操作系統簡介

 一、為什麼要有操作系統

現代的計算系統主要是由一個或者多個處理器，記憶體，硬碟，鍵盤，滑鼠，顯示器，印表機，網路介面及其他輸入輸出設備組成。

一般而言，現代電腦系統是一個複雜的系統。

其一：如果每位應用程式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（嚴重影響了程式員的開發效率：全部掌握這些細節可能需要一萬年....）

其二：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，計算安裝了一層軟體（系統軟體），稱為操作系統。它的任務就是為用戶程式提供一個更好、更簡單、更清晰的電腦模型，
並管理剛纔提到的所有設備。

總結：
程式員無法把所有的硬體操作細節都瞭解到，管理這些硬體並且加以優化使用是非常繁瑣的工作，這個繁瑣的工作就是操作系統來乾的，有了他，程式員就從這些繁瑣的工作中解脫了出來，只需要考慮
自己的應用軟體的編寫就可以了，應用軟體直接使用操作系統提供的功能來間接使用硬體。

二、什麼是操作系統

精簡的說的話，操作系統就是一個協調、管理和控制電腦硬體資源和軟體資源的控製程序。操作系統所處的位置如圖1

#操作系統位於電腦硬體與應用軟體之間，本質也是一個軟體。操作系統由操作系統的內核（運行於內核態，管理硬體資源）以及系統調用（運行於用戶態，為應用程式員寫的應用程式提供系
統調用介面）兩部分組成，所以，單純的說操作系統是運行於內核態的，是不准確的。

細說的話，操作系統應該分成兩部分功能：

#一：隱藏了醜陋的硬體調用介面，為應用程式員提供調用硬體資源的更好，更簡單，更清晰的模型（系統調用介面）。應用程式員有了這些介面後，就不用再考慮操作硬體的細節，專心開發自己的應
用程式即可。
例如：操作系統提供了文件這個抽象概念，對文件的操作就是對磁碟的操作，有了文件我們無需再去考慮關於磁碟的讀寫控制（比如控制磁碟轉動，移動磁頭讀寫數據等細節），

#二：將應用程式對硬體資源的競態請求變得有序化
例如：很多應用軟體其實是共用一套電腦硬體，比方說有可能有三個應用程式同時需要申請印表機來輸出內容，那麼a程式競爭到了印表機資源就列印，然後可能是b競爭到印表機資源，也可能是c，
這就導致了無序，印表機可能列印一段a的內容然後又去列印c...,操作系統的一個功能就是將這種無序變得有序。

#作用一：為應用程式提供如何使用硬體資源的抽象
例如：操作系統提供了文件這個抽象概念，對文件的操作就是對磁碟的操作，有了文件我們無需再去考慮關於磁碟的讀寫控制

註意：
操作系統提供給應用程式的該抽象是簡單，清晰，優雅的。為何要提供該抽象呢？
硬體廠商需要為操作系統提供自己硬體的驅動程式（設備驅動，這也是為何我們要使用音效卡，就必須安裝音效卡驅動。。。），廠商為了節省成本或者相容舊的硬體，它們的驅動程式是複雜且醜陋的
操作系統就是為了隱藏這些醜陋的信息，從而為用戶提供更好的介面
這樣用戶使用的shell，Gnome，KDE看到的是不同的界面，但其實都使用了同一套由linux系統提供的抽象介面


#作用二：管理硬體資源
現代的操作系統運行同時運行多道程式，操作系統的任務是在相互競爭的程式之間有序地控制對處理器、存儲器以及其他I/O介面設備的分配。
例如：
同一臺電腦上同時運行三個程式，它們三個想在同一時刻在同一臺電腦上輸出結果，那麼開始的幾行可能是程式1的輸出，接著幾行是程式2的輸出，然後又是程式3的輸出，最終將是一團糟（程式之間是一種互相競爭資源的過程）
操作系統將印表機的結果送到磁碟的緩衝區，在一個程式完全結束後，才將暫存在磁碟上的文件送到印表機輸出，同時其他的程式可以繼續產生更多的輸出結果（這些程式的輸出沒有真正的送到印表機），這樣，操作系統就將由競爭產生的無序變得有序化。

三、操作系統與普通軟體的區別

1.主要區別是：你不想用暴風影音了你可以選擇用迅雷播放器或者乾脆自己寫一個，但是你無法寫一個屬於操作系統一部分的程式（時鐘中斷處理程式），操作系統由硬體保護，不能被用戶修改。

2.操作系統與用戶程式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、複雜、長壽的軟體，

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捲，要用一整個書架子來擺置，這還僅僅是內核部分。用戶程式，如GUI，庫以及基本應用軟體（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，不過儘管linux非常依照UNIX模式而仿製，並且與UNIX高度相容，但是linux具有全新的代碼基礎）

四、操作系統發展史

第一代電腦（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

第一代電腦的產生背景：

第一代之前人類是想用機械取代人力，第一代電腦的產生是電腦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，數字電腦的建造幾乎沒有什麼進展，第二次世界大戰刺激了
有關電腦研究的爆炸性進展。

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電腦。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電腦，
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
的是二進位的，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，同一個小組裡的工程師們，設計、建造、編程、操作及維護同一臺機器，所有的程式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。沒有程式設計語言（彙編也沒有），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
所有的程式設計都是直接操控硬體

工作過程：
程式員在牆上的機時表預約一段時間，然後程式員拿著他的插件版到機房裡，將自己的插件板街道電腦里，這幾個小時內他獨享整個電腦資源，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，可以將程式寫在卡片上，然後讀入機而不用插件板

優點：

程式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式（有bug可以立刻處理）

缺點：

浪費電腦資源，一個時間段內只有一個人用。
註意：同一時刻只有一個程式在記憶體中，被cpu調用執行，比方說10個程式的執行，是串列的

 第二代電腦（1955~1965）：晶體管和批處理系統

第二代電腦的產生背景：

由於當時的電腦非常昂貴，自認很自然的想辦法較少機時的浪費。通常採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、程式人員和維護人員直接有了明確的分工，電腦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

有了程式設計語言：FORTRAN語言或彙編語言，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介面

工作過程：插圖

第二代如何解決第一代的問題/缺點：
1.把一堆人的輸入攢成一大波輸入，
2.然後順序計算（這是有問題的，但是第二代計算也沒有解決）
3.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-》串列

3.程式員原來獨享一段時間的電腦，現在必須被統一規划到一批作業中，等待結果和重新調試的過程都需要等同批次的其他程式都運作完才可以（這極大的影響了程式的開發效率，無法及時調試程式）

  第三代電腦（1965~1980）：集成電路晶元和多道程式設計

第三代電腦的產生背景：

20世紀60年代初期，大多數電腦廠商都有兩條完全不相容的生產線。

一條是面向字的：大型的科學電腦，如IBM 7094，見上圖，主要用於科學計算和工程計算

另外一條是面向字元的：商用電腦，如IBM 1401，見上圖，主要用於銀行和保險公司從事磁帶歸檔和列印服務

開發和維護完全不同的產品是昂貴的，同時不同的用戶對電腦的用途不同。

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是第一個採用了（小規模）晶元（集成電路）的主流機型，與採用晶體管的第二代電腦相比，性價比有了很大的提高。這些電腦的後代仍在大型的電腦中心裡使用，此乃現在伺服器的
前身，這些伺服器每秒處理不小於千次的請求。

如何解決第二代電腦的問題1：
卡片被拿到機房後能夠很快的將作業從卡片讀入磁碟，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，裝進空出來的記憶體區域運行，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。當採用了這種技術後，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）

如何解決第二代電腦的問題2：

第三代電腦的操作系統廣泛應用了第二代電腦的操作系統沒有的關鍵技術：多道技術

cpu在執行一個任務的過程中，若需要操作硬碟，則發送操作硬碟的指令，指令一旦發出，硬碟上的機械手臂滑動讀取數據到記憶體中，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。這正是多道技術產生的技術背景

多道技術：

多道技術中的多道指的是多個程式，多道技術的實現是為瞭解決多個程式競爭或者說共用同一個資源（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：將記憶體分為幾部分，每個部分放入一個程式，這樣，同一時間記憶體中就有了多道程式。

時間上的復用：當一個程式在等待I/O時，另一個程式可以使用cpu，如果記憶體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。
（操作系統採用了多道技術後，可以控制進程的切換，或者說進程之間去爭搶cpu的執行許可權。這種切換不僅會在一個進程遇到io時進行，一個進程占用cpu時間過長也會切換，或
者說被操作系統奪走cpu的執行許可權） 

現代電腦或者網路都是多用戶的，多個用戶不僅共用硬體，而且共用文件，資料庫等信息，共用意味著衝突和無序。

操作系統主要使用來

1.記錄哪個程式使用什麼資源

2.對資源請求進行分配

3.為不同的程式和用戶調解互相衝突的資源請求。

我們可將上述操作系統的功能總結為：處理來自多個程式發起的多個（多個即多路）共用（共用即復用）資源的請求，簡稱多路復用

多路復用有兩種實現方式

1.時間上的復用

當一個資源在時間上復用時，不同的程式或用戶輪流使用它，第一個程式獲取該資源使用結束後，在輪到第二個。。。第三個。。。

例如：只有一個cpu，多個程式需要在該cpu上運行，操作系統先把cpu分給第一個程式，在這個程式運行的足夠長的時間（時間長短由操作系統的演算法說了算）或者遇到了I/O阻塞，操作系統則把cpu分配給下一個程式，以此類推，直到第一個程式重新被分配到了cpu然後再次運行，由於cpu的切換速度很快，給用戶的感覺就是這些程式是同時運行的，或者說是併發的，或者說是偽並行的。至於資源如何實現時間復用，或者說誰應該是下一個要運行的程式，以及一個任務需要運行多長時間，這些都是操作系統的工作。

2.空間上的復用

每個客戶都獲取了一個大的資源中的一小部分資源，從而減少了排隊等待資源的時間。

例如：多個運行的程式同時進入記憶體，硬體層面提供保護機制來確保各自的記憶體是分割開的，且由操作系統控制，這比一個程式獨占記憶體一個一個排隊進入記憶體效率要高的多。

有關空間復用的其他資源還有磁碟，在許多系統中，一個磁碟同時為許多用戶保存文件。分配磁碟空間並且記錄誰正在使用哪個磁碟塊是操作系統資源管理的典型任務。

這兩種方式合起來便是多道技術

空間上的復用最大的問題是：程式之間的記憶體必須分割，這種分割需要在硬體層面實現，由操作系統控制。如果記憶體彼此不分割，則一個程式可以訪問另外一個程式的記憶體，

首先喪失的是安全性，比如你的qq程式可以訪問操作系統的記憶體，這意味著你的qq可以拿到操作系統的所有許可權。

其次喪失的是穩定性，某個程式崩潰時有可能把別的程式的記憶體也給回收了，比方說把操作系統的記憶體給回收了，則操作系統崩潰。

第三代電腦的操作系統仍然是批處理

許多程式員懷念第一代獨享的電腦，可以即時調試自己的程式。為了滿足程式員們很快可以得到響應，出現了分時操作系統

如何解決第二代電腦的問題3：

分時操作系統：
多個聯機終端+多道技術

20個客戶端同時載入到記憶體，有17在思考，3個在運行，cpu就採用多道的方式處理記憶體中的這3個程式，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，索引電腦
能夠為許多用戶提供快速的互動式服務，所有的用戶都以為自己獨享了電腦資源

CTTS：麻省理工（MIT）在一臺改裝過的7094機上開發成功的，CTSS相容分時系統，第三代電腦廣泛採用了必須的保護硬體（程式之間的記憶體彼此隔離）之後，分時系統才開始流行

MIT，貝爾實驗室和通用電氣在CTTS成功研製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研製的貝爾實驗室電腦科學家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，
為了使程式能在任何版本的unix上運行，IEEE提出了一個unix標準，即posix（可移植的操作系統介面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

第四代電腦（1980~至今）：個人電腦

 略