操作系统中到底是谁分配的资源?
在咱们的电脑里，你装的那些软件，比如浏览器、游戏、音乐播放器，它们都需要“干活”，而“干活”就得有东西支持，这就是我们常说的“资源”。那这些资源，究竟是哪个“家伙”给它们分配的呢？
答案其实是咱们电脑里最核心、最了不起的那个软件——操作系统。
你可以把操作系统想象成一个经验丰富、公事公办的“大总管”，掌管着电脑里的一切。从你开机的那一刻起，这个大总管就开始忙碌起来，确保电脑能正常运转，让各种程序都能“吃饱穿暖”，顺利工作。
那么，这个“大总管”具体是怎么分配资源的呢？咱们来细致地聊聊。
一、 CPU 时间：谁有资格“发言”？
CPU，也就是中央处理器，可以说是电脑的“大脑”，它负责执行指令，处理计算。但是，CPU 的能力是有限的，不可能同时处理无数个程序的需求。这时候，操作系统的“CPU调度器”就登场了。
进程与线程： 首先，操作系统需要知道有哪些程序在运行。每一个正在运行的程序，在操作系统看来就是一个“进程”。而一个进程内部，又可能包含多个“线程”，线程是CPU调度的基本单位。你可以把进程想象成一个大工程项目，而线程就是项目里负责具体某项任务的工人。
调度算法： 调度器就像一个裁判，它根据一套预设的规则（调度算法），来决定哪个线程在哪个时间段内可以使用 CPU。常见的调度算法有很多种，比如：
先来先服务 (FCFS)： 谁先到，谁就先用。简单粗暴，但效率不高。
时间片轮转 (Round Robin)： 每个线程轮流获得一小段时间的 CPU 使用权，用完了就换下一个。就像大家排队玩一个玩具，每个人都能玩一会儿。
优先级调度： 给不同的线程设定不同的优先级。比如，你正在打游戏，游戏进程的优先级可能会比后台下载进程高，这样游戏就能更流畅。
多级反馈队列： 把线程分成不同队列，有优先级高的，也有优先级低的。优先级高的用完自己的时间片就会回到队列头；优先级低的如果长时间得不到 CPU，会慢慢提高它的优先级。这样既能保证重要任务及时完成，也能避免低优先级任务被完全饿死。
上下文切换： 当一个线程执行完分配的时间片，或者因为某种原因（比如等待I/O）需要让出 CPU 时，操作系统就需要执行“上下文切换”。这就像一个工人放下手中的工具，把工作现场的状态记录下来，然后另一个工人拿起工具，载入之前记录好的工作状态，继续开始干活。这个切换过程需要保存当前线程的寄存器信息、程序计数器等，再加载下一个线程的状态，这个开销是需要注意的。
二、 内存空间：让每个程序都有自己的“房间”
内存（RAM）是程序运行的“工作台”，所有程序都需要把它需要的数据和代码加载到内存里才能被 CPU 读取和执行。操作系统负责管理这块宝贵的内存资源。
内存分配： 当你启动一个程序时，操作系统会从内存中为它划分出一块区域来存放程序的代码、数据和堆栈。它需要记录下这块内存的起始地址和大小，确保其他程序不会误触碰。
虚拟内存： 现在的操作系统大多都使用了“虚拟内存”技术。这意味着，程序实际使用看到的内存地址，并不一定是物理内存的真实地址。操作系统和内存管理硬件（MMU）配合，将程序使用的“虚拟地址”映射到实际的“物理地址”。这样做的好处非常多：
扩大可用内存： 即使电脑的物理内存不够用，操作系统也可以利用硬盘空间（称为“交换空间”或“页面文件”）来临时存放一部分不活跃的程序数据。这样，程序就可以好像拥有比实际物理内存大得多的内存空间一样运行。
内存保护： 每个程序都有自己的虚拟地址空间，而且这些空间通常是独立的。这意味着一个程序不能随意访问另一个程序的内存，这样可以防止程序之间的干扰，提高系统的稳定性和安全性。如果一个程序试图访问不属于它的内存区域，操作系统就会及时发现并终止该程序，避免“程序崩溃”影响整个系统。
内存回收： 当程序结束运行，或者不再需要某块内存时，操作系统会负责将这块内存“回收”回来，标记为可用，以便下次有新的程序需要时分配。
三、 I/O 设备：让硬件听从指令
键盘、鼠标、硬盘、网卡、显卡等等，这些都是电脑的输入/输出（I/O）设备。它们也需要被操作系统管理，并且分配给合适的程序使用。
设备驱动程序： 硬件种类繁多，而且它们的工作方式各不相同。操作系统并不知道如何直接和每一个硬件打交道。这时候就需要“设备驱动程序”了。你可以把驱动程序想象成硬件的“翻译官”和“管家”。操作系统通过统一的接口向驱动程序发出指令，而驱动程序则负责将这些指令翻译成具体的硬件能够理解的语言，并控制硬件完成操作。
I/O 请求调度： 当多个程序同时需要访问同一个 I/O 设备时（比如同时读写硬盘），操作系统需要决定哪个程序先获得访问权。这就涉及到 I/O 请求的调度。例如，对于硬盘来说，操作系统可能会采用更优化的调度算法（如磁盘扫描调度），让磁头移动的距离尽可能短，以提高读写效率。
中断处理： I/O 操作很多时候是异步的，也就是说，当程序发出一个 I/O 请求后，CPU 不需要一直等待硬件完成。硬件完成操作后，会向 CPU 发送一个“中断”信号。操作系统接收到中断信号后，就会暂停当前正在执行的任务，转而去处理这个中断（比如将读取到的数据交给发出请求的程序），然后再回到原来的任务。
四、 文件系统：有序地管理信息
文件系统是操作系统用来组织和管理硬盘等存储设备上数据的机制。它就像一个巨大的图书馆管理系统。
文件和目录： 操作系统负责定义文件和目录的概念，以及它们之间的层次结构。你可以通过文件名和路径来查找和访问数据。
文件分配和管理： 当你创建一个新文件时，操作系统需要在存储设备上找到空闲的空间来存放文件内容，并记录下文件的位置信息（比如在哪个扇区）。它还需要管理文件的元数据，如文件名、大小、创建时间、权限等等。
并发访问控制： 如果多个程序同时尝试读写同一个文件，操作系统需要提供机制来防止数据混乱。这通常通过“锁”来实现，确保在同一时间只有一个程序能够修改文件，或者允许多个程序同时读取但只允许一个程序写入。
总结一下：
在这个电脑世界里，操作系统就是那个无可争议的资源分配者。它通过一系列复杂的内部机制，比如CPU调度器、内存管理器、设备驱动程序和文件系统，将宝贵的 CPU 时间、内存空间、各种 I/O 设备和存储空间，合理、有效地分配给每一个正在运行的程序（进程和线程）。
它的目标是：
1. 公平性： 尽量让所有程序都能获得公平的资源。
2. 效率性： 提高整个系统的运行效率，充分利用硬件资源。
3. 稳定性： 防止一个程序的错误影响到整个系统的正常运行。
4. 安全性： 保护用户数据和系统安全，防止未经授权的访问。
所以，下次当你感觉电脑卡顿时，或者某个程序运行得很顺畅时，别忘了背后那个默默奉献的“大总管”——操作系统，它一直在为让你的电脑更好地服务于你而努力工作。
答案其实是咱们电脑里最核心、最了不起的那个软件——操作系统。
你可以把操作系统想象成一个经验丰富、公事公办的“大总管”，掌管着电脑里的一切。从你开机的那一刻起，这个大总管就开始忙碌起来，确保电脑能正常运转，让各种程序都能“吃饱穿暖”，顺利工作。
那么，这个“大总管”具体是怎么分配资源的呢？咱们来细致地聊聊。
一、 CPU 时间：谁有资格“发言”？
CPU，也就是中央处理器，可以说是电脑的“大脑”，它负责执行指令，处理计算。但是，CPU 的能力是有限的，不可能同时处理无数个程序的需求。这时候，操作系统的“CPU调度器”就登场了。
进程与线程： 首先，操作系统需要知道有哪些程序在运行。每一个正在运行的程序，在操作系统看来就是一个“进程”。而一个进程内部，又可能包含多个“线程”，线程是CPU调度的基本单位。你可以把进程想象成一个大工程项目，而线程就是项目里负责具体某项任务的工人。
调度算法： 调度器就像一个裁判，它根据一套预设的规则（调度算法），来决定哪个线程在哪个时间段内可以使用 CPU。常见的调度算法有很多种，比如：
先来先服务 (FCFS)： 谁先到，谁就先用。简单粗暴，但效率不高。
时间片轮转 (Round Robin)： 每个线程轮流获得一小段时间的 CPU 使用权，用完了就换下一个。就像大家排队玩一个玩具，每个人都能玩一会儿。
优先级调度： 给不同的线程设定不同的优先级。比如，你正在打游戏，游戏进程的优先级可能会比后台下载进程高，这样游戏就能更流畅。
多级反馈队列： 把线程分成不同队列，有优先级高的，也有优先级低的。优先级高的用完自己的时间片就会回到队列头；优先级低的如果长时间得不到 CPU，会慢慢提高它的优先级。这样既能保证重要任务及时完成，也能避免低优先级任务被完全饿死。
上下文切换： 当一个线程执行完分配的时间片，或者因为某种原因（比如等待I/O）需要让出 CPU 时，操作系统就需要执行“上下文切换”。这就像一个工人放下手中的工具，把工作现场的状态记录下来，然后另一个工人拿起工具，载入之前记录好的工作状态，继续开始干活。这个切换过程需要保存当前线程的寄存器信息、程序计数器等，再加载下一个线程的状态，这个开销是需要注意的。
二、 内存空间：让每个程序都有自己的“房间”
内存（RAM）是程序运行的“工作台”，所有程序都需要把它需要的数据和代码加载到内存里才能被 CPU 读取和执行。操作系统负责管理这块宝贵的内存资源。
内存分配： 当你启动一个程序时，操作系统会从内存中为它划分出一块区域来存放程序的代码、数据和堆栈。它需要记录下这块内存的起始地址和大小，确保其他程序不会误触碰。
虚拟内存： 现在的操作系统大多都使用了“虚拟内存”技术。这意味着，程序实际使用看到的内存地址，并不一定是物理内存的真实地址。操作系统和内存管理硬件（MMU）配合，将程序使用的“虚拟地址”映射到实际的“物理地址”。这样做的好处非常多：
扩大可用内存： 即使电脑的物理内存不够用，操作系统也可以利用硬盘空间（称为“交换空间”或“页面文件”）来临时存放一部分不活跃的程序数据。这样，程序就可以好像拥有比实际物理内存大得多的内存空间一样运行。
内存保护： 每个程序都有自己的虚拟地址空间，而且这些空间通常是独立的。这意味着一个程序不能随意访问另一个程序的内存，这样可以防止程序之间的干扰，提高系统的稳定性和安全性。如果一个程序试图访问不属于它的内存区域，操作系统就会及时发现并终止该程序，避免“程序崩溃”影响整个系统。
内存回收： 当程序结束运行，或者不再需要某块内存时，操作系统会负责将这块内存“回收”回来，标记为可用，以便下次有新的程序需要时分配。
三、 I/O 设备：让硬件听从指令
键盘、鼠标、硬盘、网卡、显卡等等，这些都是电脑的输入/输出（I/O）设备。它们也需要被操作系统管理，并且分配给合适的程序使用。
设备驱动程序： 硬件种类繁多，而且它们的工作方式各不相同。操作系统并不知道如何直接和每一个硬件打交道。这时候就需要“设备驱动程序”了。你可以把驱动程序想象成硬件的“翻译官”和“管家”。操作系统通过统一的接口向驱动程序发出指令，而驱动程序则负责将这些指令翻译成具体的硬件能够理解的语言，并控制硬件完成操作。
I/O 请求调度： 当多个程序同时需要访问同一个 I/O 设备时（比如同时读写硬盘），操作系统需要决定哪个程序先获得访问权。这就涉及到 I/O 请求的调度。例如，对于硬盘来说，操作系统可能会采用更优化的调度算法（如磁盘扫描调度），让磁头移动的距离尽可能短，以提高读写效率。
中断处理： I/O 操作很多时候是异步的，也就是说，当程序发出一个 I/O 请求后，CPU 不需要一直等待硬件完成。硬件完成操作后，会向 CPU 发送一个“中断”信号。操作系统接收到中断信号后，就会暂停当前正在执行的任务，转而去处理这个中断（比如将读取到的数据交给发出请求的程序），然后再回到原来的任务。
四、 文件系统：有序地管理信息
文件系统是操作系统用来组织和管理硬盘等存储设备上数据的机制。它就像一个巨大的图书馆管理系统。
文件和目录： 操作系统负责定义文件和目录的概念，以及它们之间的层次结构。你可以通过文件名和路径来查找和访问数据。
文件分配和管理： 当你创建一个新文件时，操作系统需要在存储设备上找到空闲的空间来存放文件内容，并记录下文件的位置信息（比如在哪个扇区）。它还需要管理文件的元数据，如文件名、大小、创建时间、权限等等。
并发访问控制： 如果多个程序同时尝试读写同一个文件，操作系统需要提供机制来防止数据混乱。这通常通过“锁”来实现，确保在同一时间只有一个程序能够修改文件，或者允许多个程序同时读取但只允许一个程序写入。
总结一下：
在这个电脑世界里，操作系统就是那个无可争议的资源分配者。它通过一系列复杂的内部机制，比如CPU调度器、内存管理器、设备驱动程序和文件系统，将宝贵的 CPU 时间、内存空间、各种 I/O 设备和存储空间，合理、有效地分配给每一个正在运行的程序（进程和线程）。
它的目标是：
1. 公平性： 尽量让所有程序都能获得公平的资源。
2. 效率性： 提高整个系统的运行效率，充分利用硬件资源。
3. 稳定性： 防止一个程序的错误影响到整个系统的正常运行。
4. 安全性： 保护用户数据和系统安全，防止未经授权的访问。
所以，下次当你感觉电脑卡顿时，或者某个程序运行得很顺畅时，别忘了背后那个默默奉献的“大总管”——操作系统，它一直在为让你的电脑更好地服务于你而努力工作。
网友意见
有人可能觉得这个答案比较不符合直觉或者教科书，那么在反对之前，先思考一下：
1. 如果没有驱动，硬件资源还存在吗？
2. 驱动是否是操作系统必需的一部分？
-----------------------原回答-----------------------
首先，得定义什么是资源。民用设备上的资源可能有：
1. 硬件资源：外设资源（键盘、鼠标、显卡……）；总线资源（PCI/USB……）；CPU资源（时钟、中断、CPU时间……）……
2. 软件资源：内存、信号量、地址空间、管道、共享内存……
对于现代民用操作系统来说，操作系统的主要意义可以总结为两句话：
1. 隔离任务（进程）间的数据，使其不能互相直接访问；
2. 授权任务（进程）间的通信，使其能够互相访问；
从这里可以看出来，操作系统的主要功能跟“资源分配”并不搭边。操作系统能直接掌控的“资源”主要都是软件资源，这些资源包括：
1、给进程分配内存资源和地址空间；
2、允许进程调度（信号量）；
3、允许进程间通信。
一般来说，操作系统直接分配的资源只有这类软件资源，这些资源对于普通用户来说，其实并不是很直观的表现出来。对于普通用户可见的硬件资源，主要由驱动负责管理和分配，操作系统的主要角色是前面提到的“授权任务（进程）间的通信，使其能够互相访问”，操作系统起到的是一个中介的作用。
某个游戏希望显示一个图像，于是通过操作系统的进程间通信机制（某些API）去访问显示框架的API，最终把图像输出在屏幕上。也就是说，真正负责分配操作硬件工作的，其实是驱动，或者说，是驱动框架。操作系统只是负责传递用户任务（进程）的请求，操作系统对这些请求进行封装和隔离。
从宏观的角度上看，操作系统确实有能力决定某个进程是否有权限去访问某个硬件资源，但要说“分配”这个行为，主要还是驱动来做的，操作系统只是对驱动提供的资源接口进行封装和编号。
当然，在没有驱动的时代，用户任务确实可以直接操作硬件，比如DOS时代的一些软件（游戏），都是自带驱动的，但现代操作系统已经基本上都实现了隔离。
所以，准确的说：
1. 软件资源：主要由操作系统负责分配和控制；
2. 硬件资源：主要由对应的硬件驱动（包括驱动框架）负责分配，操作系统在其中只是作为一个中介的角色存在。
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