在像JVM和CLR這樣的虛擬機上，是否有類似於提供編程API的操作系統？

Question

JVM和CLR是虛擬機。與裸機計算機機器類似，它們提供虛擬機器語言。

在真正的計算機上，我們有操作系統，它們提供系統調用和API。例如，着名的高級編程Unix環境描述了Unix和Linux提供的API。但是，Windows提供了不同的API。

像JVM和CLR虛擬機的頂部，有一些東西，

• 扮演着操作系統的角色，並

• 提供編程API？

如果沒有什麼玩像JVM和CLR虛擬機操作系統的角色，什麼提供的編程API（如那些用Java，C＃，...）類似的OS API？

注意：我正在詢問有關虛擬機的信息，而不是其中的底層。虛擬機不在其上運行一些虛擬操作系統嗎？如果沒有，爲什麼沒有這樣的需求？

謝謝。

Answer 1

「操作系統」是一個很大的模糊的毛髮球。你有hal，kernel，userspace ......我們是否也計算一些用戶空間庫（通常是libc）呢？

通過眯眼，您可以在JVM/JRE中找到一些可比較的概念，但通常JVM運行在真正的操作系統之上，因此不會重新實現所有方面，而是簡單地提供平臺無關的抽象，幾乎可以在所有系統上找到。

例如，這些天Thread通常是本機操作系統線程只是Java表示，但是一個JVM 可以選擇實現在用戶空間線程調度，並在Sun的JVM那樣期間的1.1倍和一些其他JVM回來還是做今天。

Answer 2

我會從Java的角度回答這個問題，因爲我對.NET沒有深入的瞭解。但我認爲，從這個角度來看，CLR和JVM是相似的。

讓我們從操作系統開始吧。這樣做的目的是抽象出特定於硬件的接口，併爲進程提供運行時環境。

操作系統使用設備驅動程序爲類似設備（如處理器，內存，磁盤驅動器，網卡等）提供統一接口。操作系統使用系統調用來允許用戶級代碼與這些設備進行交互。如果您使用C語言編寫代碼，則在調用「close」之前，您將調用「open」，然後「讀取」和「寫入」設備。 'ioctl'（IO控制）系統調用也用於設備控制。每個操作系統都提供一組標準的系統調用（您可以在英特爾或ARM處理器上運行Linux，但每個發行版都有相同的系統調用）。順便說一句，這也是Docker的工作原理，它使用一組標準的系統調用來使容器從一個平臺移動到另一個平臺而沒有任何問題。

該操作系統還提供了同時運行多個進程的能力。對於更新的多核心機器，這確實可以並行發生，但操作系統也使用調度在多個進程或線程之間共享CPU。通過非常快速地切換流程或線程，即使在單個處理器上，也會產生同時發生的情況。

現在我們來看看JVM，這是一個用戶級進程（從操作系統的角度來看，就像任何其他用戶應用程序一樣）。這已被設計爲抽象出CPU並從Java應用程序中運行特定的功能。 Java編譯器生成的字節碼不包含任何系統調用。如果您查看字節碼指令集（在Java虛擬機規範中定義），您會發現這些指令提供了許多熟悉的低級功能，例如加載寄存器，位操作等。另外，還有很多更高級別的指令，更具體地涉及Java;像invokestatic這樣的在類上調用靜態方法的東西，monitorenter。 monitorexit鎖定，newarray等。

JVM需要這些字節碼，並將它們從CPU和操作系統無關的形式（虛擬機的形式）轉換爲運行JVM的特定CPU架構和操作系統的指令。在某些情況下，這可能是一對一的映射（對於像位運算符這樣的東西），但通常可能更加複雜，並且涉及使用系統調用來打開文件，訪問網絡接口等.JVM還使用OS來處理由應用程序創建的線程。在Java早期的操作系統（如Windows 95）中沒有線程的概念，因此JVM必須提供它自己的實現（這被稱爲綠色線程並且執行得非常糟糕）。

總結JVM需要它正在執行的類文件的平臺中性byt代碼，並將它們轉換爲本機CPU指令和系統調用以使應用程序運行。 JVM不提供任何傳統的OS服務，它只是使用它們。

Answer 3

虛擬機有two kinds：系統虛擬機和進程虛擬機。系統虛擬機提供完整指令集的虛擬化，包括用戶模式指令和內核模式指令，因此它們可以運行操作系統。處理虛擬機虛擬化用戶模式指令，通常是一些系統調用（例如用於管理線程，內存和文件的那些），因此只能運行應用程序或進程。也就是說，在單個進程虛擬機之上，可以運行單個應用程序或進程。 JVM和CLR是流程虛擬機。

雖然理論上確實有可能開發一個在進程虛擬機上運行的OS，但這實際上並不實用，因爲在該操作系統上運行的程序的性能將會非常糟糕，因爲軟件中的過度分層。

通常，系統和進程虛擬機本身不被視爲操作系統。但是，進程虛擬機不一定需要運行OS，並且可以在裸機上運行。 .NET Micro Framework是這種虛擬機的一個例子。 Such VMs are sometimes called operating systems。一些virtual ISAs或其子集已經完全用類似於x86和ARM的硬件來實現。人們可以開發操作系統來運行它們。由於性能低下，它們幾乎從未用於工業。