1.2 操作系統

用來操作硬件，了解每一個硬件的作用並熟知其物理特性及使用方法（這是一個極其繁瑣、龐大的工作）。

桌面很占用系統資源

為什麽要有操作系統

一般而言，現代計算機系統是一個復雜的系統。如果每位應用程序員都必須掌握該系統所有的細節，那就不可能再編寫代碼了（嚴重影響了程序員的開發效率：全部掌握這些細節可能需要一萬年....），並且管理這些部件並加以優化使用，是一件極富挑戰性的工作，於是，計算機安裝了一層軟件（系統軟件），稱為操作系統。它的任務就是為用戶程序提供一個更好、更簡單、更清晰的計算機模型，並管理所有設備。
總結：程序員無法把所有的硬件操作細節都了解到，管理這些硬件並且加以優化使用是非常繁瑣的工作

什麽是操作系統

操作系統（Operating System，簡稱OS）是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，是直接運行在“裸機”上的最基本的系統軟件，任何其他軟件都必須在操作系統的支持下才能運行。
精簡的說的話，操作系統就是一個協調、管理和控制計算機硬件資源和軟件資源的控制程序。

操作系統的位置

操作系統位於計算機硬件與應用軟件之間，本質也是一個軟件。操作系統由操作系統的內核（運行於內核態，管理硬件資源）以及系統調用（運行於用戶態，為應用程序員寫的應用程序提供系統調用接口）兩部分組成，所以，單純的說操作系統是運行於內核態的，是不準確的。

操作系統的功能：

一、隱藏了醜陋的硬件調用接口

為應用程序員提供調用硬件資源的更好，更簡單，更清晰的模型（系統調用接口）。應用程序員有了這些接口後，就不用再考慮操作硬件的細節，專心開發自己的應用程序即可。
比如，磁盤資源的抽象是文件系統（C盤，D盤，E盤...下的目錄及文件），有了文件的概念，我們直接打開文件，讀或者寫就可以了，無需關心記錄是否應該使用修正的調頻記錄方式，以及當前電機的狀態等細節。文件、文件夾都只是邏輯意義存在的，不存在實體。文件本質上是操作系統封裝好的對硬盤的操作。
需要指出的是，操作系統的實際客戶是應用程序（應用程序員負責開發應用程序，因而也可以說應用程序員是操作系統的客戶）。應用程序直接與操作系統及其抽象打交道。而最終，用戶則是與應用程序（即用戶接口）打交道，或者是命令行shell或者是圖形界面（比如桌面），它們都只是運行於操作系統之上的應用軟件，並不屬於操作系統。

二、將應用程序對硬件資源的競爭請求變得有序化

例如：很多應用軟件其實是共享一套計算機硬件，比方說有可能有三個應用程序同時需要申請打印機來輸出內容，那麽a程序競爭到了打印機資源就打印，然後可能是b競爭到打印機資源，也可能是c，這就導致了無序，打印機可能打印一段a的內容然後又去打印c...,操作系統的一個功能就是將這種無序變得有序。

操作系統與普通軟件的區別

用戶無法修改

你不想用暴風影音了你可以選擇用迅雷播放器或者幹脆自己寫一個，但是你無法寫一個屬於操作系統一部分的程序（時鐘中斷處理程序），操作系統由硬件保護，不能被用戶修改。

大型、復雜、長壽

操作系統與用戶程序的差異並不在於二者所處的地位。特別地，操作系統是一個大型、復雜、長壽的軟件，

• 大型 ：linux或windows的源代碼有五百萬行數量級。按照每頁50行共1000行的書來算，五百萬行要有100卷，要用一整個書架子來擺置，這還僅僅是內核部分。用戶程序，如GUI，庫以及基本應用軟件（如windows Explorer等），很容易就能達到這個數量的10倍或者20倍之多。
• 長壽：操作系統很難編寫，如此大的代碼量，一旦完成，操作系統所有者便不會輕易扔掉，再寫一個。而是在原有的基礎上進行改進。（基本上可以把windows95/98/Me看出一個操作系統，而windows NT/2000/XP/Vista則是兩位一個操作系統，對於用戶來說它們十分相似。還有UNIX以及它的變體和克隆版本也演化了多年，如System V版，Solaris以及FreeBSD等都是Unix的原始版，不過盡管linux非常依照UNIX模式而仿制，並且與UNIX高度兼容，但是linux具有全新的代碼基礎）

操作系統發展史

第一代計算機（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

第一代計算機的產生背景：
第一代之前人類是想用機械取代人力，第一代計算機的產生是計算機由機械時代進入電子時代的標誌，從Babbage失敗之後一直到第二次世界大戰，數字計算機的建造幾乎沒有什麽進展，第二次世界大戰刺激了有關計算機研究的爆炸性進展。
lowa州立大學的john Atanasoff教授和他的學生Clifford Berry建造了據認為是第一臺可工作的數字計算機。該機器使用300個真空管。大約在同時，Konrad Zuse在柏林用繼電器構建了Z3計算機，英格蘭布萊切利園的一個小組在1944年構建了Colossus，Howard Aiken在哈佛大學建造了Mark 1，賓夕法尼亞大學的William Mauchley和他的學生J.Presper Eckert建造了ENIAC。這些機器有的是二進制的，有的使用真空管，有的是可編程的，但都非常原始，設置需要花費數秒鐘時間才能完成最簡單的運算。

• 在這個時期，同一個小組裏的工程師們，設計、建造、編程、操作及維護同一臺機器，所有的程序設計是用純粹的機器語言編寫的，甚至更糟糕，需要通過成千上萬根電纜接到插件板上連成電路來控制機器的基本功能。沒有程序設計語言（匯編也沒有），操作系統則是從來都沒聽說過。使用機器的過程更加原始，詳見下‘工作過程’

特點：

沒有操作系統的概念
所有的程序設計都是直接操控硬件

工作過程：

程序員在墻上的機時表預約一段時間，然後程序員拿著他的插件版到機房裏，將自己的插件板街道計算機裏，這幾個小時內他獨享整個計算機資源，後面的一批人都得等著(兩萬多個真空管經常會有被燒壞的情況出現)。後來出現了穿孔卡片，可以將程序寫在卡片上，然後讀入機而不用插件板

優點：

程序員在申請的時間段內獨享整個資源，可以即時地調試自己的程序（有bug可以立刻處理）

缺點：

浪費計算機資源，一個時間段內只有一個人用。

註意：

同一時刻只有一個程序在內存中，被cpu調用執行，比方說10個程序的執行，是串行的

第二代計算機（1955~1965）：晶體管和批處理系統

第二代計算機的產生背景：
由於當時的計算機非常昂貴，便會想辦法減少機時的浪費。通常采用的方法就是批處理系統。

特點：

設計人員、生產人員、操作人員、程序人員和維護人員直接有了明確的分工，計算機被鎖在專用空調房間中，由專業操作人員運行，這便是‘大型機’。有了操作系統的概念；有了程序設計語言：FORTRAN語言或匯編語言，寫到紙上，然後穿孔打成卡片，再講卡片盒帶到輸入室，交給操作員，然後喝著咖啡等待輸出接口。

• 工作過程：插圖

• 第二代如何解決第一代的問題/缺點：

• 把一堆人的輸入攢成一大波輸入，
• 然後順序計算（這是有問題的，但是第二代計算也沒有解決）

• 把一堆人的輸出攢成一大波輸出

• 現代操作系統的前身:(見圖）

• 優點：批處理，節省了機時

• 缺點： 1.整個流程需要人參與控制，將磁帶搬來搬去（中間倆小人）
  2.計算的過程仍然是順序計算-->串行
  3.程序員原來獨享一段時間的計算機，現在必須被統一規劃到一批作業中，等待結果和重新調試的過程都需要等同批次的其他程序都運作完才可以（這極大的影響了程序的開發效率，無法及時調試程序）

第三代計算機（1965~1980）：集成電路芯片和多道程序設計

第三代計算機的產生背景：
20世紀60年代初期，大多數計算機廠商都有兩條完全不兼容的生產線。一條是面向字的：大型的科學計算機，如IBM 7094，見上圖，主要用於科學計算和工程計算。另外一條是面向字符的：商用計算機，如IBM 1401，見上圖，主要用於銀行和保險公司從事磁帶歸檔和打印服務。開發和維護完全不同的產品是昂貴的，不同的用戶對計算機的用途也不相同。

IBM公司試圖通過引入system/360系列來同時滿足科學計算和商業計算，360系列低檔機與1401相當，高檔機比7094功能強很多，不同的性能賣不同的價格。360是第一個采用了（小規模）芯片（集成電路）的主流機型，與采用晶體管的第二代計算機相比，性價比有了很大的提高。這些計算機的後代仍在大型的計算機中心裏使用，此乃現在服務器的前身，這些服務器每秒處理不小於千次的請求。

• 如何解決第二代計算機的問題1：
  卡片被拿到機房後能夠很快的將作業從卡片讀入磁盤，於是任何時刻當一個作業結束時，操作系統就能將一個作業從磁帶讀出，裝進空出來的內存區域運行，這種技術叫做同時的外部設備聯機操作：SPOOLING，該技術同時用於輸出。當采用了這種技術後，就不在需要IBM1401機了，也不必將磁帶搬來搬去了（中間倆小人不再需要）。

• 如何解決第二代計算機的問題2：
  第三代計算機的操作系統廣泛應用了第二代計算機的操作系統沒有的關鍵技術：多道技術

多道技術

多道技術產生的技術背景：cpu在執行一個任務的過程中，若需要操作硬盤，則發送操作硬盤的指令，指令一旦發出，硬盤上的機械手臂滑動讀取數據到內存中，這一段時間，cpu需要等待，時間可能很短，但對於cpu來說已經很長很長，長到可以讓cpu做很多其他的任務，如果我們讓cpu在這段時間內切換到去做其他的任務，這樣cpu不就充分利用了嗎。

內存支持多個程序
CPU在多個程序之間來回切換
切換條件：單個程序運行時間過長 遇到程序需求I/O操作(I/O阻塞)

• 多道技術中的多道指的是多道程序，多道技術的實現是為了解決多個程序競爭或者說共享同一個資源（比如cpu）的有序調度問題，解決方式即多路復用，多路復用分為時間上的復用和空間上的復用。
• 空間上的復用：將內存分為幾部分，每個部分放入一個程序，這樣，同一時間內存中就有了多道程序。
• 時間上的復用：當一個程序在等待I/O時，另一個程序可以使用cpu，如果內存中可以同時存放足夠多的作業，則cpu的利用率可以接近100%，類似於我們小學數學所學的統籌方法。
• 空間上的復用最大的問題是：程序之間的內存必須從物理級別分割，由操作系統控制。如果內存彼此不分割，則一個程序可以訪問另外一個程序的內存，

首先喪失的是安全性，比如你的qq程序可以訪問操作系統的內存，這意味著你的qq可以拿到操作系統的所有權限。
其次喪失的是穩定性，某個程序崩潰時有可能把別的程序的內存也給回收了，比方說把操作系統的內存給回收了，則操作系統崩潰。

第三代計算機的操作系統仍然是批處理。同時許多程序員懷念第一代獨享的計算機，可以即時調試自己的程序。為了滿足程序員們很快可以得到響應，出現了分時操作系統

• 如何解決第二代計算機的問題3：
  分時操作系統：多個聯機終端+多道技術

20個客戶端同時加載到內存，有17在思考，3個在運行，cpu就采用多道的方式處理內存中的這3個程序，由於客戶提交的一般都是簡短的指令而且很少有耗時長的，索引計算機能夠為許多用戶提供快速的交互式服務，所有的用戶都以為自己獨享了計算機資源

CTTS：麻省理工（MIT）在一臺改裝過的7094機上開發成功的，CTSS兼容分時系統，第三代計算機廣泛采用了必須的保護硬件（程序之間的內存彼此隔離）之後，分時系統才開始流行

MIT，貝爾實驗室和通用電氣在CTTS成功研制後決定開發能夠同時支持上百終端的MULTICS（其設計者著眼於建造滿足波士頓地區所有用戶計算需求的一臺機器），很明顯真是要上天啊，最後摔死了。

後來一位參加過MULTICS研制的貝爾實驗室計算機科學家Ken Thompson開發了一個簡易的，單用戶版本的MULTICS，這就是後來的UNIX系統。基於它衍生了很多其他的Unix版本，為了使程序能在任何版本的unix上運行，IEEE提出了一個unix標準，即posix（可移植的操作系統接口Portable Operating System Interface）

後來，在1987年，出現了一個UNIX的小型克隆，即minix，用於教學使用。芬蘭學生Linus Torvalds基於它編寫了Linux

第四代計算機（1980~至今）：個人計算機

略

總結：

操作系統的兩大作用：

作用一：為應用程序提供如何使用硬件資源的抽象
作用二：把多個程序對硬件的競爭變得有序化（管理應用）（匯編程序寫的代碼控制）

多道技術

多道指的是多個程序，多道技術是為了解決多個程序對共享資源的有效調度，采用多路復用實現，多路復用分為空間上的復用：即對內存實現物理級別的分割，每一塊內存存放一個程序；時間上的復用：CPU在不同程序之間切換，切換條件有兩個，一個是當單個應用程序占用CPU時間過長，二是遇到程序I/O阻塞

計算機基礎知識-操作系統