只有程序员才能读懂的三国演义（二）

这是通过三国演义串起操作系统的原理，之前写过五篇小马创业篇，这次改编为三国演义篇。

用一个创业故事串起操作系统原理(一)

用一个创业故事串起操作系统原理（二）

用一个创业故事串起操作系统原理（三）

用一个创业故事串起操作系统原理（四）

用一个创业故事串起操作系统原理（五）

上一篇，我们讲到，刘备三顾茅庐请来诸葛亮，从而战略，战术，政务全方位体系都建立了。

第八回：诸葛阵法复合多变，进程同步方法多样

自从诸葛亮当军师以来，排兵布阵便开始使用复合式战法，往往是多个将军带着多只部队配合作战。

诸葛亮排兵布阵风格一，可见于赤壁大战后对于华容道的安排。

孔明便与玄德、刘琦升帐坐定，谓赵云曰：“子龙可带三千军马，渡江径取乌林小路，拣树木芦苇密处埋伏。今夜四更已后，曹操必然从那条路奔走。等他军马过，就半中间放起火来。虽然不杀他尽绝，也杀一半。”云曰：“乌林有两条路：一条通南郡，一条取荆州。不知向那条路来？”孔明曰：“南郡势迫，曹操不敢往；必来荆州，然后大军投许昌而去。”云领计去了。又唤张飞曰：“翼德可领三千兵渡江，截断彝陵这条路，去葫芦谷口埋伏。曹操不敢走南彝陵，必望北彝陵去。来日雨过，必然来埋锅造饭。只看烟起，便就山边放起火来。虽然不捉得曹操，翼德这场功料也不小。”飞领计去了。

对于关羽，孔明曰：“昔日曹操待足下甚厚，足下当有以报之。今日操兵败，必走华容道；若令足下去时，必然放他过去。因此不敢教去。”云长曰：“愿依军法！”云长曰：“若曹操不从那条路上来，如何？”孔明曰：“我亦与你军令状。云长大喜。孔明曰：“云长可于华容小路高山之处，堆积柴草，放起一把火烟，引曹操来。”云长曰：“曹操望见烟，知有埋伏，如何肯来？”孔明笑曰：“岂不闻兵法虚虚实实之论？操虽能用兵，只此可以瞒过他也。他见烟起，将谓虚张声势，必然投这条路来。将军休得容情。”云长领了将令，引关平、周仓并五百校刀手，投华容道埋伏去了。

对于这次的排兵布阵，诸葛亮采用的是串联式，也即在敌人的必经之路上，依次埋伏将领，每个将领处理一批敌人，剩下的交给下一个环节。

在Linux里面，有一种类似的进程间通信机制，就是管道。

所谓的管道，就是在两个进程之间建立一条单向的通道，其实是一段缓存，它会将前一个命令的输出，作为后一个命令的输入。

管道的方式比较简单，缺点是必须事先全部安排好，如果有变动比较难灵活处理，需要依赖神机妙算，比如曹操如果没有按计划走华容道的话，也来不及通知关羽了。

军队之间通信的第二种方式就是靠人，也即靠信使。就是我们常听到的，报！！！大事不好！！！再探！！！

例如在夷陵之战的时候，信使将刘备联营七百里的图本传给诸葛亮看，可是已经晚了。所以这种方式的实时性也不好。

在Linux里面，和管道将信息一股脑儿地从一个进程，倒给另一个进程不同，消息队列有点儿像邮件，发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体，每个消息体都是固定大小的存储块，在字节流上不连续。

在Linux里面还有非常实时的一种模式，就是共享内存+信号量。

进程间通信的共享内存模型的原理是这样的。前面咱们讲内存管理的时候，知道每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，不同的进程的虚拟内存空间映射到不同的物理内存中去。这个进程访问A地址和另一个进程访问A地址，其实访问的是不同的物理内存地址，对于数据的增删查改互不影响。

 

但是，咱们是不是可以变通一下，拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去。

 

共享内存也有问题呀。如果两个进程使用同一个共享内存，大家都往里面写东西，很有可能就冲突了。例如两个进程都同时写一个地址，那先写的那个进程会发现内容被别人覆盖了。

 

当然，和共享内存配合的，有另一种保护机制，使得同一个共享的资源，同时只能被一个进程访问叫信号量。

 

信号量其实是一个计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

 

我们可以将信号量初始化为一个数值，来代表某种资源的总体数量。对于信号量来讲，会定义两种原子操作，一个是P操作，我们称为申请资源操作。这个操作会申请将信号量的数值减去N，表示这些数量被他申请使用了，其他人不能用了。另一个是V操作，我们称为归还资源操作，这个操作会申请将信号量加上M，表示这些数量已经还给信号量了，其他人可以使用了。

 

例如，你有100元钱，就可以将信号量设置为100。其中A向你借80元，就会调用P操作，申请减去80。如果同时B向你借50元，但是B的P操作比A晚，那就没有办法，只好等待A归还钱的时候，B的P操作才能成功。之后，A调用V操作，申请加上30元，也就是还给你30元，这个时候信号量有50元了，这时候B的P操作才能成功，才能借走这50元。

 

所谓原子操作（Atomic Operation），就是任何一块钱，都只能通过P操作借给一个人，不能同时借给两个人。也就是说，当A的P操作（借80）和B的P操作（借50），几乎同时到达的时候，不能因为大家都看到账户里有100就都成功，必须分个先来后到。

共享内存+信号量这种模式类似八门金锁阵，好处是配合紧密，不是和一个人战斗，而是和所有人。但是信号量的控制非常重要，要有个人站在高处控制，在极端场景下，信号量设计不好容易死锁。比如赵云破阵，如从东南角上生门击人，往正西景门而出，其阵必乱。

上面的这些机制，基本常规状态下的工作模式，如果发生了异常怎么办？例如出现线上系统故障，这个时候，什么流程都来不及了，不可能发邮件，也来不及开会，所有的架构师、开发、运维都要被通知紧急出动。所以，7乘24小时不间断执行的系统都需要有告警系统，一旦出事情，就要通知到人，哪怕是半夜，也要电话叫起来，处理故障。是不是应该还有一种异常情况下的工作模式。

当然应该有，我们可以建立像操作系统里面的信号机制。信号没有特别复杂的数据结构，就是用一个代号一样的数字。Linux提供了几十种信号，分别代表不同的意义。信号之间依靠它们的值来区分。这就像咱们看警匪片，对于紧急的行动，都是说，‘1号作战任务’开始执行，警察就开始行动了。情况紧急，不能啰里啰嗦了。

 

信号可以在任何时候发送给某一进程，进程需要为这个信号配置信号处理函数。当某个信号发生的时候，就默认执行这个函数就可以了。这就相当于咱们运维一个系统应急手册，当遇到什么情况，做什么事情，都事先准备好，出了事情照着做就可以了。

这种信号模式，诸葛亮经常使用，例如火烧博望坡的时候，诸葛亮是这样布置的。孔明令曰：“博望之左有山，名曰豫山；右有林，名曰安林：可以埋伏军马。云长可引一千军往豫山埋伏，等彼军至，放过休敌；其辎重粮草，必在后面，但看南面火起，可纵兵出击，就焚其粮草。翼德可引一千军去安林背后山谷中埋伏，只看南面火起，便可出，向博望城旧屯粮草处纵火烧之。关平、刘封可引五百军，预备引火之物，于博望坡后两边等候，至初更兵到，便可放火矣。”又命：“于樊城取回赵云，令为前部，不要赢，只要输，主公自引一军为后援。各须依计而行，勿使有失。”

第九回：孙刘联盟赤壁破曹，网络通信多机合作

诸葛亮辅佐刘备打了几个胜仗，但是曹操实力太强，还是敌不过，终要按照隆中对中计划的一样，和孙权联合攻抗曹操。

但是两个集团的合作能否成功呢？这依赖于双方的合作协议是如何谈的。

在Linux里面，服务器之间的协作要靠网络协议。

这其实就像机器与机器之间合作，一台机器将自己想要表达的内容，按照某种约定好的格式发送出去。当另外一台机器收到这些信息后，也能够按照约定好的格式解析出来，从而准确、可靠地获得发送方想要表达的内容。这种约定好的格式就是网络协议。

 

现在业内知名的有两种网络协议模型，一种是OSI的标准七层模型，一种是业界标准的TCP/IP模型。它们的对应关系如下图所示：

下面我们来解析一下网络协议。

我们先从第三层网络层开始，因为这一层有我们熟悉的IP地址，所以这一层我们也叫IP层。

 

连接到网络上的每一个设备都至少有一个IP地址，用于定位这个设备。无论是近在咫尺的、你旁边同学的电脑，还是远在天边的电商网站，都可以通过IP地址进行定位。因此，IP地址类似互联网上的邮寄地址，是有全局定位功能的。

 

就算你要访问美国的一个地址，也可以从你身边的网络出发，通过不断地打听道儿，经过多个网络，终到达目的地址，和快递员送包裹的过程差不多。打听道儿的协议也在第三层，我们称为路由协议。将网络包从一个网络转发给另一个网络的设备，我们称为路由器。

 

总而言之，第三层干的事情，就是网络包从一个起始的IP地址，沿着路由协议指的道儿，经过多个网络，通过多次路由器转发，到达目标IP地址。

IP层是网络协议里面的核心层，承上启下。

对于刘备集团和孙权集团来讲，首先双方建立联系的，就是诸葛亮和鲁肃。这两个人都是双方中流砥柱的人才，也是制定战略的人才。就像两台机器要通信事先双方知道对方的IP地址一样，诸葛亮和鲁肃互相闻名已久。

鲁子敬愿亲到江夏，搬请诸葛亮共议破曹大计。孙权因刘备两次打败曹操，急于摸清曹军兵力，同意鲁肃去江夏探听虚实。诸葛亮于是决定只身入吴，要凭三寸不烂之舌，去说孙、曹两家互相吞并。

从第三层，我们往下看。第二层是数据链路层。有时候我们简称为二层或者MAC层。所谓MAC，就是每个网卡都有的的硬件地址（不，相对大概率即可，类比UUID）。这虽然也是一个地址，但是这个地址是没有全局定位功能的。

 

就像给你送外卖的小哥，不可能根据手机尾号找到你家，但是手机尾号有本地定位功能的，只不过这个定位主要靠“吼“。外卖小哥到了你的楼层就开始大喊：“尾号xxxx的，你外卖到了！“

 

MAC地址的定位功能局限在一个网络里面，也即同一个网络号下的IP地址之间，可以通过MAC进行定位和通信。从IP地址获取MAC地址要通过ARP协议，是通过在本地发送广播包，也就是“吼“，获得的MAC地址。

 

由于同一个网络内的机器数量有限，通过MAC地址的好处就是简单。匹配上MAC地址就接收，匹配不上就不接收，没有什么所谓路由协议这样复杂的协议。当然坏处就是，MAC地址的作用范围不能出本地网络，所以一旦跨网络通信，虽然IP地址保持不变，但是MAC地址每经过一个路由器就要换一次。

 

所以第二层干的事情，就是网络包在本地网络中的服务器之间定位及通信的机制。

我们再往下看层，物理层。这一层就是物理设备。例如，连着电脑的网线，我们能连上的WiFi。

鲁肃和诸葛亮各管各的属下，这不消说。到了东吴的地盘，诸葛亮也是一切听鲁肃安排，因为江东的地理，人物，政治，权力格局，也是只有鲁肃清楚的。

到了东吴，诸葛亮也是遍访东吴人物，摸清各自主战主和，终敲定关键要劝说的人物——周瑜。这就相当于ARP通过广播获取目标MAC了。

从第三层往上看，第四层是传输层，这里面有两个的协议，TCP和UDP。尤其是TCP，更是广泛使用，在IP层的代码逻辑中，仅仅负责数据从一个IP地址发送给另一个IP地址，丢包、乱序、重传、拥塞，这些IP层都不管。处理这些问题的代码逻辑写在了传输层的TCP协议里面。

 

我们常说，TCP是可靠传输协议，也是难为它了。因为从层到第三层都不可靠，网络包说丢就丢，是TCP这一层通过各种编号、重传等机制，让本来不可靠的网络对于更上层来讲，变得“看起来”可靠。哪有什么应用层的岁月静好，只不过是TCP层在负重前行。

对于东吴来讲，两个比鲁肃更加重要的两个人物，就是张昭和周瑜，这两个一个主战，主张和刘备达成协作，是周瑜，是TCP，也即定向建立连接，一个主和，主张投降曹操，是张昭，是UDP，也即和谁通信都行。

接下来，诸葛亮要和周瑜建立TCP连接了，也即三次握手，智激周瑜。

传输层再往上就是应用层，例如，咱们在浏览器里面输入的HTTP，Java服务端写的Servlet，都是这一层的。

孙权就是应用层了。

 

二层到四层都是在Linux内核里面处理的，应用层例如浏览器、Nginx、Tomcat都是用户态的。内核里面对于网络包的处理是不区分应用的。

 

从四层再往上，就需要区分网络包发给哪个应用。在传输层的TCP和UDP协议里面，都有端口的概念，不同的应用监听不同的端口。例如，服务端Nginx监听80、Tomcat监听8080；再如客户端浏览器监听一个随机端口，FTP客户端监听另外一个随机端口。

 

应用层和内核互通的机制，就是通过Socket系统调用。所以经常有人会问，Socket属于哪一层，其实它哪一层都不属于，它属于操作系统的概念，而非网络协议分层的概念。

 

操作系统对于网络协议的实现模式是这样的：二到四层的处理代码在内核里面，七层的处理代码让应用自己去做。两者需要跨内核态和用户态通信，就需要一个系统调用完成这个衔接，这就是Socket。

 

如果公司想要和其他公司沟通，我们将请求封装为HTTP协议，通过Socket发送到内核。内核的网络协议栈里面，在TCP层创建用于维护连接、序列号、重传、拥塞控制的数据结构，将HTTP包加上TCP头，发送给IP层，IP层加上IP头，发送给MAC层，MAC层加上MAC头，从硬件网卡发出去。

 

终网络包会被转发到目标服务器，它发现MAC地址匹配，就将MAC头取下来，交给上一层。IP层发现IP地址匹配，将IP头取下来，交给上一层。TCP层会根据TCP头中的序列号等信息，发现它是一个正确的网络包，就会将网络包缓存起来，等待应用层的读取。

 

应用层通过Socket监听某个端口，因而读取的时候，内核会根据TCP头中的端口号，将网络包发给相应的应用。

第十回：赤壁大胜又得荆益，设备众多统一管理

联合了孙权之后，果真赤壁大胜曹操，诸葛亮趁机占领了荆州，并以荆州为根基，进一步占领了益州，隆中对中的计划算是完成了一半。

还记得隆中对怎么说的嘛？

若跨有荆、益，保其岩阻，西和诸戎，南抚夷越，外结好孙权，内修政理；天下有变，则命一上将将荆州之军以向宛、洛，将军身率益州之众出于秦川，百姓孰敢不箪食壶浆，以迎将军者乎？诚如是，则霸业可成，汉室可兴矣。

现在“跨有荆、益，保其岩阻”问题解决了，接下来就是“西和诸戎，南抚夷越，外结好孙权，内修政理”，由于刘备算是从夹缝里面打出一片自己的天下，所以导致面临的环境比较复杂，周围各个方面的关系都要照顾好。

这有点像一家公司要做To B的生意，发现客户多种多样，众口难调，不同的地域不一样，不同的行业不一样。如果你不懂某个地方的规矩，根本卖不出去东西；如果你不懂某个具体行业的使用场景，也无法满足客户的需求。怎么办呢？一般公司采取的策略就是建立生态，设置很多代理商，让各个地区和各个行业的代理商帮你屏蔽这些差异化。你和代理商之间只要进行简单的标准产品交付就可以了。

诸葛亮自有一套自己的办法，从他七擒孟获就可以看出来。

作为Linux操作系统，需要管理的设备也是复杂多样的。我们能举出来的，例如键盘、鼠标、显示器、网卡、硬盘、打印机、CD/DVD等等，多种多样。这样，当然方便用户使用了，但是对于操作系统来讲，却是一件复杂的事情，因为这么多设备，形状、用法、功能都不一样，怎么才能统一管理起来呢？我们一层一层来看。

 

层，用设备控制器屏蔽设备差异。

 

CPU并不直接和设备打交道，他们中间有一个叫作设备控制器（Device Control Unit）的组件。例如，硬盘有磁盘控制器、USB有USB控制器、显示器有视频控制器等。这些控制器就像代理商一样，他们知道如何应对硬盘、鼠标、键盘、显示器的行为。

 

你的代理商往往是小公司。控制器其实有点儿像一台小电脑。他有他的芯片，类似小CPU，执行自己的逻辑。他也有他的寄存器。这样CPU就可以通过写这些寄存器，对控制器下发指令，通过读这些寄存器，查看控制器对于设备的操作状态。

 

CPU对于寄存器的读写，可比直接控制硬件，要标准和轻松很多。这就相当于你和代理商的标准产品交付。

 

第二层，用驱动程序屏蔽设备控制器差异。

 

虽然代理商机制能够帮我们屏蔽很多设备的细节，但是从上面的描述我们可以看出，由于每种设备的控制器的寄存器、缓冲区等使用模式，指令都不同。对于咱们公司来讲，就需要有个部门专门对接代理商，向其他部门屏蔽代理商的差异，成立公司的渠道管理部门。

 

那对于操作系统来讲，渠道管理部门就是用来对接各个设备控制器的设备驱动程序。

 

这里需要注意的是，设备控制器不属于操作系统的一部分，但是设备驱动程序属于操作系统的一部分。操作系统的内核代码可以像调用本地代码一样调用驱动程序的代码，而驱动程序的代码需要发出特殊的面向设备控制器的指令，才能操作设备控制器。

 

设备驱动程序中是一些面向特殊设备控制器的代码。不同的设备不同。但是对于操作系统其他部分的代码而言，设备驱动程序应该有统一的接口。就像下面图中的一样，不同的设备驱动程序，可以以同样的方式接入操作系统，而操作系统的其他部分的代码，也可以无视不同设备的区别，以同样的接口调用设备驱动程序。

 

 

第三，用中断控制器统一外部事件处理。

 

马哥听了恍然大悟：“原来代理商也是五花八门，里面有这么多门道啊！”

 

鲁肃说：“当咱们对接的代理商多了，代理商可能会有各种各样的问题找到我们，例如代理商有了新客户，客户有了新需求，客户交付完毕等事件，都需要有一种机制通知你们公司，这种通知机制就是中断，那操作系统就需要有一个地方处理这个中断，既然设备驱动程序是用来对接设备控制器的，中断处理也应该在设备驱动里面完成。

 

然而，中断的触发终会到达CPU，会中断操作系统当前运行的程序，所以操作系统也要有一个统一的流程来处理中断，使得不同设备的中断使用统一的流程。

 

一般的流程是，一个设备驱动程序初始化的时候，要先注册一个该设备的中断处理函数。咱们讲进程切换的时候说过，中断返回的那一刻是进程切换的时机。中断的时候，触发的函数是do_IRQ。这个函数是中断处理的统一入口。在这个函数里面，我们可以找到设备驱动程序注册的中断处理函数Handler，然后执行他进行中断处理。

第四，用文件系统接口屏蔽驱动程序的差异。

 

对接了这么多代理商，如果咱们内部的工程师要和他们打交道，有没有一种统一的方式呢？当然应该了，我们内部员工操作外部设备，可以基于文件系统的接口，制定一个统一的标准。

 

其实文件系统的机制是一个非常好的机制，咱们公司应该定下这样的规则，一切皆文件。

 

所有设备都在/dev/文件夹下面，创建一个特殊的设备文件。这个设备特殊文件也有inode，但是他不关联到硬盘或任何其他存储介质上的数据，而是建立了与某个设备驱动程序的连接。

 

有了文件系统接口之后，我们不但可以通过文件系统的命令行操作设备，也可以通过程序，调用read、write函数，像读写文件一样操作设备。

 

对于块设备来讲，在驱动程序之上，文件系统之下，还需要一层通用设备层。比如，咱们讲的文件系统，里面的逻辑和磁盘设备没有什么关系，可以说是通用的逻辑。在写文件的底层，我们看到了BIO字眼的函数，但是好像和设备驱动也没有什么关系。

 

是的，因为块设备类型非常多，而Linux操作系统里面一切是文件。我们也不想文件系统以下，就直接对接各种各样的块设备驱动程序，这样会使得文件系统的复杂度非常高。所以，我们在中间加了一层通用块层，将与块设备相关的通用逻辑放在这一层，维护与设备无关的块的大小，然后通用块层下面对接各种各样的驱动程序。

第十一回：巧取汉中刘备称王，虚拟化后更加灵活

公元209年，“刘备”夺取“荆南四郡”，再到214年拿下益州，219年将曹操打败夺取汉中，从此蜀国进入为鼎盛的时期。

建安二十四年（公元219年）秋，刘备在诸葛亮和文臣武将的推尊之下，于沔阳登坛受贺，晋位汉中王。并立公子刘禅为王世子。封诸葛亮为军师，总理军国重事。封关羽、张飞、赵云、马超、黄忠为五虎大将。

看似一帆风顺的刘备集团，也暗藏危机。因为刘备创业可谓南征北战，跑遍整个中国，所以蜀汉集团成分也比较复杂。

派：元老派，主要人员：关羽、张飞、赵云、孙乾、简雍、糜氏兄弟。特点：这是刘备信任的一个派系，早期就跟随刘备东奔西跑、颠簸流离，不论遇到什么困难都不离不弃。他们来自北方各地，是蜀汉政权的元老勋臣。

第二派：荆州派，主要人员：诸葛亮、黄忠、魏延、蒋琬，费祎、马氏兄弟。特点：这是刘备在荆州时招揽的一批人，特别是刘表去世后，许多荆州氏族加入刘备阵营，这些人组成蜀汉政权的荆州派系。这个派系以诸葛亮为首，文武均衡，掌握着蜀汉政权的核心力量，甚至可以说，荆州派系支撑着蜀汉运行。

第三派：东州派，主要人员：法正、李严、许靖、董和、孟达、董允。特点：这是刘焉入蜀时带去益州的一批人，同时刘焉还把南阳、三辅一带数万户入蜀的流民收编为“东州兵”。因为有较强的军事力量，东州派在蜀汉的地位全面压制益州派，他们成为蜀汉政权的中层权力掌握者。

第四派：益州派，主要人员：黄权、李恢、马忠、谯周、王平。特点：这些人是益州本土豪族，是益州真正的主人。然而，因为蛋糕有限，益州派成为打压的对象，特别是失去荆州后，矛盾更加严重。虽然这个派系处于底层，但是强龙不压地头蛇，没有人敢轻视他们的力量。

应该如何管理这么复杂的一个体系呢？当然是要发挥各自的作用，每个派系找个代表人物了。

这在司马懿五路伐蜀的时候，诸葛亮的应对可以看出来。

老臣先知西番国王轲比能引兵犯西平关。臣料马超积祖西川人氏，素得羌人之心，羌人以超为神威天将军。臣已先遣一人星夜驰檄，令马超紧守西平关，伏四路奇兵，每日交换，以兵拒之。此一路不必忧矣。

又南蛮孟获兵犯四郡，臣亦飞檄遣魏延领一军左出右入，右出左入，为疑兵之计。蛮兵惟凭勇力，其心多疑，若见疑兵，必不敢进。此一路又不足忧矣。

又知孟达引兵出汉中。达与李严曾结生死之交，臣回成都时，留李严守永安宫。臣已作一书，只做李严亲笔，令人送与孟达。达必然推病不出，以慢军心。此一路又不足忧矣。

又知曹真引兵犯阳平关。此地险峻，可以保守。臣已调赵云引一军守把关隘，并不出战。曹真若见我军不出，不久自退矣。

只有东吴这一路兵，未必便动：如见四路兵胜，川中危急，必来相攻；若四路不济，安肯动乎？臣料孙权想曹丕三路侵吴之怨，必不肯从其言。虽然如此，须用一舌辩之士，径往东吴，以利害说之，则先退东吴，其四路之兵何足忧乎？邓芝陈说吴、蜀、魏三国之势，论证吴蜀联合之利、吴魏联合之弊。孙权从其言，决心与蜀结盟抗魏并遣使张温入蜀答礼。

蜀国其实就是得了大公司病——不灵活。

 

这里面的不灵活，就像Linux服务器，越来越强大的时候，无论是计算、网络、存储，都越来越牛。例如，内存动不动就是百G内存，网络设备一个端口的带宽就能有几十G甚至上百G。存储在数据中心至少是PB级别的，自然也有不灵活的毛病。

 

资源大小不灵活：有时候我们不需要这么大规格的机器，可能只想尝试一下某些新业务，申请个4核8G的服务器试一下，但是不可能采购这么小规格的机器。无论每个项目需要多大规格的机器，公司统一采购就限制几种，全部是上面那种大规格的。

 

资源申请不灵活：规格定死就定死吧，可是每次申请机器都要重新采购，周期很长。

 

资源复用不灵活：反正我需要的资源不多，和别人共享一台机器吧，这样不同的进程可能会产生冲突，例如socket的端口冲突。另外就是别人用过的机器，不知道上面做过哪些操作，有很多的历史包袱，如果重新安装则代价太大。

 

按说，大事情流程严禁没问题，很多小事情也要被拖累走整个流程，而且很容易出现资源冲突，每天跨部门的协调很累人，历史包袱严重，创新没有办法轻装上阵。

 

很多公司处理这种问题采取的策略是成立独立的子公司，独立决策，独立运营。这种办法往往会用在创新型的项目上。

 

Linux也采取了这样的手段，就是在物理机上面创建虚拟机。每个虚拟机有自己单独的操作系统、灵活的规格，一个命令就能启动起来。每次创建都是新的操作系统，很好地解决了上面不灵活的问题。

 

在物理机上的操作系统看来，虚拟机是一个普通的应用，他和Excel一样，只能运行在用户态。但是对于虚拟机里面的操作系统内核来讲，运行在内核态，应该有高的权限。

 

要做到这件事情，种方式，完全虚拟化。其实说白了，这是一种“骗人”的方式。虚拟化软件会模拟假的CPU、内存、网络、硬盘给到虚拟机，让虚拟机里面的内核自我感觉良好，感觉他终于又像个内核了。在Linux上，一个叫作qemu的工具可以做到这一点。

 

qemu向虚拟机里面的客户机操作系统模拟CPU和其他的硬件，骗客户机，GuestOS认为自己和硬件直接打交道，其实是同qemu模拟出来的硬件打交道，qemu会将这些指令转译给真正的硬件。由于所有的指令都要从qemu里面过一手，因而性能就会比较差。

 

第二种方式，硬件辅助虚拟化。可以使用硬件CPU的Intel-VT和AMD-V技术，需要CPU硬件开启这个标志位（一般在BIOS里面设置）。当确认开始了标志位之后，通过内核模块KVM，GuestOS的CPU指令将不用经过Qemu转译，直接运行，大大提高了速度。qemu和KVM融合以后，就是qemu-kvm。

 

第三种方式称为半虚拟化。对于网络或者硬盘的访问，我们让虚拟机内核加载特殊的驱动，重新定位自己的身份。虚拟机操作系统的内核知道自己不是物理机内核，没那么高的权限。他很可能要和很多虚拟机共享物理资源，所以学会了排队。虚拟机写硬盘其实写的是一个物理机上的文件，那我的写文件的缓存方式是不是可以变一下。我发送网络包，根本就不是发给真正的网络设备，而是给虚拟的设备，我可不可以直接在内存里面拷贝给它，等等等等。

 

网络半虚拟化方式是virtio_net，存储是virtio_blk。客户机需要安装这些半虚拟化驱动。客户机内核知道自己是虚拟机，所以会直接把数据发送给半虚拟化设备，然后经过特殊处理（例如排队、缓存、批量处理等性能优化方式），终发送给真正的硬件。这在一定程度上提高了性能。

第十二回：夷陵大败刘备托孤，数据中心操作系统

然而刘备的全盛时期持续太短了，并没有像诸葛亮规划的一样，等到了统一的时机。

随着关羽走麦城失荆州，刘备兴兵伐吴兵败夷陵，创业未半而中道崩出。后来，诸葛亮规划的隆中对中局势已经不存在，为了不负先帝托付，诸葛亮六出祁山，姜维九伐中原，终不能成功。

诸葛亮规划的一统江山，也只有五丈原临终的梦中实现了。

不过，我们的操作系统故事还需要写下去。

对于单台Linux服务器，重要的四种硬件资源是CPU、内存、存储和网络。面对整个数据中心成千上万台机器，我们只要重点关注这四种硬件资源就可以了。如果运维数据中心依然像的运维一台台物理机的前辈一样，天天关心哪个程序放在了哪台机器上，使用多少内存、多少硬盘，每台机器总共有多少内存、多少硬盘，还剩多少内存和硬盘，那头就大了。

 

对于数据中心，我们需要一个调度器，将运维人员从指定物理机或者虚拟机的痛苦中解放出来，实现对于物理资源的统一管理，这就是Kubernetes，也就是数据中心的操作系统。

对于CPU和内存这两种计算资源的管理，我们可以通过Docker技术完成。

 

容器实现封闭的环境主要要靠两种技术，一种是看起来是隔离的技术，称为namespace。在每个namespace中的应用看到的，都是不同的 IP地址、用户空间、进程ID等。另一种是用起来是隔离的技术，称为cgroup，即明明整台机器有很多的 CPU、内存，但是一个应用只能用其中的一部分。

 

另外，容器里还有镜像。也就是说，在你焊好集装箱的那一刻，将集装箱的状态保存下来的样子。就像孙悟空说“定！”，集装箱里的状态就被“定”在了那一刻。然后，这一刻的状态会被保存成一系列文件。无论在哪里运行这个镜像，都能完整地还原当时的情况。

 

通过容器，我们可以将CPU和内存资源，从大的资源池里面隔离出来，并通过镜像技术，在数据中心里面实现计算资源的自由漂移。

 

没有操作系统的时候，汇编程序员需要指定程序运行的CPU和内存物理地址。同理，数据中心的管理员，原来也需要指定程序运行的服务器以及使用的CPU和内存。现在，Kubernetes里面有一个调度器Scheduler，你只需要告诉它，你想运行10个4核8G的Java程序，它会自动帮你选择空闲的、有足够资源的服务器，去运行这些程序。

 

对于存储，无论是分布式文件系统和分布式块存储，需要对接到Kubernetes，让Kubernetes管理它们。如何对接呢？Kubernetes会提供CSI接口。这是一个标准接口，不同的存储可以实现这个接口来对接Kubernetes。是不是特别像设备驱动程序呀？操作系统只要定义统一的接口，不同的存储设备的驱动实现这些接口，就能被操作系统使用了。

 

对于网络，也是类似的机制，Kubernetes同样是提供统一的接口CNI。无论你用哪种方式实现网络模型，只要对接这个统一的接口，Kubernetes就可以管理容器的网络。

至此，整个操作系统的机制就讲完了，如果您想了解细节，可以订购下面的课程。