较长，而且有不少晦涩的术语，可以选择性阅读。另外建议在深入学习了操作系统一段时间后在回顾学习一下，相信会有不一样的收获。 加油！！！

操作系统的定义

序言

随着开发源代码运动的持续，越来越多的人都加入了操作系统代码分析的大浪中，我也曾经下海，被代码中有很多妙的技巧吸引，不过在看过一段时间后，感觉如果只是一味地看代码，最终的结果是即使开发出新的操作系统仍旧是老模式的一个翻版。

源代码的出现，对于我们这些计算机技术落后地区的程序员来讲，提供了进行操作系统设计的一个必要条件，设计的门槛降低了，使得多数程序员自己开发一个简单的操作系统成为可能，但它仅是个必要条件，不是充分条件。它的出现本身不能改变我们的技术落后地位，最多是让我们追赶上源代码所达到的水平，想要超越，只能老老实实地进行理论上的探索，源代码是一个我们迅速缩短差距的工具。

因此我将重心转移到了理论探索上，希望能够分析出操作系统的发展方向，找到超越的突破口，然后再投入到现有代码的分析中，目的是设计下一代操作系统的模型，现在尚处于理论的探索中。

由于水平有限，感觉难度很大，期望能得到更多的帮助，因此借这个系列的方式，描述我这段时间的思考，与大家交流。所写的观点都是一家之言，肯定存在不少偏颇之处，恳请各位的指教。

传统定义

计算机软件分为系统软件和应用软件两大类
系统软件用于管理计算机本身和应用程序
应用软件是为满足用户特定需求而设计的软件
操作系统是最基本的系统软件，它和系统工具软件构成了系统软件

但给操作系统下定义是困难的，至今没有一个能公认的统一说法
以下列举了现今操作系统教材中常见的几种观察操作系统的角度

• 自顶向下的角度，操作系统是对裸机的第一层软件，是对机器的第一次扩展，为用户提供了一台与实际硬件等价的虚拟机
• 自底向上的角度，操作系统是资源管理，在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他I/O接口设备的分配
• 从软件分类角度看，操作系统是最基本的系统软件，它控制着计算机所有的资源并提供应用程序开发的接口
• 从系统管理员角度看，操作系统合理地组织管理了计算机系统的工作流程，使之能为多个用户提供安全高效的计算机资源共享
  从程序员角度看（即从操作系统产生的角度），操作系统是将程序员从复杂的硬件控制中解脱出来，并为软件开发者提供了一个虚拟机，从而能更方便的进行程序设计
• 从一般用户角度看，操作系统为他们提供了一个良好的交互界面，使得他们不必了解有关硬件和系统软件的细节，就能方便地使用计算机
• 从硬件设计者看，操作系统为计算机系统功能扩展提供了支撑平台，使硬件系统与应用软件产生了相对独立性，可以在一定范围内对硬件模块进行升级和添加新硬件，而不会影响原先应用软件

总的来讲，传统的操作系统定义如下：

操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、合理有效地组织计算机系统
的工作，为用户提供一个使用方便可扩展的工作环境，从而起到连接计算机和用户的接
口作用

此定义是以操作系统的具体功能为基础的定义方式
可以按如下示意图来描述操作系统的在计算机系统中的位置
接口示意图

按层次模型看是

在传统定义方式中，操作系统和用户的关系是被动和主动的关系，即用户将自己对计算机的需求以过交互操作的方式命令操作系统完成，而操作系统是根据完成任务的需要分配资源，它仅有的主动权就是在于如何分配与何时分配。

在此将这种对操作系统定义方式称为被动式定义，从理论上认为操作系统是完全按用户的要求来完成自己的工作。

操作协议

操作协议的定义

为了进一步分析操作系统的含义，引入一个新概念–操作协议
产品展现给使用者的是其操作接口，如同遥控器和软件的用户界面
为了让用户更方便使用产品，它会有一个使用说明，这个说明首先说明了产品的各种操作接口的含义，然后说明各种操作接口的限制，而用户使用产品时必须遵守这种说明，不然就不能正常使用该产品，甚至导致该产品的损坏或损坏了其他相关产品
这种说明就是要求产品使用者遵守的操作协议，因此定义如下

操作协议的定义：

一种产品说明，描述产品操作接口及其约束，并且要求产品使用者遵照说明使用产品，
而且只有按说明进行操作才能得到正确的结果，否则导致操作无效。

操作接口是产品的第一说明，它描述了产品的基本功能，考虑的是单个接口使用参数的描述与操作结果的描述。

而操作协议是建立在操作接口之上的二次说明，从产品的整体特性考虑的具体说明，包含操作接口的说明和使用操作接口之间的约束说明。

操作协议的特点

1. 操作协议只考虑产品的使用方式是否正确，不关心产品内部的实现细节，使用者只需根据操作协议使用产品得到需要的结果，不必考虑产品完成操作具体的过程，只对产品操作负责
2. 产品使用者只能按照操作协议的说明才能正确使用产品
3. 对使用者违反操作协议的要求进行操作导致的结果不负责，由使用者自己承担

在分析操作系统中引入操作协议概念的基本原因是：

硬件接口说明与软件接口说明都是一种操作协议，相对操作系统而言的，
通过操作协议的概念可以将软件和硬件两种资源合并成一种概念

操作协议分类

操作协议从定制者角度划分可以分为单方定制和多方定制

单方的含义 – 制造单个产品的个人或团体，即单个制造者
制造相同产品的生产群体，他们是相互竞争的产品生产者,可以是个人、小团体和企业，这样的生产者为以独立制造者身份出现时是单方定制者，属于单方范畴

单个产品的制造者有两种含义：

1. 单纯的单个制造者
2. 为在同类产品竞争中生存，而由原来的竞争者组合成为单个同类产品的制造者

单方定制是单个定制者以自身经验为基础进行的分析，而使用方在获得实体并后只能按定制方定义的操作协议使用该实体。通常这样的操作协议是从相应产品独立使用的角度出发的使用说明，是引发市场竞争的最小单位，产品的市场竞争初期是以各种单方定制的操作协议竞争为主题的，而且技术的发展，是各种新单方定制的操作协议不断涌现出现的动力。

多方的含义 – 是以合作为基础的单方集合概念，这里的单方是指非同类产品制造者，而是以生产链为联系基础的相关产品制造者构成的群体，他们各自的产品形成互补或为上下应用链的关系，是实质上的合作群体而非竞争关系。

多方定制是多方协商后形成的一种合作方内部标准，按这样的标准生产各自的产品，而这些产品组合使用是以这个多方定制的操作协议作为组合的标准。
通常这些多方定制的操作协议是以一种标准的名义出现，是市场长期竞争导致的合作产物，总是有明确的产品链应用范畴，是一种产品之间的协议，随着市场的改变而同步变化。

单方定制的操作协议和多方定制的操作协议存在形式上的差异

1. 单方定制的操作协议，考虑的是单个产品的范畴，操作协议说明中只有一个主体就是产品本身
2. 多方定制的操作协议，考虑的是产品链上所有产品的范畴，从设计一开始就考虑上下游产品的接口组合问题，因此操作协议说明中的主体是整个产品链，或者以直接上下游关系的关联产品为主体，即多个主体

一种操作协议既可以是单方定制协议，也可以是多方定制协议，差别在于考察的角度不同。
如JAVA语言，从其设计的出发点看是一种多方定制的操作协议，是一种行业标准，而从语言角度看，它就是一种单方定制的操作协议，因为它只是众多计算机语言中的一种。

对于一件以市场交易为目的而制作的产品，即商品，它的操作协议，从其产生的那天开始就是以成为行业标准作为其发展的目标（不管定制者自己是否意识到）。
在产品初期，没有产生行业标准前，是以单方定制的操作协议竞争为主流，并在竞争中不断完善各自的操作协议，或推出新的操作协议。
随着产品的竞争，操作协议的定制从无序开始向有序转变，即出现一个或几个操作协议由于符合市场需求，逐渐成为业内的标准，使得整个产品链都进入规范设计，即按某个标准进行设计，这时的单方定制的操作协议业会因其遵守了某个标准，而成为事实上的多方定制的操作协议。
因此，当标准出现后，单方和多方的界限开始模糊，因为在相同标准下定制的操作协议具有相容性。
随着技术的发展，标准会因技术的变化而被淘汰，这迫使操作协议不断发展自己，或者彻底抛弃，制作全新的操作协议。
因此操作协议是一个动态发展竞争的概念，操作协议是动态协议，由市场机制来决定所制订的操作协议是否合理，并通过市场反馈信息来修改完善操作协议。

操作系统是通过协调各种硬件调用和软件调用来完成资源管理，自身也提供一个庞大的应用接口，因此使用操作协议来描述是可行的，而操作系统是一种不断发展的系统软件，所以引入操作协议概念可以更好地描述操作系统的发展过程

和使用者的关系

现在简要分析一下各种产品使用者和产品操作协议之间的关系
面对一种产品，用户可分为三种：
产品制造者、参与操作协议定制的非产品制造方、一般用户

分类讨论如下：

1. 产品制造者与操作协议的关系

无论是单方定制还是多方定制的产品，对产品制造者来说，其对产品的内在结构和其操作方式形成的原理，有着是最全面的了解，而且在实际情况中在操作协议中说明只是公开的操作形式，还有部分未公开的操作协议，
如图：

在这里存在一个产品制造者的技术程度，是产品制造人员的总体水平，这决定了产品与操作协议（包括公开和隐含）之间的紧密度，以及产品与产品设计目标的紧密度，水平越低，紧密度越低，各个层次之间的信息存在的差异就越大，相对的制造者对产品的理解也就越有局限性。

即操作协议（包括公开和隐含）的性能（对产品而言的使用性能）可按在制造者的总体水平衡量。

2. 参与协议定制的非产品制作方的用户和操作协议的关系

显然，这里指的操作协议是多方定制的操作协议，这样的用户是该产品的上游或下游产品链上的产品制造者，他们参与了操作协议制定，而这样的操作协议是两者产品的组合操作协议，因此他们对操作协议有深入的了解，拿到产品后目的是为了与自己手中的其他相关产品进行组合，这种组合是按照共同定制的操作协议来完成。
因此这样的用户对操作协议（产品公开的部分）的理解是完全的，对产品的使用是完全按照操作协议（产品公开的部分）进行的，如图：

这样的操作协议的性能高低取决于多方定制中达成的一致性的程度，即多方的磨合度。
而这种用户在面对单方定制的操作协议时和第三种用户的待遇相同。

3. 一般用户和操作协议的关系

对于一般用户来讲，因为没有参与制造或者协议的定制，在面对单方定制的操作协议和多方定制的操作协议时，情况是等同的，他们对产品的了解是建立在对产品操作协议的理解程度。
即一般用户得到产品和操作协议时，首先做的事是理解操作协议，然后使用产品，对于没有操作协议说明的产品，用户通过产品的外在表现来理解其操作，从实践角度勾勒出操作协议的原貌。
这种理解在多数情况下是单向的理解（社会分工导致的结果），即使用产品的一方没有机会和开发产品者进行深入交流，使得产品使用者彻底理解操作协议的内容。
作为产品制作者，总是把产品的操作协议详细描述，而描述方式多数情况下是按自己的行业思考模式进行的，因为产品就是这种思考模式的设计产物 而使用者是从自己的思考模式入手进行的分析，得出一个需要外部产品功能的需求，进而找到了该类产品的操作协议，进行理解，但理解范围总是在自己需要的那部分范围中，即是产品操作协议的一个子集。
因此理解总是不完全的，而最先理解的部分必定是使用者最需要获得的功能。
两者之间的关系如图：

（从上面的三种情况可以看出，每个层次或多或少都存在一定的信息丢失，这种情况将在《信息传递模型》中针对计算机的软件结构中信息传递进行详细讨论，在此就省略了，因为和操作系统定义的主题无直接关系）

对于操作协议中的隐含部分，在现实中很多，如介绍操作系统中未公开的API和未公开的CPU细节，这样导致了不少内幕书籍的诞生。
但隐含部分在本文中无讨论的意义，因此文中后面所指的操作协议均为公开的部分。

由上面三种情况的分析可以得出操作协议的基本特性。
单方定制的操作协议是一种由用户单方面理解的操作协议。
多方操作协议是所有参与定制方的共同理解，但对一般用户来说仍旧是单方定制的特性。

等价定义

操作系统的等价定义

操作系统的本质是管理，对硬件、应用软件和用户的操作的管理。
而硬件、软件和用户的相同点是"遵守操作协议方式"，并且这些操作协议是以可程序化的协议说明。

硬件的操作协议是硬件开发者制定的。
操作系统的应用接口分为两部分，一是将硬件协议转化为软件操作协议，二是操作系统为自身需要定制的操作协议。
应用软件的操作协议，以操作系统的操作协议（系统接口）为基础，实现特定应用功能，并以自定义的操作协议的方式将软件使用方法展现。
用户的操作是计算机系统中所有操作协议的综合体现，因为他的每次操作都通过操作协议的层层处理达到各种相关资源，再将结果通过层层操作协议展现给用户（注意：上述两条操作协议运行线路通常是不同的）。

而操作系统的一个任务是有效地组织多道程序运行，这决定了，操作系统是所有操作协议的管理者。

由此可以给操作系统等同于传统定义的等价定义：
操作系统是一组相关操作协议集合的管理器，管理的范畴包含自身定义的操作协议。
将资源进行了等价变换，把处理的实际接口凸现。

按层次模型分析

1. 操作系统通过对硬件操作协议的理解并作出相应软件形式上的扩展
2. 操作系统以自定义的操作协议形式提供各类软硬件资源的使用服务
3. 用户与应用程序通过使用操作系统定义的操作协议完成所需功能
4. 操作系统通过要求用户与应用程序遵守其操作协议的方式管理两者
5. 应用软件定义的操作协议只对用户与使用该操作协议的其他应用软件具有约束力
6. 每个层次（包括硬件）都具有自己的容错机制（或多或少），用于解决其自定义的操作协议与被其使用的操作协议之间的可能误差

操作系统的操作协议分析
现在按这个新的定义重新考察操作系统在计算机系统的位置。
由于操作协议存在单方定制和多方定制的差别，所以考察也得分两个方向。

从单方定制操作协议角度分析，
如图

由单方定制操作协议在计算机软件系统中的特性：
操作协议的使用者，总是理解并使用操作协议的一部分，其使用目的是完成某种特定任务，即以所使用的操作协议为基础，整体上是进行了一次逻辑扩展，如同操作系统对硬件层进行扩展一样，同样是生成了一个虚拟机，只是此虚拟机的范畴只限于它的设计范围，如果它的设计范围和操作系统一样的话，它就自动转化为操作系统概念了。

所以在计算机层次模型中每增加一层软件，就存在一次信息缩减和一次信息扩张，而且这样的缩减和扩张属于两个不同的范畴，不能进行信息互补，不能互补并不说明信息丢失，因为每个层次都有它自身的任务，信息丢失的概念应该是针对此任务而言的，如果是任务相关的信息在经过这样的一次缩减和一次扩张后丢失了，才算信息丢失。

而作为最终用户是这种信息变化的最后承受者，计算机整体性能操作性能等同于用户操作中感觉到的性能。
他每次操作后所能接受到的信息中的有效部分取决最接近他的那层软件的信息丢失率，注意这是指他能接受到的全部信息，而对用户来说，他需要的可能仅是一小部分，而这部分恰好未丢失，则对用户来说这次操作就是成功的，如果需要的是属于丢失的，则按信息缺省率来计算这次操作对用户的信息丢失率（具体的分析在《信息传递模型》中进行）。
图中的应用软件虽然是一个整体，但中间仍旧可以分层次，层次之间的关系是产品组的关系，即上层产品是在对多个应用软件的操作协议的理解之后，进行功能扩展。
下面以一个简单的软件应用结构分析，应用软件D以应用软件A、B、C为基础，进行开发设计。
如图所示：

这是个简单的应用软件层次分析，其中下层的应用操作协议可以是操作系统提供的应用软件的操作协议与用户界面的操作协议。

现今操作系统用户界面的操作协议是一种可编程的操作协议，允许应用软件内部使用，因此图中的应用软件A、B、C可以为是操作系统的应用软件接口或者用户系统操作界面的子集。

从多方定制操作协议角度分析
多方定制操作协议的特性就是对组合的双方是无信息丢失，因为所有模块是按照标准连接的，如造成信息丢失，那唯一原因就是操作协议本身，而对最终用户就如同单方定制的操作协议。
如图所示：

基本和单方定制的操作协议相同，差别在于理解误差的消除，正是这种理解范围上的差异可以解释现在各种软件标准不断出现的原因，它们能尽可能的降低信息传递中的理解误差，多方定制的操作协议在硬件中的表现就是总线方式，软件上就是"软件总线"，即各种标准（如组件概念的出现），这是经历长期发展得到的现状，是市场竞争的产物。

而对于一般用户，多方定制和单方定制没有差别，唯一优点是在于，用户对各种上下游产品组装中，有了很大的方便，因为很多的操作协议是一致的。

最终用户和应用软件之间也可以存在多方定制的操作协议，即软件开发商和用户一起开发，但这样的用户是少数，绝大多数的用户是单纯的使用者。

同样，对于应用软件层，也可以按多方定制的操作协议进行细分，其结构和单方定制的操作协议基本相同。

等价定义的特点

虽然是等价的定义，但基础的概念不同，产生的结果也存在一定差异，操作协议的定义操作系统的方式，有如下特定：

1. 体现操作系统的核心任务和本质。
   核心任务是管理。
   本质是对操作协议的管理。

2. 屏蔽软硬件的细节。
   原有定义，将视线集中在具体细节上，使用操作协议的概念统一了软件和硬件的差别，并提供了更清晰的接口关系。

3. 直观地表现了各层次虚拟机的产生。
   在层次模型中，上层产品和下层产品的关系是建立在对操作协议的理解。
   上层产品是通过对操作协议的部分或全部的使用来完成对下层产品功能的扩展。

4. 明确了操作系统管理的资源。
   传统的定义方式，只是笼统的说对资源的管理，虽然可以具体到处理器、存储器以及I/O设备上，但没有统一的描述形式。
   按操作协议的概念，操作系统对软件资源的管理就是其自定义的应用软件使用的操作协议与用户界面的操作协议。
   而应用软件和用户是通过这些操作协议来接受操作系统的管理。

5. 凸现用户的感受。
   用户是整个计算机系统方案的最终承受者。
   整个系统的性能好坏体现在用户接触到的最后一层应用软件的操作协议和由操作系统提供的用户界面的操作协议。
   这就说明软件界面和操作系统界面对一般用户的重要性，它们的好用与否，关系到用户是否能接受这个整个系统，因此在现代操作系统设计中，系统界面的重要性越来越突出，直接关系到该操作系统的市场，只通过应用软件来满足用户需求已经不够，这点在现在的操作系统界面向图形化发展的趋势中逐步验证。

进一步分析

前面的分析中最终用户和操作系统的接触是仅仅局限于操作系统提供的用户界面上，这仅是一个方面，这段分析的重点是操作系统在资源管理中对用户的重要性，但讨论不涉及操作系统的内部细节，是概念讨论。

是谁的操作接口

在传统定义中，操作系统的一个特点是为用户提供一个操作更方便的计算机接口，这个定义方式中的用户定义存在问题。

计算机的用户可以简单的分为三种：

计算机专家 ：软件的开发人员
有基本技能的用户 ：仅用于日常办公打字、娱乐的用户
根本不懂的用户 ：希望使用电脑象看电视那样简单的用户

在这样的划分中能符合操作系统定义中用户概念的只有计算机专家，即程序员，而其他用户了解的仅是几个最常办公用软件、操作口令或者是鼠标点击的顺序，对于操作系统的了解只是认识一个新名词而已，直观的感觉是眼花缭乱的图案以及老是蹦出来吓人的错误警告，仅此而已。

也就是说现有操作系统的操作协议对一般用户来讲是一种难以理解和使用的说明。
形成这种现象本质就在于操作系统从一开始就定位在程序员的使用范围，而没有考虑最一般的用户，而现在随着市场的压力，使用计算机的多数是对计算机了解甚少的人，操作系统才不得不向一般使用者低头，但这个低头的速度慢得惊人。
如果用定义中"方便用户使用的接口"还是能勉强搪塞过去，但从消息传递的角度看，操作系统的问题就更大了。

一个简单的例子

举如下一个事例进行分析，它就来自于我们的日常生活，可体现使用者在现有计算机系统面前的弱势地位。

假设有三个用户：计算机专家、有基本技能的用户以及不懂电脑的用户。
为他们提供一样的工作环境，每人一台正处于上网状态的微机，电脑软硬件配置相同，操作系统是图形界面，带鼠标，运行着版本最新的杀毒软件。
他们都从网上下载了一个小的应用软件（对于专家和有基本技能的两个人，是按兴趣自己找的，而那位不懂电脑的人可在别人的帮助下进行下载操作）
然后他们都点击鼠标运行了那个软件，按运行结果讨论。

1. 屏幕上一点反应都没有，也没有任何机器速度变慢的迹象。
   除了专家，另两个用户的第一反应是，刚才的鼠标点击动作可能操作不规范，于是又重新点击了一遍，还是同样的结果，没反应。 这时不懂电脑的用户就会放弃对它的兴趣，而去进行其他操作。 对于有一定基本技能的用户，就会动一下脑子，认为这是没道理的，然后看看那个杀病毒的标志在合适位置上，就放心了，它没报警就没问题，于是他也转向其他地方，放弃对这个怪文件的操作或者删除。 而对于专家，会马上意识到问题的严重性，虽然杀毒软件没有报警，但它可能是个最新病毒，然后想想这台电脑上有无重要的数据，想到这个程序可能会建立一个远程连接窃取自己的数据，因为电脑在网上。因此，专家就会运行系统工具来逐个查找问题的所在（当然现在最好将网线掐掉），最后发现没有任何不正常的迹象，于是放心了一半，但几天内还是会不安心，为自己这个不小心的运行暗自后悔（严重点就会对该软件进行解剖，进行逆向工程），如果一直正常的话，也会慢慢淡忘 ，把它当作一种恶作剧或设计有误的程序。

2. 屏幕上出现了预料中的画面
   这时只要杀毒软件不报警，多数情况下连专家都会被麻痹，仅在专家是个高度敏感的人时，才会怀疑这是否是个美丽的陷阱（这样的专家活得肯定很累）。

3. 屏幕上出现类似病毒发作的症状
   这时所有人都知道它是个恶意程序了。

这个例子说明的就是一个问题，从多数情况来看我们是很难从运行的外在表现来判断出一个陌生程序是恶意的还是善意的，即使是专家，也最多是安装上更多的安全软件来防，即靠应用软防止恶意程序的破坏，是否能防住专家自己也心里没底。

原因就是用户在电脑面前是处于信息观察的弱势地位。

而操作系统处于信息观察的强势地位，它很清楚它进行了哪些和实际资源有关的操作，比如感染了其他文件，建立了一个远程连接等，但现有的操作系统自身还不能区别正常操作与恶意操作的差别，这使得最有用的信息被操作系统浪费了

这是典型的信息不对称

消息不对称

引用经济学领域的消息不对称原理来解释这种现象，分析用户和操作系统之间的弱势和强势的关系，以及产生原因。
消息不对称的起因是控制所有重要资源的操作系统没有提供完整的信息透明机制，而仅仅提供一些应用接口，希望应用程序通过这些接口将信息展现给用户，而应用程序对操作系统进行监视又是困难的，因为它不知到操作系统内部的工作信息，所以信息的展现是局部的，不彻底的，由此导致用户接受到的信息是片面的。
这个问题从操作系统的定义中就能清楚的看到这个缺憾，一直以来都认为操作系统不必为这种安全问题负责。
信息运行的主体操作系统只是在局部资源安全性（如互斥、死锁）上进行了保护，没有对用户这个最终用户起到安全防范的作用，导致了现在防止病毒入侵的方式还停留在被动反应的阶段。
而作为一般用户，面对的屏幕时，能得到的信息，是无法作出正确判断的，但深入检查又是这些用户能力之外的工作。 专家的技能在这方面也是同样的受限制，因为基本是事后处理，有针对的及时信息总是非常的有限。 对于进行安全维护的应用软件，它们能防住一般的恶意软件，但如果是操作系统本身的后门导致的问题，它们也没办法，因为控制权在操作系统中 所以从获取消息的方式来看，用户是弱势群体。
所有的信息都是由操作系统来掌握的，虽然它自身并不理解这些信息的重要性，但所有的资源都是它管理，这导致了操作系统的强势地位，而实际这种强势地位是操作系统设计者们强势地位的体现。
但即使是操作系统设计者在一个正式版本面前同样也是处于弱势地位，因为他在设计的时候没有使用这种强势地位为最终用户认真地考虑。
说的严重点是一种设计失职，但不能怪他们，他们遵守了传统的操作系统定义，强调的是操作系统为用户提供一个方便使用的扩展平台，它的职责是保证资源安全分配，而不必考虑申请资源的对象是否有恶意。

从资源角度讲，用户是这样的一种资源，他们通过接受输出消息、输入操作而成为一种受计算机系统约束的一种资源，也就是被操作系统管理的一种特殊资源。
如图：

在此图中，对操作系统而言，用户是一种具有输入与反馈的智能外设，是一种受自己管理的资源，而且仅是一种不严格的管理，未进行合法操作和非法操作（包括合法用户的误操作）的区分，这样的结果使得一般用户的弱势地位得到进一步的加强。

从操作协议的角度分析就是，现在的操作系统管理体制仅从操作协议的角度将所有申请资源操作的程序都一视同仁，即使它是在用户未知的情况下进行了重要文件的删除，理由是不能区分，其实质是操作系统自定义的操作协议不完善，对自己提供的API 没有进行完善地约束管理。

这预示着操作协议的一个发展方向，也是现代操作系统一直努力的方向，从操作系统层开始建立整个软件体系的安全体制，往此方向发展的动力是信息透明的需要，是用户改变弱势地位的压力。

改变信息不对称的现状是操作系统设计者进行安全体制设计中必须解决的课题

新含义

如何才能改变用户的弱势地位呢？

人，不具有计算机那样高速机械性的精确运算能力，也没有计算机那样强大的存储功能，唯一的优势是善于使用工具和逻辑思维。
使用计算机的用户处于不同的分工，思维方式不同，强求他们都具有分析计算机软件的逻辑思维能力是不现实的。
而工具的使用，尤其是计算机中系统工具的使用，要求掌握较高的计算机领域知识，并非一般用户所希望去承受的，也不应当由他们来承受（操作系统+安全防御工具是现在的常用模式）。
唯一应该承受的团体是操作系统设计者，他们由于操作系统具有的强势地位，而自动具备了设计上的强势地位，关键是设计者在设计中是从用户角度考虑还是单纯的从操作系统自身的技术角度考虑。
从操作系统自身角度看，稳定是最重要的，然后是速度，重点是控制资源，以及被人控制，能被设计者从外部控制，但能控制它的是专业人员。
从一般用户角度，安全、稳定、速度一个都不能缺，无需自己动手控制，要做的是享受安全稳定快速的操作系统，而不是费力的设置操作系统（也没有能力控制），只需关心自己需要完成的那些和自己业务相关的工作（多数是基于软件形式的传业务）。
要改变用户的弱势地位，就应当在设计中更多的从用户角度考虑问题
由此，对于操作系统应添加新的含义

1. 提供自动保护的功能
2. 构成一个自封闭系统
3. 仅对用户负责

从操作协议的角度观察，就是要求操作系统自定义的应用接口以一种封闭结构为基础的系统出口，且是一种自约束接口。
为用户提供了一个便于使用的计算机是不够的，应当加上，为用户提供自动的保护，才算完整。
这种保护，并不是指现有的用户口令保护方式，或者是建立在操作系统之上的外部保护层，而是一个智能化的自动保护机制，因为口令并不是必要的，如手机内操作系统的安全问题并不是口令问题能解决的，而建立在外部的保护软件无法抵挡内部恶性程序的攻击，真正有效的保护应当是在资源分配和处理阶段的保护。
把操作系统设计成一个自封闭的系统并不是说它不再接受外部的应用软件，而是主动识别应用软件的安全性。以及在系统升级时，判断出为其增加的功能代码中是否有陷阱，原因是今后网上升级是一个趋势，作为操作系统有理由怀疑一切外来的将改变它自身的代码 （一种怀疑主义的风格）。

仅对用户负责，是指合法用户对其资源的完全控制权利，这种负责主要是针对个人电脑的用户，而他们多数并非是计算机专家，因此首先得保证操作系统中不应有设计者留下的后门，要达到这个目标，设计必须以公开源码的形式完成，因为在公开的代码中没有人愿意留下把柄让众人检查，然后就是前面的两点，自动保护功能和自封闭形式，来帮助用户完成任务，并能配合有能力的用户控制资源。

此三种新含义将操作系统从原先的被动地位提升至主动位置，把用户作为一种需要保护的资源，这样似乎进一步加深了计算机对用户的控制，实则是进一步解放了用户，使其安心完成自己的工作，而不必象如今那样，备受各种超出他们知识范围的错误所产生的折磨

因此添加新含义后的操作系统定义可称为主动式定义

此时操作系统的层次模型将变化为

显然，它已经不在是一个简单的层次结构了，它的中心是将用户作为一种可管理的资源，加以保护，模型强调的是主动保护形式,而不是传统层次结构中的被动调用方式。

对于操作系统设计来说，要达到这些目标，进行操作系统智能化的分析是一个关键步骤，而智能化是本系列的核心问题。

小结

通过对操作系统定义的讨论，分析传统定义中的不足，以及操作系统在整个计算机系统中的地位，使用操作协议的概念来展现操作系统和其他软硬件模块之间的连接关系 ，强调了从用户使用角度分析操作系统的重要性，并引入析操作系统的新含义，展现今后操作系统的发展方向。
操作系统是一个不断发展的概念，希望能通过简单的定义分析，打开一条探索之路。

系统智能化是未来发展中一个很重要的过程，也是本系列讨论的核心–如何智能化操作系统
后续系列的分析步骤是：
从操作系统的发展来说明智能化的必然性
为操作系统智能化进行的模型结构上的探索
智能化的前期准备–参数化
智能化的原型–操作系统的数学模型
分析现有硬件结构的不足，构造整体的智能化结构–"一体化"系统

操作系统的过去、现在和将来

                                ---------- 操作系统的历史

操作系统的发展过程是一个从无到有、从简单到复杂的过程在这里我们从三个角度来观察操作系统的发展历史，硬件发展的角度、软件发展的角度、进化的角度。

1.1 硬件的轨迹

操作系统的理论是在计算机的应用中诞生并成长，它的发展与计算机硬件的发展是密不可分的，这些内容多数教材上都有，这里就简单的罗列一下：

表1.1 硬件角度下的操作系统发展轨迹

年 代	硬 件 特 点	操作系统特点	背 景
机械计算机时代17世纪~20世纪初	1)纯机械结构，低速　　2）只能进行简单的数学运算	纯手工操作	从计算尺至差分机到分析机发展了数百年
第一代计算机 1946年~50年代末电子管计算机	1)体积大、能耗高、故障多、价格贵2)难以普及应用	无操作系统（程序按机器码编写，载体从插件板到卡片与纸带)	1906年发明电子管1946 ENIAC研制成功(第一台电子管计算机)
第二代计算机50年代末~60年代中期晶体管计算机	1)采用印刷电路2)稳定性与可靠性大大提高3)批量生产成为可能4)进入的实际应用领域但数量有限	1）单道批处理系统2）系统以监督软件形式出现3）作业处理按顺序方式处理	1947年发明晶体管
第三代计算机60年代中期~70年代初集成电路计算机	1)体积减小，性价比迅速提高2)小型计算机发展迅速3)进入商业应用4)尚不适合家庭应用的需求	1)涌现大批操作系统多道批处理系统、分时系统和实时系统2）奠定了现代操作系统的基本框架	1958年发明集成电路1971年INTEL发明微处理器
第四代计算机70年代中~至今大规模集成电路计算机	1)性能大幅度提高，价格不断下降2)个人电脑成为市场的主角3)电脑迅速普及4)计算机应用进入高速发展的轨道	1)操作系统的理论基本完善2)系统与网络通讯一体化（分布式操作系统和网络操作系统）3)人机交互成为设计重点4)操作系统性能日渐稳定	1981年IBM-PC机诞生1993年 INTERNET开始商业化运作

从这张表中可以看出：

1. 在硬件的性价比较低的时候，操作系统设计完成了追求硬件使用率的理论探索，从批处理到分时系统
2. 在硬件性价比越来越高后，操作系统的设计开始追求系统的可靠和稳定，出现了多处理器系统和分布式系统
3. 电脑开始普及后，操作系统的设计开始追求用户界面的友好
4. 从第一代到第二代计算机系统，应用范围很小，导致操作系统的发展非常缓慢，直到第三代系统出现后，才得以高速发展
5. 从第三代计算机到第四代计算机，操作系统的功能模块划分没有变化，说明计算机硬件结构已经稳定，操作系统的发展逐渐脱离硬件的发展脚步，形成自己的理论体系
6. 进入第四代系统后，分布式系统和多处理器系统虽然极大的扩充了操作系统理论，但系统结构仍旧保持不变，完善的部分是各功能模块的枝节理论

总的讲，随着操作系统理论的日益完善，操作系统设计中与硬件相关的部分比重越来越小，渐渐走出软件附属于硬件的局面，至今它已经支撑起一个庞大的软件产业

###1.2 软件的轨迹
操作系统首先是一个软件，它的设计脱离不了软件设计的范畴，因此可以从纯软件发展的角度考察这里简单的从软件设计发展的过程分析操作系统的历史

表1.2 软件设计角度下的操作系统发展轨迹

	主流系统	系统特点	计 算 机 语 言	软 件 特 点	背 景
无软件时期	无	手工操作	无编程语言	直接使用机器代码 手工操作	1936年图灵提出图灵机
系统雏形期	单道批处理系统	作业运行的监督程序	编程语言雏形期	无交互机制	1957年 FORTRAN语言开发成功
操作系统的理论成形期	多道批处理分时系统实时系统多处理系统	系统结构确立分为处理机、内存、设备、文件等模块	1）编程语言大量涌现2）结构化程序设计3）C语言逐渐成为主导	1)字符式人机交互界面2)操作命令繁多	60年代的软件危机导致软件工程的发展1970年 UNIX产生1972年 C语言推出
现代操作系统时期	类UNIX系列WINDOWS系列	人机交互成为主题1）可视化界面2）多媒体技术	面向对象语言取代结构化设计语言	1)过渡至图形界面2)注重操作可视化	80年代中期面向对象技术逐步发展并替代了结构化设计
网络时代	网络操作系统分布式系统	微内核技术兴起	1）JAVA语言2）脚本语言兴起	追求设计个性化注重感官效果	1995年JAVA推出
自由软件时代	嵌入式系统	单内核与微内核竞争激烈	编程工具向跨平台方向发展	可移植性成为主题	1991年免费的操作系统Linux发布

从这张表可以看出：

1. 操作系统的发展滞后于计算机语言的发展，程序设计理论约束着操作系统设计，从结构化设计到对象化设计，操作系统总是最后应用新编程理论的软件之一（编译器也是如此）
2. 至今操作系统是否彻底对象化（即微内核化），还处于徘徊时期，等待单内核与微内核最佳结合方式的出现
3. 人机交互技术是一个从用户角度对操作系统设计进行的变革

现有的操作系统设计应当寻找新的突破点，摆脱被动跟随程序设计理论的突破而突破，毕竟编程理论只是软件的基础，而现在的操作系统发展进入一个平稳期，各种枝节理论迅速发展并稳定，为总体结构突破提供了良好的基础。

1.3 类比

硬件发展轨迹和软件发展轨迹，是对过去发展的分析，对未来发展方向的预测，则要换一种思路。

从算盘到现在的计算机，每个时代的人都追求着同样的目标，把人从复杂计算中解脱，且都幻想着能制造一种具有人类智能的机器。

计算机的诞生和迅猛发展，使得机器是否能思维的问题，就真实的摆在了我们面前，何时计算机能够真正地模拟人类的智能。

早在1950图灵就提出"机器思维"的概念，证明机器能否思维，关键在于如何定义思维，并提出"图灵测试"。

如今我们的任务应该是如何让计算机具有思维。

人工智能的发展，已经使得应用软件的智能化成为可能，虽然还比较初级。

作为计算机系统的核心操作系统，其智能化的研究还很缓慢，本系列就是探讨操作系统如何向智能化的发展

现在的操作系统是处于发展的哪个阶段呢？

先看一个类比，操作系统的发展过程与地球生命进化过程之间的类比。

（注：引用进化观念是一种概念分析手段，并无意参与有关进化论是与非的争论）

表1.3 操作系统发展与生命进化的类比


相比较，现在的操作系统正处在第二次繁荣期（第一次繁荣是60年代~70年代，理论的形成期），大量不同种类的操作系统和相关技术不断涌现，而微内核和单内核的竞争是操作系统结构走向成熟的开始

操作系统一栏中有数个与人类进化对应的空格代表着操作系统未来的发展方向

表1.4 对未来操作系统的预测

发展初期是软件适应硬件的过程，如同生命初期为适应地球环境而做的努力

发展中期是操作系统理论的形成，逐步与硬件细节分离，产生自身的特性

发展的后期是形成完善的操作系统结构

这些发展都是为最后智能化做前期准备，如同生物进化至人类祖先的出现

是一个探索系统最合理结构的过程

最后一步是智能化，但却是最漫长的一步，和生物进化产生人类智慧的进度刚好相反

从每个阶段发展的时间长度看，生物进化与操作系统向智能化发展时间比例刚好相反

图1.1 生命进化示意图

图1.2 操作系统的发展示意图

虽然，关于生命起源和进化的过程还是有很多争议，但不影响在此引用，因为操作系统的发展是我们可以掌握和控制的，不是象生物进化那样只有化石了。

计算机系统从一开始就是向着模拟人类智能的脚步前进的。

只是现在处于一个高度细分的工作环境下，容易产生智能软件是应用层，而操作系统是基础软件的分工。

从80年代开始发展的自主式智能系统总是定位在应用层，较少涉及操作系统领域。

而通过这一类比，可以简要地说明要智能化操作系统，必须先形成一个能容纳智能的结构–“脑”。

现有的操作系统理论是今后智能系统的"肢体"部分，在形成"脑"结构后，自主式操作系统才从结构上完成进化，成为"类人猿"，此时现有的自主式智能系统便能成为"脑"的一部分，自如的控制"肢体"。

从机器人的角度考虑，操作系统智能化过程是形成机器人"大脑"的一个过程，这点将在后续的《一体化》一文中论述。

小结

通过上面的比较，想说明如下几点；

1. 微内核的出现，使操作系统的基本结构日趋完善，但并没有产生质变
2. 下一阶段的操作系统质变是形成有"智能"潜力的结构

在第五代计算机出现之前，操作系统的理论已经能够从硬件单向制约软件状态转向软件反向推动硬件发展，如今这点表现为商业应用推动了计算机外设的发展，今后将表现为硬件设计中的灵活性，如现在已经出现微指令能动态设计的处理器，这些将在后续文章中另作讨论，因为它们还不足以真正变革操作系统，只能局部改变操作系统的模块，而且也只有当智能化概念引进后，才能更好的利用这些功能。

操作系统的现状

2.1 系统模型

在进一步预测未来系统前，先分析现今操作系统的基本结构。

操作系统发展至今模块结构已经非常明确，即处理器管理、存储器管理、设备管理和文件管理统

表2.1 功能对应表

处理器管理	CPU
存储器管理	内存、高速缓存
设备管理	所有需要驱动程序的设备
文件管理统	各种大小容量的存储设备

只有文件管理系统是属于建立在存储器上的逻辑管理功能

因此可以说现今的操作系统是一种直接的计算机硬件的逻辑映射，即现在的操作系统模型是硬件组合模型的软件表达式。

所以从这个角度讲现在的操作系统理论发展还没有真正形成自己的理论，从整体上看还是一个大的设备管理系统

在此希望通过对现有模型的分析，找出理论突破的方向。

操作系统最基本的结构是模块结构和层次结构。

模块结构就是最一般的结构化设计，单内核就是模块结构，但内核的概念是一种层次概念。

而层次结构是建立在系统功能模块分类的基础之上，是一种模块集合作为’层’的结构。

现代的操作系统结构都是模块概念的衍生物。

而理论上形成的操作系统几大功能模块就是进行了一次逻辑分层的工作，因此，不再独立讨论模块结构。

现代操作系统按模块间功能调用方式分：

有两种系统模型： 单内核与微内核。

另外还有两种应用模型： 虚拟机与客户／服务器模式，它们是建立在操作系统上的系统应用扩展模型。

2.1.1 层次模型

提出系统内核概念就是一种层次概念，层次概念能很好的从理论上进行功能的划分，如将操作系统代码分成体系相关部分与体系无关部分，及应用接口部分（为体系相关部分，但多数体系相关部分为涉及硬件底层的代码）。

表2.2 操作系统层次模型

• 应用软件层
• 应用接口层（API）
• 体系无关层（逻辑管理层，如：进程调度、内存管理等）
• 体系相关层（设备驱动层）
• 硬 件 层

这是系统设计中的层次结构，而用户进程与内核进程则是运行态中层次概念。

因为是小到两个变量或函数之间的关系，大到软件集之间的关系都能称为层次。

由此如今的系统内核概念的提出就是层次关系最好的体现。

A能调用B而B的实现与A无关，可以认为A永远处于B的上一层，一种静态层次。

当A与B互为调用时，可以认为是动态的层次关系或对等层次，如同客户服务器的概念就是这样的层次概念。

在结构化设计中，层次概念由模块组合来表达，在对象化设计中，层次概念由对象集合来表达，在不同的设计理论下，有着不同的表现方式。

因此，层次模型是最基础的模型，其它的模型都是层次概念在不同设计理论下的变换。

2.1.2 单内核

从最初的操作系统设计开始，操作系统就是单内核的形式，以结构化程序设计理论为基础，至今在多数操作系统模型中单内核依然拥有主导地位

单内核–集中式操作系统，整个系统是一大进程，可以被分为若干逻辑模块，即处理器管理、存储器管理、设备管理和文件管理，但在运行时，这些模块仅构成一个进程，其模块间的连接是通过直接调用其他模块中的函数来实现。

因此现今的单内核是一种整体式层次结构。

单内核模型以系统执行效率为设计核心，因为整个系统是一个统一的内核，所以其内部调用效率很高，但对于远程调用来说同样没有优势。

单内核的系统缺点也正是由其源代码是一个整体而造成的，通常其模块之间的界线并不是特别的清晰，模块间的调用比较随意，所以做系统修改时，往往牵一发而动全身，导致工作量大，维护困难。

2.1.3 微内核

微内核是面向对象理论在操作系统设计中应用的产物，在实际应用中，微内核尚处于发展阶段。

微内核 – 把操作系统结构中的内存管理、设备管理、文件系统等高级服务功能尽可能地从内核中分离出来，变成几个独立的非内核进程，使内核功能变得简洁可靠，而各独立模块以特权方式的用户进程出现，具有各自独立的运行空间，模块间以IPC（进程间通讯）方式来完成单内核中相同功能的调用。

微内核实现的基础是操作系统理论上的逻辑功能划分，几大功能模块在理论上是相互独立的，在长期的单内核设计中内核设计逐渐按逻辑划分，形成比较明显的界限，使得微内核概念脱颖而出。

微内核通常仅负责少量的功能：

• 进程的管理和调度
• 进程间通讯
• 内核自身所需内存的管理
• 部分必须的基础设备管理
• 微内核简单的讲是一个消息的转发站，因此也可以说微内核模型是从客户服务器模型转换而来的。

优点：

• 充分的模块化，使得模块独立更换而不影响其它模块，方便了第三方的开发者设计模块
• 未被使用的模块功能不必运行，因而能大幅度减少系统的内存需求，从另一个角度降低了虚拟内存管理的负担
• 具有很高的可移植性，理论上讲只需要对微内核部分进行移植修改即可，而微内核的体积通常很小，因此花费小
• 模型方式适合于建立分布式操作系统

缺点：

• 使用通讯方式完成功能调用，速度低得多
• 对于单处理器系统，模块间独立地址空间的切换频繁，对整体性能影响较大
  图2.1 微内核示意图
  
  图2.1 微内核示意图

2.1.4 虚拟机

虚拟机是一种仿真概念，源自于大型机，在一定硬件功能支持下，以软件方式模拟低速处理系统的硬件，形成一个软件模拟的虚拟机系统，使得那些低速系统上的软件能够直接在大型机上运行，减少了软件移植的工作量。

对于主机而言本身也拥有一个独立的操作系统，而虚拟机是建立在这个操作系统上的一种应用软件。

图2.2 虚拟机示意图
以虚拟机的方式可以使用较少的工作量来实现大型机上的跨平台软件移植，只对需移植的操作系统进行少量与设备相关的修改，甚至不必修改即可运行。

JAVA虚拟机的概念是一种简化的虚拟机，因为它本身的出发点就是建立在解释器上的通用平台系统，自身的实现必须依赖操作系统的功能，是一种应用系统。如将基本的操作系统内核与JAVA虚拟机融合，则JAVA虚拟机就成为真正的操作系统，适合于嵌入式系统。

单从软件角度看，虚拟机是仿真技术的一种，这种方式可以简化成一种安全系统的子系统，模拟主系统主要结构，用于检测可疑代码，以保证在主系统中代码的安全性，这点将在后续的文章中讨论。

2.1.5 客户／服务器

客户服务器模型是一种建立在操作系统内核基础上的应用模式，是网络操作系统发展的产物，这种模式将调用分成请求和应答两个部分，分别由客户端产生向服务器的请求，服务器端生成应答回送给客户端。

如图：

图2.3 客户／服务器模型示意

客户端和服务器端并没有严格的区分界线，当某服务器需要其他模块帮助完成某个任务时，它就成为发送请求的客户端 客户端与服务器端也可以在同处于一台机器中，建立在同一系统内核之上。

这种模型以网络通讯或本地通讯为基础，所以此模型常用于网络操作系统和分布式操作系统中。

从示意图中可以看出，客户服务器模型与微内核模型有本质上的类似，差别只是客户服务器模型的应用面更广 从操作系统的层次结构讲，所有的操作系统模型都是客户-服务器模式在不同程度上的组合。

2.1.6 实际应用

在实际的操作系统中，很少有完全符合的微内核理论划分的系统，总是为了提高效率作了一定的改变 有个现象很有趣，就是现有的单内核系统多少都拥有一定的微内核特征，而且越来越多 多数操作系统的发展都是侧重某个模型，并将两种模型的优势进行一定程度上的融合。

在此主要分析微内核与单内核：

微内核是在单内核的基础上分化而来的，主要变化是将原本在单内核中融为一体的内核中的功能调用，以一张内核调用表来联系各内核模块，模块间功能调用以该表中描述的功能序号和调用参数格式为依据，使用通讯方式传递调用命令。

因此微内核与单内核从结构上定有本质上的相同点。

分析前，先引入一个重要的概念 – 软件的支撑结构。

2.2 两个定义

在软件设计范畴中定义两个概念 – 支撑点与支撑结构

它们是操作协议概念在软件设计中一种具体化的形式 （本系列的第一篇文章中有关于操作协议的详细定义）

2.2.1 支撑点

假设集合A是一组已经实现的功能模块与变量，而集合B是这样一组功能模块，其功能的实现是建立在对A的调用基础之上，则称A是B的一个支撑点的集合，A中的每个直接被B调用的元素都是B的支撑点。

按此定义，在编程中所有的设计人员定义的变量、函数、各种数据类型以及开发工具提供的库函数、类库都是程序的支撑点。

而支撑点又分内部支撑点和外部支撑点两种。
内部支撑点是指为实现某个功能集而定义的新的数据，属于功能集。
外部支撑点是指为实现某个功能而调用的外部功能集合中的数据。

例如，对单个函数而言，函数内部定义的局部变量就是此函数的内部支撑点，而其调用的外部变量和函数就是此函数的外部支撑点。

图2.4 支撑点集合示意图
其中使用规则是一套的内部支撑点和外部支撑点选择和使用的规则，它由设计者来定义，通过编程的语句来表达，由设计者将规则融合进代码，是软件设计者或设计小组，根据系统的自身要求定义的，是一种便于内部协作的内部操作协议。

内部支撑点和外部支撑点是程序设计的基础（多数程序员并没有意识到自己在使用它，但不影响设计），整个软件项目开发的过程就是一个内部支撑点集和外部支撑点集博弈的过程，即圈定外部支撑点集合与内部支撑点集合的过程，这个过程通过使用规则的完善过程得以体现。

而使用规则的完善过程正是软件工程理论应用的过程，规则设计方法的变化过程是软件工程理论发展的过程。

2.2.2 支撑结构

对于操作系统设计而言，支撑点的概念略显不足，因为操作系统发展至今已经有一定的理论框架，其基本功能均被圈定，而支撑点的概念主要凸现的是一个设计者自己的设计发挥，如同单个函数的设计，其内外部的支撑点选定具有很大的灵活度，因此提出支撑结构的概念，以用于分析操作系统模型。

对操作系统设计人员来讲，硬件标准就是编程的一个支撑点集合，对于应用软件设计人员来讲，操作系统提供的编程接口（API）就是一个编程的支撑点集合，这两种支撑点的共同点在于它们对使用者而言是一种标准（在一定范围内），而且能保持较长时间的不变性，相对而言是静止的，因此称这样的支撑点集合形成的是支撑结构，支撑结构是实际产品中与系统模型结构相对应的结构，是产品的骨架。

支撑结构是一种相对静止的概念，是操作协议概念在软件设计中一种具体化的形式，是软件设计内部的约束形式。

如同编程接口相对程序员是静止的，系统调用表对应用软件是静止的。这些静止体现了计算机系统的软件层次结构，正是有了这种相对静止，使软件设计得以详细分工， "相对静止"是一种动态的概念，因为存在变化中的差异，才能存在相对中的静止。

支撑结构分为两种：静态支撑结构和动态支撑结构。

静态支撑结构 – 构成支撑结构的支撑点集合是静态集合，对产品而言是保持永久不变的，因此支撑结构是一组静态数据集合，集合的定义规则处于设计者的大脑中。

动态支撑结构 – 构成支撑结构的支撑点集合是动态集合，在产品使用中保持动态变化，因此结构是以一组支撑点选择规则为核心的自动生成相应支撑点集合的机制，也就是说，将静态支撑结构中集合定义的规则，从设计者的大脑中，以实际描述的方式予以表达，而设计者大脑中保留的是规则的定义方式。

静态支撑结构和动态支撑结构之间的本质差别在于使用规则和规则定义的方式

如图：

从示意图中可以看出动态支撑结构使得系统模型变得很复杂，而且规则模型是很抽象的概念，难以具体描述。
（什么是规则与规则模型，将在《规则量化》中描述，但以概念讨论为主，作为思维量化的探索）

动态的支撑结构就是把静态支撑结构变成可变的结构。

那静态支撑结构具体是什么？

现有的操作系统模型，其系统模型是建立在静态的支撑结构之上，即整个操作系统的模型是静态模型，建立后不再修改，若修改就形成一个新的操作系统版本。

可以从下面的分析中看到一种具体的静态支撑结构。

2.3 具体分析

以支撑结构的概念来分析单内核与微内核，就可看到它们之间的一致性。

2.3.1 微内核

微内核以静态的内核调用表为其通讯的基准，得以实现模块之间的调用，而微内核中各独立模块的代码仍旧是高度集中的。

如图：

图2.7 微内核式操作系统的模型图
例如MINIX中模块间调用是通过如下方式分解消息来实现的。
在此摘录部分源代码进行分析。
（注：《OPERATING SYSTEM Design and Implementation》第二版，Andrew S．Tanenbaum 和Albert S．WoodHull著）

以下MINIX系统中内存管理模块的main.c文件的一部分

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
                src/mm/main.c        
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
16600   /* This file contains the main program of the memory manager and some related
16601    * procedures.  When MINIX starts up, the kernel runs for a little while,
16602    * initializing itself and its tasks, and then it runs MM and FS.  Both MM
16603    * and FS initialize themselves as far as they can.  FS then makes a call to
16604    * MM, because MM has to wait for FS to acquire a RAM disk.  MM asks the
16605    * kernel for all free memory and starts serving requests.
16606    *
16607    * The entry points into this file are:
16608    *   main:      starts MM running
16609    *   reply:     reply to a process making an MM system call
16610    */
16611   
16612   #include "mm.h"
16613   #include 
.
.
.
16624   /*===========================================================================*
16625    *                              main                                         *
16626    *===========================================================================*/
16627   PUBLIC void main()
16628   {
16631     int error;
16633     mm_init();                    /* initialize memory manager tables */
16636     while (TRUE) {
16638           get_work();             /* wait for an MM system call */
16639           mp = &mproc[who];
16642           error = OK;
16643           dont_reply = FALSE;
16644           err_code = -999;
16647           if (mm_call < 0 || mm_call >= NCALLS)
16648                   error = EBADCALL;
16649           else
16650                   error = (*call_vec[mm_call])();
16653           if (dont_reply) continue;       /* no reply for EXIT and WAIT */
16654           if (mm_call == EXEC && error == OK) continue;
16655           reply(who, error, result2, res_ptr);
16656     }
16657   }
16663   PRIVATE void get_work()
16664   {
16665   /* Wait for the next message and extract useful information from it. */
16666   
16667     if (receive(ANY, &mm_in) != OK) panic("MM receive error", NO_NUM);
16668     who = mm_in.m_source;         /* who sent the message */
16669     mm_call = mm_in.m_type;       /* system call number */
16670   }

其中它定义了一个函数指针数组call_vec[NCALLS]，保存相应系统调用的函数指针，功能的顺序是静态定义的，通过get_work()分析消息得到系统调用号mm_call，然后执行error = (*call_vec[mm_call])()；来完成请求。

而call_vec[]是一静态向量表的定义如下：
（同一书中的源代码）

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
                src/mm/table.c       
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
16500   /* This file contains the table used to map system call numbers onto the
16501    * routines that perform them.
.
.
.
16515   _PROTOTYPE (int (*call_vec[NCALLS]), (void) ) = {
16516           no_sys,         /*  0 = unused  */
16517           do_mm_exit,     /*  1 = exit    */
16518           do_fork,        /*  2 = fork    */
16519           no_sys,         /*  3 = read    */
16520           no_sys,         /*  4 = write   */
16521           no_sys,         /*  5 = open    */
16522           no_sys,         /*  6 = close   */
.
.
.
16592           do_sigreturn,   /* 75 = sigreturn   */
16593           do_reboot,      /* 76 = reboot  */
16594   };

同样的函数调用方式在MINIX系统的文件管理模块也有：

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
                src/fs/main.c        
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
22500   /* This file contains the main program of the File System.  It consists of
22501    * a loop that gets messages requesting work, carries out the work, and sends
22502    * replies.
22503    *
22504    * The entry points into this file are
22505    *   main:      main program of the File System
22506    *   reply:     send a reply to a process after the requested work is done
22507    */
.
.
.
22515   #include 
.
.
.
22534   /*===========================================================================*
22535    *                              main                                         *
22536    *===========================================================================*/
22537   PUBLIC void main()
22538   {
22539   /* This is the main program of the file system.  The main loop consists of
22540    * three major activities: getting new work, processing the work, and sending
22541    * the reply.  This loop never terminates as long as the file system runs.
22542    */
22543     int error;
22544   
22545     fs_init();
22546   
22547     /* This is the main loop that gets work, processes it, and sends replies. */
22548     while (TRUE) {
22549           get_work();             /* sets who and fs_call */
22550   
22551           fp = &fproc[who];       /* pointer to proc table struct */
22552           super_user = (fp->fp_effuid == SU_UID ? TRUE : FALSE);   /* su? */
22553           dont_reply = FALSE;     /* in other words, do reply is default */
22554   
22555           /* Call the internal function that does the work. */
22556           if (fs_call < 0 || fs_call >= NCALLS)
22557                   error = EBADCALL;
22558           else
22559                   error = (*call_vector[fs_call])();
22560   
22561           /* Copy the results back to the user and send reply. */
22562           if (dont_reply) continue;
22563           reply(who, error);
22564           if (rdahed_inode != NIL_INODE) read_ahead(); /* do block read ahead */
22565     }
22566   }

在文件系统中使用的是call_vector[fs_call],其定义如下:

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
                src/fs/table.c       
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
20800   /* This file contains the table used to map system call numbers onto the
20801    * routines that perform them.
20802    */
.
.
.
20817   PUBLIC _PROTOTYPE (int (*call_vector[NCALLS]), (void) ) = {
20818           no_sys,         /*  0 = unused  */
20819           do_exit,        /*  1 = exit    */
20820           do_fork,        /*  2 = fork    */
20821           do_read,        /*  3 = read    */
.
.
.
20894           no_sys,         /* 75 = SIGRETURN */
20895           no_sys,         /* 76 = REBOOT */
20896   };

而内存管理模块和文件管理模块中共同使用的include/minix/callnr.h如下：

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
                include/minix/callnr.h       
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
03400   #define NCALLS            77    /* number of system calls allowed */
03401   
03402   #define EXIT               1 
03403   #define FORK               2 
03404   #define READ               3 
03405   #define WRITE              4 
03406   #define OPEN               5 
03407   #define CLOSE              6 
.
.
.
03462   #define SIGPROCMASK       74
03463   #define SIGRETURN         75
03464   
03465   #define REBOOT            76

显然call_vec[]与call_vector[]是等同的静态向量表，也就是MINIX的内核之间的支撑结构，是静态的支撑结构。

各独立模块之间的相互调用是通过消息方式传递向量编号与相应的参数。

从以上分析可以看出，对于操作系统而言，静态支撑结构是一张静态的函数表。

2.3.2 单内核

在单内核系统中，这样的支撑结构是不明显的，因为其内核代码是一个整体。对于各种可按操作系统理论划分出的模块，它们之间是以直接函数调用来连接，也就是说单内核的各支撑点是分散在各个理论独立而代码不独立的模块中，由此这样的支撑点不会象微内核中的支撑点那样明显，以调用表的形式出现，它们已经直接融入代码之中，具有很大的可变性（因为模块间调用方式缺少事先的统一规定），由这些支撑点集合构成的支撑结构同样具有很大的可变性，只能在操作系统理论的划分上看出支撑结构的模型，这个支撑结构的模型与微内核的支撑结构是等同的，差别只在于结构中支撑点的调用方式。

因此单内核也拥有与微内核类似的模型图，只是通常设计之前并不会考虑这样的表的存在，而是在考虑模块时比较随意地制定了，因此单内核的函数表是一张制订比较随意的表，而且连接方式是直接的函数调用，不过其供应用软件使用的API是比较正规的，它也是支撑结构的一张映射表 。

也正是单内核中支撑结构的实际存在，才使微内核得以实现。在单内核中是一张复杂的关系表，在微内核中是一张简单明了的静态表。所以微内核中模块间复杂度的降低是因为在概念设计阶段就把系统支撑结构明确化了。

2.3.3 一般模型结构

以系统模型支撑结构为核心，系统调用接口为对外的支撑结构为辅（构成一个编程界面），

图2.8 一般操作系统模型的支撑结构示意图
其中：

系统的支撑结构是一系列各模块提供的供其它模块调用的函数（但表达形式可以是消息参数方式）。

"对外的支撑结构"是操作系统为应用软件设计提供的API，也是一系列的函数。

如今的操作系统已经能够通过相对独立"对外的支撑结构"来实现应用软件的在不同操作系统下实现无缝移植，当然前提是硬件系统是兼容的，特别是处理器必须具有兼容的指令系统。

2.3.4 进一步

以支撑结构的概念来分析现有的操作系统，能得出如下结果：

1. 操作系统，无论是何种以模型为系统主体，无论是一个程序构成，还是由程序集构成，都存在一个贯穿整个系统的支撑结构，整个系统的设计就是按照这个支撑结构展开
2. 构成现有操作系统的支撑结构都是静态支撑结构
3. 支撑结构是一张函数表，对于动态支撑结构而言，就是一张可动态的变化函数表

因此可以说单内核与微内核结构上是一致的，差别是模块间的联系，所以两者在理论上完全可以融合，只需在支撑结构上进行更灵活的设置。

例如：

把消息方式和直接函数结合，对于微内核模型，将本地模块之间的联系按直接调用方式结合，只在远程模块间使用消息方式，这样做并不是把微内核倒退至单内核，而只是改变消息方式的应用范围，这里需要编译功能的帮助才能完成，使得消息方式和直接调用方式能自由切换，这点将在下一篇文章中描述 如这样实现，微内核系统在本机内可达到与单内核相近的效率，在外部，仍可以通讯方式构造分布式系统。

如何智能化

智能化是未来操作系统趋势，但如何智能化？

如今自主式系统的概念已经发展多年，但实质仍旧是适应特定应用环境的专家系统，基本是建立在传统的操作系统之上的应用软件，侧重点是应用，而非操作系统领域。

按现有的软件应用方式，智能化操作系统有两种方案：

1. 现有的操作系统模式 + 专家系统
2. 智能模块作为一种应用软件，将自身定位于智能工具，主动权仍旧属于用户
   将专家系统内嵌至操作系统中

以人工智能方式管理操作系统的运行，目标是形成能自我管理的系统，最终形成自主式系统
第一种方案是可以立竿见影的方案，能在短期内使得计算机系统看上去智能化了，但由于其核心操作系统并没有在智能化模块的管理范围内，就产生了如下缺点：

1. 智能模块以应用软件身份运行，没有了主要设备的管理权，例如智能的更换主要设备（处理器、内存等等）

2. 无法改变操作系统中存在缺陷，因为不能真掌握自身的运行过程，难以避免由操作系统错误产生的系统崩溃
   第二种方案实现的最终结果是：

3. 现有的操作系统模型变成一个智能化操作系统的"设备管理模块"

4. 现有的专家系统模式成为智能化操作系统的"用户界面"

两种方案是相辅相成的

1. 第二种方案的基础还比较遥远，所以第一种方案是很有必要的，它能够将各个行业的知识形成知识库，进一步促进人工智能的发展，为第二方案的实现打好基础
2. 即使第二种方案实现了，第一种方案仍将存在，因为第二种方案的应用范围是在那些人工智能应用非常成熟的领域，对于尚不成熟的领域，第一种方案是很好的探索方式，所以，第一种方案必将成为第二种方案的一个子方案

关键原因就是现在的人工智能火候不够，尚没足够让人振奋的成果，难以看出实际大规模应用人工智能的方式，所以本系列是从探索的角度来分析未来智能操作系统的结构。

要实现第二种方案，先期有三方面的工作

1. 系统结构智能化，转变成具有适合智能发展的"智能"结构
2. 系统功能的参数化，为功能模块的智能化建造模型
3. 转变编译器的应用形式，形成自动化编程的雏形

3.1 系统结构

操作系统智能化的主方向是形成自主式操作系统，从第一章的分析可以看出，现在的操作系统正处于结构成熟期，但仅仅是硬件模型的直接转化，要形成自主式，需要一种新结构，是建立在现有逻辑结构上的"大脑"结构。

由现有计算机硬件的特殊性，无论如何智能化，所有功能还是得由机器指令一步步的完成，所以"智能化"结构中职能模块和非职能模块之间的联系核心是对处理器的控制权分配，如同人体结构中，如何通过大脑的反映来平衡其他身体器官的信号与人思考之间的冲突，大脑是人的"处理器"不仅得处理人体物理组织产生的信号，还要承担意识活动，而意识活动能在生理条件许可的范围内控制全身组织，并通过大脑处理反馈信号来修正意识活动。

但和人相比，计算机有其特殊性，它的硬件组织与人体器官一样是任何活动的基础，而软件设计拥有极大的灵活度，也就是说人对自身器官的管理多数是处于本能反应，而操作系统却能够在逻辑正确的情况下，灵活控制和改变。

从第二章的分析可以看出，虽然现在已经涌现出许多操作系统，但它们的本质仍旧是建立在类似的静态支撑结构之上，系统形成的规则依旧停留在人的大脑中，因此现有操作系统的结构是难以依靠自身的变化来突破。

这种情况导致现有的操作系统理论只是一些细节技术的堆积，而没有一个整体的理论环境，所形成的理论格局与硬件格局完全类似的地步。

如将系统结构改成动态的支撑结构，把现在停留在人脑中的系统理论变成可度量的计算机规则，操作系统的结构就能象水一样的柔，可自如的适应各种硬件需求和软件需求。

但形成可度量的规则本身就是一个智能化的难题。

新的系统模型将是本系列文章的下一篇的主题。

在那里，将描述一个简单动态支撑结构，它本身没有解决量化规则的问题，而是探索如何从现有系统模型向可变结构的发展。

3.2 参数化的概念

参数化 – 是一种分析过程，对现有功能进行重新分析，从功能实现中归纳出多个关键的可度化的量，并且通过这些量来准确反映整个功能活动过程中的主要特性，称这些量为功能参数，寻找参数的过程称为参数化。

参数化的目的是寻找出足够多的关键参数，为该功能构造一个数学模型，从而能以更全面的角度来动态控制整个功能的活动。

设计智能化系统结构的是为操作系统智能化提供实现的结构基础，而参数化后形成操作系统的数学模型，则是建立智能核心的关键。

参数化是一个量化的过程，参数化和数学模型建立是两个同时进行的相辅相成的过程，有如下几个问题：

为何要参数化
如何定义参数化的规则，即参数的选择方案
被参数化的功能本身是否存在结构缺陷，如何判断
如何通过参数化来完善功能结构
数学模型的基础是什么
建立数学模型要解决什么问题
从支撑结构的角度看，参数化的过程是对原有操作系统的支撑结构进行深入地量化分析，而建立数学模型是构造新型支撑结构的基础。

参数化的概念将是本系列中第四篇文章的主题。

3.3 编译器

编译器是与操作系统同等重要的系统软件，表面上看编译器理论与操作系统理论并没有多大相关性，编译器总是局限在将程序代码翻译成可执行代码的范畴内，对于操作系统来讲，它只是操作系统最终形成代码的最后一步。

操作系统模型的任何创新都必须有编译器的支持 如同以对象方式重建原有结构化的操作系统，必须要先有支持对象设计的编译器
可变的操作系统结构需要相应的编译功能支持
现今编译出错后的调试过程仍属于手工操作，完全依赖人脑的主动判断，要形成系统自动查错，甚至纠错功能，必须逐步把现有的设计过程（即编程、编译、查错过程）从手工方式过度到自动方式
对于具有动态支撑结构的系统，其长期目标是能根据规则自动生成系统，最终能分析自身系统进而改善形成规则，重新构造系统，形成一个自我进化的螺旋上升的系统完善过程。

这样的目标需要系统拥有自动的查错并纠正机制，是编译理论和操作系统设计理论逐步融合的长期过程，从某种意义上讲这与现今一些研究者提出的智能化编译器类似（指能自动分析人提出的问题并自动编程形成最终的应用程序，即未来的智能化的编译器）。

在本系列的讨论范围中，只是简单地描述两种理论的融合，而如今的编译理论与操作系统理论相距甚远，只是在操作系统部分结构设计中需要它的参与，因此暂不纳入本系列文章的范畴，只是在相关部分中有一定涉及。

悬念

现在的计算机系统主要任务是帮助人们勾通和思考，未来的计算机系统将会智能化， 它们的智能水平能发展到何种程度，是否会威胁到人的存在，这里简单的讨论一下这个问题。

1997年IBM的深蓝（Deep Blue）计算机战胜国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫， 这说明了一点，只要是可以量化的思维形式，计算机总能处理的比人好，因为它高速、稳定，而且今后会更高速更稳定。 表面上看深蓝执行的代码是人工编制的，可以认为深蓝借了众人的力量战胜了世界冠军， 但程序编制的过程是一个量化思维的过程，即今后设计思维足够量化后，自动编程就自然可行了，那时计算机也能进行类似的量化思考，所以人工编程并不能帮我们抵挡人工智能的威胁，它只是现今人工智能不发达的表现。

问题的关键是人类的思维中有多少是不能够被量化的？ 而那些不能被量化的形式就是未来人类与人工智能抗衡的最后底线， 但它们是否能抵挡住人工智能对人类智能的挑战，却依然是无法肯定的。

回顾一下，第一章第三小节中的两张图：图1.1与图1.2，一个是递减，一个是递增，是否有一个交点，恰好是人工智能逼近人类智能的转折点？ 人的智能正随着时间的推进而积累，而人工智能也随着时间的推进而逐步逼近人的智能，哪个速度更快？

如今我们正处于发展的初期，很难预料结果，但一点是可以肯定的。
就是对于技术来讲，有如下一个两难的处境：

1. 如果人工智能发展到和人类智能同等或略差点，必然对人类自身的生存造成威胁
2. 如果最后发现人工智能无法达到基本的人类智能，那将是人类对自身探索的失败，
也是我们无法忍受的

总的看来，逼近人类智能是个漫长的过程，但绝非不可能，到了某一天，它就会象现在的克隆人那样被大家恐惧了。