我们先不谈“操作系统有哪些功能”。今天只追一件事：在终端输入 ./hello，直到屏幕出现一行字，中间发生了什么？

这个过程会碰到操作系统最重要的几个概念：进程、内存、系统调用和 CPU 调度。把它看明白，后面的文章才有地方落脚。

本文的命令在 Linux 或 WSL 中运行。

先准备一个很小的程序

把下面的代码保存为 hello.c：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    printf("我的进程号是 %ld\n", (long)getpid());
    fflush(stdout);
    sleep(10);
    puts("程序结束");
    return 0;
}

编译并运行：

gcc -o hello hello.c
./hello

它先打印进程号，等十秒，再打印“程序结束”。代码很短，但从输入命令到程序退出，电脑已经做了不少事。

第一步：终端里的命令，由 Shell 接收

终端是显示文字和接收输入的窗口；读懂 ./hello 这条命令的是 Shell，例如 Bash。

./hello 表示“运行当前目录下名为 hello 的文件”。Shell 首先得找到它，并确认它可以执行。随后，在通常情况下，Shell 会启动一个子进程，让子进程运行 hello，自己则等待它结束。

这里要分清两个动作：

• 创建进程：出现一个新的运行单位。
• 运行另一个程序：把这个进程原本要执行的程序换成 hello。

在 Linux 中，Shell 通常通过 fork 创建子进程，再由子进程调用 execve 加载新程序。execve 本身不会再创建一个进程：它更像是让已有的进程换一套程序代码和数据。我们明天会专门写代码验证这件事。

第二步：磁盘上的文件，变成内存中的进程

编译后的 hello 是磁盘上的一个可执行文件。只要不运行，它就只是文件，不会自己占用 CPU。

运行时，操作系统读取可执行文件中的信息，知道程序代码和数据应该怎样放进进程的地址空间，还会准备命令行参数、环境变量等内容。如果程序使用了共享库，动态加载器还需要把相关的库加载进来。准备完成后，程序才会运行到我们写的 main 函数。

所以，程序和进程不是一回事：

程序是存放在磁盘上的代码和数据；进程是程序的一次运行。

同一个 hello 文件可以运行两次，产生两个进程。它们执行同一份程序，却有不同的进程号，也各自拥有运行时的数据。

操作系统还会给进程安排自己的虚拟地址空间。程序使用内存地址时，看到的是这套属于自己的地址；地址怎样对应到实际内存，由操作系统和硬件共同处理。这也是两个程序通常不会因为使用了相同的地址数字，就改到对方数据的原因。

第三步：printf 为什么能把字显示出来？

运行进入 main 后，程序执行：

printf("我的进程号是 %ld\n", (long)getpid());

printf 是 C 标准库提供的函数。它负责把数字等内容整理成要输出的字符，但把字符送到终端，需要操作系统帮忙。代码里的 fflush(stdout) 让缓冲区中的文字立刻写出；最终可以看到类似 write 这样的系统调用。

系统调用，是程序向操作系统内核请求服务的入口。程序大部分时间运行在用户态；执行系统调用时，CPU 转入内核态，由内核处理请求，然后再返回程序。

为什么要绕这一步？因为普通程序不能随意控制设备，也不能想读哪块内存就读哪块。程序提出请求，内核检查并处理，才能让多个程序在同一台电脑上有序运行。

有个容易误解的地方：**操作系统并不是逐行代替程序执行代码。**像计算 1 + 1 这样的普通指令，CPU 可以直接执行。程序需要读文件、输出内容，或者等待某个事件时，才会通过相应机制与内核打交道。

第四步：等待十秒时，CPU 在干什么？

hello 接下来调用 sleep(10)。它要等十秒，但没有必要霸占 CPU，自己反复查看时间到了没有。

操作系统可以让这个进程暂时处于等待状态，把 CPU 留给浏览器、编辑器或其他任务。时间到了，再让它获得运行机会，继续执行 puts("程序结束")。

这就引出了调度：当多个任务都想运行时，操作系统要决定谁在什么时候使用 CPU。我们在第 3 天细讲。

最后，main 返回，进程结束。操作系统回收它占用的资源，并让等待它的 Shell 得知执行结果。Shell 随后重新显示命令提示符，准备接收下一条命令。

用两个命令亲眼看看

先观察程序向内核发出的部分请求：

strace -e trace=execve,openat,mmap,write ./hello

输出会因系统而异，但可以留意这几种调用：

• execve：开始执行 hello。
• openat、mmap：启动过程中打开、映射程序需要的内容，例如共享库。
• write：把准备好的文字写到终端。

strace 展示的是系统调用，不是程序执行的每一行代码。因此，你能看到一次 write，却不会在输出里找到 main 中每一步计算。

还可以趁程序等待的十秒，看看它的地址空间。在一个终端运行 ./hello，记下打印的进程号；在另一个终端运行：

cat /proc/进程号/maps

把“进程号”换成实际数字。输出中能找到程序本身、共享库、栈等映射区域。这里显示的是虚拟地址空间的布局，不是“这段程序已占用了同样大小的物理内存”。

如果不熟悉这些输出，今天只需确认两件事：程序启动时确实会向内核请求服务；运行中的进程也确实有自己的地址空间。每一行输出的含义，后面讲内存和文件时再拆开。

把全过程连起来

输入 ./hello
    ↓
Shell 找到文件，启动子进程
    ↓
子进程加载 hello，准备地址空间
    ↓
程序进入 main
    ↓
通过系统调用输出文字
    ↓
等待十秒，其间 CPU 可以运行其他任务
    ↓
程序退出，Shell 重新接收命令

现在再看“操作系统管什么”，答案就具体多了：它让磁盘上的程序能够运行，给进程提供地址空间，为程序处理输出请求，并安排等待中的任务何时继续运行。

明天我们抓住其中最容易混淆的一步：Shell 创建子进程后，子进程是怎样变成另一个程序的？