1.2 操作系統(tǒng)

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

桌面很占用系統(tǒng)資源

為什么要有操作系統(tǒng)

一般而言，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。如果每位應(yīng)用程序員都必須掌握該系統(tǒng)所有的細(xì)節(jié)，那就不可能再編寫(xiě)代碼了（嚴(yán)重影響了程序員的開(kāi)發(fā)效率：全部掌握這些細(xì)節(jié)可能需要一萬(wàn)年....），并且管理這些部件并加以優(yōu)化使用，是一件極富挑戰(zhàn)性的工作，于是，計(jì)算機(jī)安裝了一層軟件（系統(tǒng)軟件），稱為操作系統(tǒng)。它的任務(wù)就是為用戶程序提供一個(gè)更好、更簡(jiǎn)單、更清晰的計(jì)算機(jī)模型，并管理所有設(shè)備。
總結(jié)：程序員無(wú)法把所有的硬件操作細(xì)節(jié)都了解到，管理這些硬件并且加以優(yōu)化使用是非常繁瑣的工作，這個(gè)繁瑣的工作就是操作系統(tǒng)來(lái)干的，有了他，程序員就從這些繁瑣的工作中解脫了出來(lái)，只需要考慮自己的應(yīng)用軟件的編寫(xiě)就可以了，應(yīng)用軟件直接使用操作系統(tǒng)提供的功能來(lái)間接使用硬件。

什么是操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)（Operating System，簡(jiǎn)稱OS）是管理和控制計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的計(jì)算機(jī)程序，是直接運(yùn)行在“裸機(jī)”上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行。
精簡(jiǎn)的說(shuō)的話，操作系統(tǒng)就是一個(gè)協(xié)調(diào)、管理和控制計(jì)算機(jī)硬件資源和軟件資源的控制程序。

操作系統(tǒng)的位置

操作系統(tǒng)位于計(jì)算機(jī)硬件與應(yīng)用軟件之間，本質(zhì)也是一個(gè)軟件。操作系統(tǒng)由操作系統(tǒng)的內(nèi)核（運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)，管理硬件資源）以及系統(tǒng)調(diào)用（運(yùn)行于用戶態(tài)，為應(yīng)用程序員寫(xiě)的應(yīng)用程序提供系統(tǒng)調(diào)用接口）兩部分組成，所以，單純的說(shuō)操作系統(tǒng)是運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)的，是不準(zhǔn)確的。

操作系統(tǒng)的功能：

一、隱藏了丑陋的硬件調(diào)用接口

為應(yīng)用程序員提供調(diào)用硬件資源的更好，更簡(jiǎn)單，更清晰的模型（系統(tǒng)調(diào)用接口）。應(yīng)用程序員有了這些接口后，就不用再考慮操作硬件的細(xì)節(jié)，專心開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序即可。
比如，磁盤(pán)資源的抽象是文件系統(tǒng)（C盤(pán)，D盤(pán)，E盤(pán)...下的目錄及文件），有了文件的概念，我們直接打開(kāi)文件，讀或者寫(xiě)就可以了，無(wú)需關(guān)心記錄是否應(yīng)該使用修正的調(diào)頻記錄方式，以及當(dāng)前電機(jī)的狀態(tài)等細(xì)節(jié)。文件、文件夾都只是邏輯意義存在的，不存在實(shí)體。文件本質(zhì)上是操作系統(tǒng)封裝好的對(duì)硬盤(pán)的操作。
需要指出的是，操作系統(tǒng)的實(shí)際客戶是應(yīng)用程序（應(yīng)用程序員負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，因而也可以說(shuō)應(yīng)用程序員是操作系統(tǒng)的客戶）。應(yīng)用程序直接與操作系統(tǒng)及其抽象打交道。而最終，用戶則是與應(yīng)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(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用軟件，并不屬于操作系統(tǒng)。

二、將應(yīng)用程序?qū)τ布Y源的競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求變得有序化

例如：很多應(yīng)用軟件其實(shí)是共享一套計(jì)算機(jī)硬件，比方說(shuō)有可能有三個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)需要申請(qǐng)打印機(jī)來(lái)輸出內(nèi)容，那么a程序競(jìng)爭(zhēng)到了打印機(jī)資源就打印，然后可能是b競(jìng)爭(zhēng)到打印機(jī)資源，也可能是c，這就導(dǎo)致了無(wú)序，打印機(jī)可能打印一段a的內(nèi)容然后又去打印c...,操作系統(tǒng)的一個(gè)功能就是將這種無(wú)序變得有序。

操作系統(tǒng)與普通軟件的區(qū)別

用戶無(wú)法修改

你不想用暴風(fēng)影音了你可以選擇用迅雷播放器或者干脆自己寫(xiě)一個(gè)，但是你無(wú)法寫(xiě)一個(gè)屬于操作系統(tǒng)一部分的程序（時(shí)鐘中斷處理程序），操作系統(tǒng)由硬件保護(hù)，不能被用戶修改。

大型、復(fù)雜、長(zhǎng)壽

操作系統(tǒng)與用戶程序的差異并不在于二者所處的地位。特別地，操作系統(tǒng)是一個(gè)大型、復(fù)雜、長(zhǎng)壽的軟件，

• 大型 ：linux或windows的源代碼有五百萬(wàn)行數(shù)量級(jí)。按照每頁(yè)50行共1000行的書(shū)來(lái)算，五百萬(wàn)行要有100卷，要用一整個(gè)書(shū)架子來(lái)擺置，這還僅僅是內(nèi)核部分。用戶程序，如GUI，庫(kù)以及基本應(yīng)用軟件（如windows Explorer等），很容易就能達(dá)到這個(gè)數(shù)量的10倍或者20倍之多。
• 長(zhǎng)壽：操作系統(tǒng)很難編寫(xiě)，如此大的代碼量，一旦完成，操作系統(tǒng)所有者便不會(huì)輕易扔掉，再寫(xiě)一個(gè)。而是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。（基本上可以把windows95/98/Me看出一個(gè)操作系統(tǒng)，而windows NT/2000/XP/Vista則是兩位一個(gè)操作系統(tǒng)，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)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(guò)盡管linux非常依照UNIX模式而仿制，并且與UNIX高度兼容，但是linux具有全新的代碼基礎(chǔ)）

操作系統(tǒng)發(fā)展史

第一代計(jì)算機(jī)（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

第一代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生背景：
第一代之前人類是想用機(jī)械取代人力，第一代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生是計(jì)算機(jī)由機(jī)械時(shí)代進(jìn)入電子時(shí)代的標(biāo)志，從Babbage失敗之后一直到第二次世界大戰(zhàn)，數(shù)字計(jì)算機(jī)的建造幾乎沒(méi)有什么進(jìn)展，第二次世界大戰(zhàn)刺激了有關(guān)計(jì)算機(jī)研究的爆炸性進(jìn)展。
lowa州立大學(xué)的john Atanasoff教授和他的學(xué)生Clifford Berry建造了據(jù)認(rèn)為是第一臺(tái)可工作的數(shù)字計(jì)算機(jī)。該機(jī)器使用300個(gè)真空管。大約在同時(shí)，Konrad Zuse在柏林用繼電器構(gòu)建了Z3計(jì)算機(jī)，英格蘭布萊切利園的一個(gè)小組在1944年構(gòu)建了Colossus，Howard Aiken在哈佛大學(xué)建造了Mark 1，賓夕法尼亞大學(xué)的William Mauchley和他的學(xué)生J.Presper Eckert建造了ENIAC。這些機(jī)器有的是二進(jìn)制的，有的使用真空管，有的是可編程的，但都非常原始，設(shè)置需要花費(fèi)數(shù)秒鐘時(shí)間才能完成最簡(jiǎn)單的運(yùn)算。

• 在這個(gè)時(shí)期，同一個(gè)小組里的工程師們，設(shè)計(jì)、建造、編程、操作及維護(hù)同一臺(tái)機(jī)器，所有的程序設(shè)計(jì)是用純粹的機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)的，甚至更糟糕，需要通過(guò)成千上萬(wàn)根電纜接到插件板上連成電路來(lái)控制機(jī)器的基本功能。沒(méi)有程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（匯編也沒(méi)有），操作系統(tǒng)則是從來(lái)都沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)。使用機(jī)器的過(guò)程更加原始，詳見(jiàn)下‘工作過(guò)程’

特點(diǎn)：

沒(méi)有操作系統(tǒng)的概念
所有的程序設(shè)計(jì)都是直接操控硬件

工作過(guò)程：

程序員在墻上的機(jī)時(shí)表預(yù)約一段時(shí)間，然后程序員拿著他的插件版到機(jī)房里，將自己的插件板街道計(jì)算機(jī)里，這幾個(gè)小時(shí)內(nèi)他獨(dú)享整個(gè)計(jì)算機(jī)資源，后面的一批人都得等著(兩萬(wàn)多個(gè)真空管經(jīng)常會(huì)有被燒壞的情況出現(xiàn))。后來(lái)出現(xiàn)了穿孔卡片，可以將程序?qū)懺诳ㄆ?#xff0c;然后讀入機(jī)而不用插件板

優(yōu)點(diǎn)：

程序員在申請(qǐng)的時(shí)間段內(nèi)獨(dú)享整個(gè)資源，可以即時(shí)地調(diào)試自己的程序（有bug可以立刻處理）

缺點(diǎn)：

浪費(fèi)計(jì)算機(jī)資源，一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)人用。

注意：

同一時(shí)刻只有一個(gè)程序在內(nèi)存中，被cpu調(diào)用執(zhí)行，比方說(shuō)10個(gè)程序的執(zhí)行，是串行的

第二代計(jì)算機(jī)（1955~1965）：晶體管和批處理系統(tǒng)

第二代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生背景：
由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)非常昂貴，便會(huì)想辦法減少機(jī)時(shí)的浪費(fèi)。通常采用的方法就是批處理系統(tǒng)。

特點(diǎn)：

設(shè)計(jì)人員、生產(chǎn)人員、操作人員、程序人員和維護(hù)人員直接有了明確的分工，計(jì)算機(jī)被鎖在專用空調(diào)房間中，由專業(yè)操作人員運(yùn)行，這便是‘大型機(jī)’。有了操作系統(tǒng)的概念；有了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言：FORTRAN語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言，寫(xiě)到紙上，然后穿孔打成卡片，再講卡片盒帶到輸入室，交給操作員，然后喝著咖啡等待輸出接口。

• 工作過(guò)程：插圖

• 第二代如何解決第一代的問(wèn)題/缺點(diǎn)：

• 把一堆人的輸入攢成一大波輸入，
• 然后順序計(jì)算（這是有問(wèn)題的，但是第二代計(jì)算也沒(méi)有解決）

• 把一堆人的輸出攢成一大波輸出

• 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的前身:(見(jiàn)圖）

• 優(yōu)點(diǎn)：批處理，節(jié)省了機(jī)時(shí)

• 缺點(diǎn)： 1.整個(gè)流程需要人參與控制，將磁帶搬來(lái)搬去（中間倆小人）
  2.計(jì)算的過(guò)程仍然是順序計(jì)算-->串行
  3.程序員原來(lái)獨(dú)享一段時(shí)間的計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在必須被統(tǒng)一規(guī)劃到一批作業(yè)中，等待結(jié)果和重新調(diào)試的過(guò)程都需要等同批次的其他程序都運(yùn)作完才可以（這極大的影響了程序的開(kāi)發(fā)效率，無(wú)法及時(shí)調(diào)試程序）

第三代計(jì)算機(jī)（1965~1980）：集成電路芯片和多道程序設(shè)計(jì)

第三代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生背景：
20世紀(jì)60年代初期，大多數(shù)計(jì)算機(jī)廠商都有兩條完全不兼容的生產(chǎn)線。一條是面向字的：大型的科學(xué)計(jì)算機(jī)，如IBM 7094，見(jiàn)上圖，主要用于科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算。另外一條是面向字符的：商用計(jì)算機(jī)，如IBM 1401，見(jiàn)上圖，主要用于銀行和保險(xiǎn)公司從事磁帶歸檔和打印服務(wù)。開(kāi)發(fā)和維護(hù)完全不同的產(chǎn)品是昂貴的，不同的用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的用途也不相同。

IBM公司試圖通過(guò)引入system/360系列來(lái)同時(shí)滿足科學(xué)計(jì)算和商業(yè)計(jì)算，360系列低檔機(jī)與1401相當(dāng)，高檔機(jī)比7094功能強(qiáng)很多，不同的性能賣不同的價(jià)格。360是第一個(gè)采用了（小規(guī)模）芯片（集成電路）的主流機(jī)型，與采用晶體管的第二代計(jì)算機(jī)相比，性價(jià)比有了很大的提高。這些計(jì)算機(jī)的后代仍在大型的計(jì)算機(jī)中心里使用，此乃現(xiàn)在服務(wù)器的前身，這些服務(wù)器每秒處理不小于千次的請(qǐng)求。

• 如何解決第二代計(jì)算機(jī)的問(wèn)題1：
  卡片被拿到機(jī)房后能夠很快的將作業(yè)從卡片讀入磁盤(pán)，于是任何時(shí)刻當(dāng)一個(gè)作業(yè)結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)就能將一個(gè)作業(yè)從磁帶讀出，裝進(jìn)空出來(lái)的內(nèi)存區(qū)域運(yùn)行，這種技術(shù)叫做同時(shí)的外部設(shè)備聯(lián)機(jī)操作：SPOOLING，該技術(shù)同時(shí)用于輸出。當(dāng)采用了這種技術(shù)后，就不在需要IBM1401機(jī)了，也不必將磁帶搬來(lái)搬去了（中間倆小人不再需要）。

• 如何解決第二代計(jì)算機(jī)的問(wèn)題2：
  第三代計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用了第二代計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)沒(méi)有的關(guān)鍵技術(shù)：多道技術(shù)

多道技術(shù)

多道技術(shù)產(chǎn)生的技術(shù)背景：cpu在執(zhí)行一個(gè)任務(wù)的過(guò)程中，若需要操作硬盤(pán)，則發(fā)送操作硬盤(pán)的指令，指令一旦發(fā)出，硬盤(pán)上的機(jī)械手臂滑動(dòng)讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，這一段時(shí)間，cpu需要等待，時(shí)間可能很短，但對(duì)于cpu來(lái)說(shuō)已經(jīng)很長(zhǎng)很長(zhǎng)，長(zhǎng)到可以讓cpu做很多其他的任務(wù)，如果我們讓cpu在這段時(shí)間內(nèi)切換到去做其他的任務(wù)，這樣cpu不就充分利用了嗎。

內(nèi)存支持多個(gè)程序
CPU在多個(gè)程序之間來(lái)回切換
切換條件：單個(gè)程序運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng) 遇到程序需求I/O操作(I/O阻塞)

• 多道技術(shù)中的多道指的是多道程序，多道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是為了解決多個(gè)程序競(jìng)爭(zhēng)或者說(shuō)共享同一個(gè)資源（比如cpu）的有序調(diào)度問(wèn)題，解決方式即多路復(fù)用，多路復(fù)用分為時(shí)間上的復(fù)用和空間上的復(fù)用。
• 空間上的復(fù)用：將內(nèi)存分為幾部分，每個(gè)部分放入一個(gè)程序，這樣，同一時(shí)間內(nèi)存中就有了多道程序。
• 時(shí)間上的復(fù)用：當(dāng)一個(gè)程序在等待I/O時(shí)，另一個(gè)程序可以使用cpu，如果內(nèi)存中可以同時(shí)存放足夠多的作業(yè)，則cpu的利用率可以接近100%，類似于我們小學(xué)數(shù)學(xué)所學(xué)的統(tǒng)籌方法。
• 空間上的復(fù)用最大的問(wèn)題是：程序之間的內(nèi)存必須從物理級(jí)別分割，由操作系統(tǒng)控制。如果內(nèi)存彼此不分割，則一個(gè)程序可以訪問(wèn)另外一個(gè)程序的內(nèi)存，

首先喪失的是安全性，比如你的qq程序可以訪問(wèn)操作系統(tǒng)的內(nèi)存，這意味著你的qq可以拿到操作系統(tǒng)的所有權(quán)限。
其次喪失的是穩(wěn)定性，某個(gè)程序崩潰時(shí)有可能把別的程序的內(nèi)存也給回收了，比方說(shuō)把操作系統(tǒng)的內(nèi)存給回收了，則操作系統(tǒng)崩潰。

第三代計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)仍然是批處理。同時(shí)許多程序員懷念第一代獨(dú)享的計(jì)算機(jī)，可以即時(shí)調(diào)試自己的程序。為了滿足程序員們很快可以得到響應(yīng)，出現(xiàn)了分時(shí)操作系統(tǒng)

• 如何解決第二代計(jì)算機(jī)的問(wèn)題3：
  分時(shí)操作系統(tǒng)：多個(gè)聯(lián)機(jī)終端+多道技術(shù)

20個(gè)客戶端同時(shí)加載到內(nèi)存，有17在思考，3個(gè)在運(yùn)行，cpu就采用多道的方式處理內(nèi)存中的這3個(gè)程序，由于客戶提交的一般都是簡(jiǎn)短的指令而且很少有耗時(shí)長(zhǎng)的，索引計(jì)算機(jī)能夠?yàn)樵S多用戶提供快速的交互式服務(wù)，所有的用戶都以為自己獨(dú)享了計(jì)算機(jī)資源

CTTS：麻省理工（MIT）在一臺(tái)改裝過(guò)的7094機(jī)上開(kāi)發(fā)成功的，CTSS兼容分時(shí)系統(tǒng)，第三代計(jì)算機(jī)廣泛采用了必須的保護(hù)硬件（程序之間的內(nèi)存彼此隔離）之后，分時(shí)系統(tǒng)才開(kāi)始流行

MIT，貝爾實(shí)驗(yàn)室和通用電氣在CTTS成功研制后決定開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)支持上百終端的MULTICS（其設(shè)計(jì)者著眼于建造滿足波士頓地區(qū)所有用戶計(jì)算需求的一臺(tái)機(jī)器），很明顯真是要上天啊，最后摔死了。

后來(lái)一位參加過(guò)MULTICS研制的貝爾實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)科學(xué)家Ken Thompson開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)易的，單用戶版本的MULTICS，這就是后來(lái)的UNIX系統(tǒng)。基于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(yùn)行，IEEE提出了一個(gè)unix標(biāo)準(zhǔn)，即posix（可移植的操作系統(tǒng)接口Portable Operating System Interface）

后來(lái)，在1987年，出現(xiàn)了一個(gè)UNIX的小型克隆，即minix，用于教學(xué)使用。芬蘭學(xué)生Linus Torvalds基于它編寫(xiě)了Linux

第四代計(jì)算機(jī)（1980~至今）：個(gè)人計(jì)算機(jī)

略

總結(jié)：

操作系統(tǒng)的兩大作用：

作用一：為應(yīng)用程序提供如何使用硬件資源的抽象
作用二：把多個(gè)程序?qū)τ布母?jìng)爭(zhēng)變得有序化（管理應(yīng)用）（匯編程序?qū)懙拇a控制）

多道技術(shù)

多道指的是多個(gè)程序，多道技術(shù)是為了解決多個(gè)程序?qū)蚕碣Y源的有效調(diào)度，采用多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)，多路復(fù)用分為空間上的復(fù)用：即對(duì)內(nèi)存實(shí)現(xiàn)物理級(jí)別的分割，每一塊內(nèi)存存放一個(gè)程序；時(shí)間上的復(fù)用：CPU在不同程序之間切換，切換條件有兩個(gè)，一個(gè)是當(dāng)單個(gè)應(yīng)用程序占用CPU時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，二是遇到程序I/O阻塞

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机基础知识-操作系统的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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