操作系统漫游（一）引论

1753字约6分钟

操作系统

2018-03-08

什么是操作系统（Operating System）

操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件。主要作用是管理好硬件设备，以提高硬件的利用率和吞吐量。同时，操作系统为用户和应用程序提供接口，便于计算机的使用。

操作系统发展过程

人工和纸带

自1945年第一台计算机发明到20世纪50年代期间，还处于无操作系统时代，操作计算机主要是靠人工操作或者纸带脱机输入输出的方式。

批处理系统

后来到50年代中期出现了单道批处理系统和多道批处理系统。

单道批处理系统的程序是顺序执行的，缺点是在程序调度IO的时候，CPU就空闲下来了，直到程序调度完毕，才载入第二个程序，CPU才能继续工作。

多道批处理系统解决了这个问题。它将需要处理的作业按照队列（称为后备队列）放在外存上，依照一定的算法选择若干作业调入内存，使它们共享CPU和其他资源。这样，当程序A执行IO调度的时候，CPU可以处理程序B，提高了系统资源利用率和吞吐量，充分利用了CPU资源。但是平均周转时间长，也没有和用户交互的能力。

分时系统

直到60年代，出现了分时系统，简单地说就是一台主机配有多台显示器和键盘，允许多个用户同时操作自己的终端，且互不干扰。分时系统引入了时间片的概念，也就是每个作业只能运行一小段时间，然后暂停，调度下一个作业，然后暂停，然后调度下一个作业……一直循环。分时系统实现了多用户以及交互性。

实时系统

后来又出现了实时系统，所谓实时，指的是及时。实时系统能响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地执行。

微机操作系统

之后又出现了微机操作系统，包括单用户单任务的MS-DOS，单用户多任务的Windows(从Windows 1.0 -Windows 10)、多用户多任务的Unix OS及其延伸Solari OS 和 Linux。

操作系统的目标

方便性

操作系统提供了一系列接口和命令，让用户很方便地使用计算机。同时它提供的编译命令使程序员可以采用高级语言编程。

有效性

提高系统资源的利用率
提高系统的吞吐量

可扩充性

无结构 -> 模块化结构 -> 层次化结构 -> 微内核结构

开放性

遵循世界标准规范，尤其是OSI国际标准

操作系统的作用

作为用户与计算机硬件系统之间的接口

操作系统提供了一系列接口和命令，甚至是图形界面，让用户很方便地使用计算机。

操作系统同时提供系统调用，供软件开发时的函数调用。用户程序通过系统调用获得操作系统的服务。

管理计算机系统资源

所谓资源，包括了处理机、存储器、IO设备、文件（数据+程序），操作系统可对这些资源进行有效的管理。

同时，在多用户操作系统中，操作系统协调多个用户对共享资源的使用。

操作系统的特性

操作系统的共同特征有：并发、共享、虚拟和异步。

并发（Concurrence）

并行（parallel） 是指多个时间同一时刻同时发生。并发（Concurrence） 是指宏观上同时执行，但微观上多个事件在时间间隔内（交替）发生。操作系统中最能体现并发的，就是引入进程的概念。并发和进程是现代操作系统最重要的基本概念。

共享包括互斥共享方式和同时访问方式。互斥共享方式规定一段时间内，只允许一个进程访问某资源。而同时访问方式则没有这个限制，所有进程都能同时访问某资源。

值得注意的是，这里的同时，指的是宏观上的同时，在微观上，多个进程访问某一资源，是交替进行的。

虚拟（virtual）

OS 利用时分复用技术让用户或应用程序感觉计算机只为其服务。利用空分复用技术实现内存利用率，比如，一个100M的应用程序之所以能运行在30M的内存空间上，是因为内存只把暂时需要的数据调入内存，等到运行完成后释放掉这部分数据，调入下一部分的数据。

异步（Asynchronism）

不同的进程，有些CPU运算多一点，有些IO调度多一点，因为CPU速度比IO快得多，因此，后运行的进程可能比先运行的进程提前结束。进程的异步性指的就是进程是以人们不可预知的速度向前推进的。如果多个进程共享了同一个数据资源，那么由于并发，可能导致多次执行的结果不可再现，因此要在操作系统中配置完善的进程同步机制。

操作系统的功能

OS的基本功能包括：处理机管理、存储器管理、设备管理 和 文件管理。同时还需向用户提供方便的 用户接口。