从操作系统到 BIOS：运行环境原来这么复杂

从操作系统到 BIOS：运行环境原来这么复杂

运行环境是什么

首先,先知道一个概念: 运行环境 = 操作系统 + 硬件

那么,先提出一个问题:你写了一个程序,为什么它不能在任何地方运行

程序运行需要 操作系统 和 硬件 同时满足条件

一个比喻

想象一个场景:

• 程序 是一道菜
• CPU 是厨师
• 操作系统是厨房

目标: 把这道菜放进去烤箱烤10分钟

场景一: 厨房有烤箱 -> 顺利执行

场景二: 厨房没有烤箱,只有高压锅 -> 出现问题 -> 无法执行

1. 这套设备根本不支持“烤箱”这一类做法(可以类比成底层硬件或CPU架构不兼容)
2. “烤”这个操作根本没有（也可以类比成操作系统没有提供对应的API）

那么这个问题会出现什么后果?

写一个软件,要针对每种平台都写一遍,开发成本极高

如何解决这个问题

1. window：屏蔽 CPU 之外的硬件差异

核心概念:不让程序直接去操作硬件,否则必须为每一种硬件组合写不同的代码

解法逻辑:

程序(只调用 windows api) -> windows 系统调用层 -> 驱动程序层 -> 实际硬件

windows 系统调用层:所有程序看到的接口都一样

驱动程序层(NVIDIA驱动 AMD驱动):通常由硬件厂商提供,对上统一接口

实际硬件:如显卡 声卡 网卡

windows 就像翻译官，程序说要 “播放声音”，windows就把这句话翻译成不同硬件能够理解的方式，再交给下面的驱动程序层

2. Linux：源代码分发

我们先来看一个问题，windows 确实在很大程度上解决了 “同一 OS 下的硬件差异”，但 OS 本身之间的差异 仍然存在

比如：Windows 和 Linux

目标:打开一个文件

Windows：
    HANDLE h = CreateFile("data.txt", GENERIC_READ, ...);

Linux：
    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);

可以看出，即使 CPU 相同，程序也不一定能在不同的 OS 下直接运行，因为它依赖的系统调用接口、可执行文件格式、运行时环境都可能不同

那么 运行环境变得更清晰了

运行环境 = CPU 架构 + 操作系统

那在 Linux 生态里，一种很常见的解决办法是什么？就是 源代码分发

不分发编译好的程序,直接分发源代码,让用户在自己的机器上编译

• 传统方式 [x86 + linux] -> x.exe -> [arm + linux] 无法运行
• linux方式 .c -> [ARM/x86 + linux / windows] 本地编译器 -> 生成本机可执行文件
• 优点：自动适配本机 CPU 和 OS，兼容性高
• 缺点：用户需要使用编译器，使用程序门槛变高

Java 虚拟机

这种方式不太好，使用门槛变高，会变相地流失很多用户，那么 Java 虚拟机就出现了

Java 虚拟机：一次编写，处处运行

它的做法是这样的:创造一个 "中间层",再由中间层去适配各种环境

这和上面的 windows 做法有点像，本质上也是在程序和真实运行环境之间再加一层适配。不过这里适配的对象,已经不只是同一 OS 下的硬件差异,而是更广义的平台差异

传统编译: 源代码 -> 编译器 -> x86机器码 / ARM机器码

java:    源代码 -> java编译器 -> 字节码 -> 不同平台上的 JVM 执行

1. 字节码：不是任何真实 CPU 的机器语言，它是专门为 JVM 设计的“虚拟 CPU 的指令集”
2. JVM（Java 虚拟机，Java VM）：也叫Java虚拟机，它负责在不同平台上执行 Java 字节码，并把这些字节码转换成当前机器能够运行的形式

这么说有点抽象,

• 字节码: 就像"普通话"
• CPU: 对应的 "各个方言"
• JVM:则对应能够听懂普通话的人,然后再把普通话翻译成 CPU 能够听懂的方言 在执行

那代价就是,会多一层运行时开销

原本执行机器码的流程:CPU → 指令 → 执行

JVM执行字节码:CPU → JVM处理字节码 → 转成当前平台可执行的形式 → 执行

云计算

云计算:按需租用运行环境

核心概念：不只是搬程序,而是把“运行环境”本身也变成一种可以出租的服务

可分为:SaaS、PaaS、IaaS

• SaaS（Software as a Service，软件即服务） 你直接用软件，什么都不用管
• PaaS（Platform as a Service，平台即服务） 提供操作系统和运行时，你只管部署代码
• IaaS（Infrastructure as a Service，基础设施即服务） 提供虚拟机（CPU + 内存 + 硬盘），你自己装操作系统和软件

SaaS就像是去饭店吃饭。PaaS是在厨房，工具给你配好了。IaaS则更像是只给你厨房场地和基础设施，剩下很多东西都要自己来配

系统是怎么启动的

最后，还有个最根本的问题：电脑刚通电，操作系统还没有加载到内存中来，谁来启动系统？

这有点像“先有鸡还是先有蛋”的问题

没有运行操作系统我怎么写进内存?操作系统没在内存我怎么运行?

这时，BIOS 就出现了。这里可以先把它理解成机器通电后最先运行的一小段固化程序。

它是这样做的

1. 自检硬件：检查CPU、内存、硬盘是否正常
2. 找到启动设备(一般是硬盘,也有u盘)
3. 读取启动设备上的引导信息(在传统 BIOS 场景下,常常会从磁盘前面的启动区域开始读取)

引导并装入程序(Bootloader):比如 windows Boot Manager 这一类启动程序

1. 被 BIOS 加载到内存中
2. 找到操作系统的内核文件
3. 把操作系统加载进内存 (先有鸡还是先有蛋的问题解决了)

这个过程被叫做 自举（Bootstrap）:用一个小程序拉起一个更大的程序,一次又一次,最终把操作系统拉起来

打个比方:就像学习,你不会一上来就什么都会,而是有许许多多的基础知识,来理解更高级的知识

总结

最后收一下,如果只用一句话去理解 运行环境,那就是: 程序不是写完就能跑,而是要放到一个合适的环境里,它才能真正跑起来。

这个环境不只是电脑这么简单,它背后还包括 CPU 架构、操作系统、驱动、运行时,甚至平台本身提供的接口。前面讲 Windows、Linux、JVM,本质上都在解决同一个问题: 怎么让程序和运行环境对得上。

所以理解运行环境,其实就是在理解一件事: 写程序不能只盯着代码本身,还要看它最后是在哪跑、靠什么跑、换个地方还能不能跑。而最后讲到 BIOS、Bootloader 和 Bootstrap,其实又把这个问题往前推了一步: 不只是程序要有运行环境,连操作系统自己,也得先被一步一步拉起来,才能让后面的东西开始运行。