什么是操做系统？

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外甥上大一了，起初我还很是担忧他，担忧主要有两方面的缘由：

• 从小一直是校草，长的太帅，会不会每天谈恋爱去了
• 担忧在大学没能作好本身的规划

因而常常和他视频聊天，外甥小我没几岁，咱们常常以兄弟相称，聊起来天然和谐

从我这几回和他聊天能够看出，个人担心有些太过了

他好像从没刻意他的帅气，而是不断的充实本身的才华，篮球打得好、街舞跳的好、还去参加各类志愿者活动

关键是最近还对计算机产生了强烈的兴趣。

唉，帅就算了，还这么认真，这年轻人不讲武德啊

上周末打电话，居然问我什么是操做系统？ 为何要有操做系统？

因而就有了这篇文章，也准备把我外甥的计算机相关疑问所有承包了，喜欢我记得关注我 公号 龙跃十二

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什么是操做系统？

说实话很难有一个准确的定义去描述操做系统，看了多本关于操做系统的书中是这样说的。

操做系统是一个运行在内核态的软件，该软件对底层各类硬件资源作了抽象和管理，并提供统一的API接口供应用程序去调用这些资源。

这句话涵盖了好几个知识点

1. 操做系统是一个软件
2. 操做系统软件运行在内核状态下的软件，不在用户态下，应用开发者开发的各类系统软件都是在用户态下运行的

撒是用户态，撒是内核态？你很喜欢剖根问底，这个后面再说

1. 对各类底层硬件资源进行了抽象和管理

   抽象了处理器、存储器、时钟、磁盘、网络接口、外设等底层硬件资源，把各类资源都抽象为一个个的文件描述符

   设想一下，多核状况下，多个应用程序同时使用一种资源，就会形成混乱局面，此时操做系统就会扮演一个管理者去管理这些资源的使用者。

   1. 提供统一对外访问的接口

   

   操做系统处在中间层，上面有各类系统应用程序、开发人员、用户，下面有各类计算机硬件资源。

   怎么脑海中浮现了 上下为难 的表情包，哈哈哈有内味了

   操做系统设计者和硬件编程人员能够直接去操做硬件资源

   操做系统设计者这不用解释了，都懂的，都在设计操做系统了，总不至于不能操做硬件资源吧

   硬件编程人员这个你们可能稍微陌生点，有一类开发人员是直接对硬件进行操做的，若是是你是学习电子信息相关专业的，应该很熟悉烧程序。

   大学作实验的时候龙叔就常常把写好的汇编程序或者C语言程序编译完成了直接烧到计算机硬件上，这叫烧程序。

   我写的程序里面有对硬件资源进行操做，好比操做某某管脚、某个串口等等

   因此没有操做系统也是能够直接操做计算机硬件资源，也是能够跑程序的

   那为啥还要操做系统呢？

   为何要有操做系统？

   上面已经说了，没有操做系统是能够操做计算机硬件资源的，那为何要有呢？

   1）最先期计算机是没有操做系统的，每次要变动一下功能，都要手动去调整硬件，费时费力。

   2）随着电子管技术的发展，各类硬件资源能够作成通用的，此时就急切须要一个操做系统去控制这些资源，每次改功能，只须要修改输入的信号便可。

   3）提高计算机的功能性和灵活性

   操做系统的演变

   串行处理

   20世纪40-50年代，电子管技术获得了发展，诞生了第一台电子管计算机

   

   因为零件的集成度过低，一台计算机必须用一个大house来放置

   并且这台机器当时数百万美圆的标价，价格是真的贵，通常人用不起，都是一些豪横的组织才用得起

   早期的计算机是没有操做系统的，操做人员直接和计算机硬件交互，相似下面这样

   

   全部的操做在控制台上进行，控制台上有显示灯、触发器、输入输出设备

   每次做业都须要有专门的的人员来操做，使用汇编语言写程序到纸片上，再穿孔成卡片，再将这些卡片交给专门的操做人员去操做，再花费时间等操做结果。

   计算机成本高，操做过程复杂，时间还长

   人们很天然就想到减小机器时间的浪费，因而就诞生了批处理系统。

   批处理系统

   到了20世纪50年代General Motors开发了批处理系统，那时候被称为 监控系统

   监控系统是常住在内存中的，他作的事情就是

   1. 加载用户程序到用户程序段
   2. 把控制权交给用户程序
   3. 读取用户程序指令交给处理器
   4. 将处理器的执行结果输出到设备
   5. 用户程序完成后交回控制权
   6. 进行下一个循环

   

   总结一下，监控程序主要主要完成调度功能，一批做业排队等待，处理器尽量的被充分利用，不让他有任何空闲时间。

   监控程序很大程度上提升了处理器的利用率，减小了处理器空闲时间

   多道系统

   批处理系统已经提升了程序的利用率，但仍是没最大化压榨

   监控程序和用户程序须要来回切换转换控制权，这部分时间处理器闲置

   监控程序在作IO操做时，因为IO是比较慢的，磁盘读写很慢的，此时处理器须要等待

   为了更好的利用处理器的计算性能，大佬们搞出了多道系统

   

   多道系统就是同时加载多个用户程序，当其中一个用户程序须要IO等待时，切换到另外一个不在等待IO的用户程序进行处理。

   这就很好的减小处理器资源的浪费，同时提升了程序处理的效率。

   多道系统会比单道系统复杂不少，好比 全部程序都在内存中，涉及到 内存管理

   多个用户程序须要运行处理器先运行谁？ 这涉及到 调度算法

   固然 别慌张，这些知识都会在后面的文章中讲到。

   分时系统

   多道系统已经解决了处理器资源合理且高效利用问题，可是随着计算机的发展，人们对于计算机又有了新的需求 交互式处理。

   计算机须要具有多个用户同时访问、操做和处理用户程序，此时 分时系统 就应运而生了。

   举个例子：程序A是一个很是消耗处理器资源的程序通常运行一次须要10分钟，程序B是一个简单计算程序，运行一次只须要1分钟。

   在多道系统里，只能是程序A处理完了才能处理B，可是这B等着着急啊

   因而就有了分时系统，CPU资源对用户程序是公平的，每个用户拥有的资源是公平的

   

   利用上下文信息，去切换CPU执行的时间，作到尽量让每一个用户都平等拥有资源

   在这个过程当中，处理器的性能并无提高，反而会由于调度切换下降利用率，可是对用户来讲提升了用户程序响应效率。

   分布式系统

   随机计算机的发展，终于到了我的电脑的出现，这时候计算机又增长了新的需求，多个计算机之间网络互连、多核利用等等

   因而就诞生了分布式系统，分布式系统就是在网络的帮助下实现实时的计算和协同处理

   操做系统的体系结构

   操做系统是一种系统软件，在理解这个层次结构时能够结合软件设计的层次结构。

   单体系统

   整个操做系统在内核以单一程序的方式运行

   

   早期MS_DOS系统简单结构如上图所示，操做系统和应用程序以及设备驱动均可以操做硬件。

   能够看出来没有很好的模块划分和分离，这种方式的好处是任意调用都比较高效，缺点是程序大而且复杂的调用会让操做系统变得笨拙且难以理解。

   再来看看早起UNIX系统结构

   

   能够看到早期Unix系统结构也是有限的结构化，主要是早期受到硬件限制

   早期考虑操做系统设计的核心要素是 在最小的空间里面提供最多的功能

   特别像互联网公司初期的系统架构，所有单体应用，全部服务在一块儿，随着业务复杂、并发增长

   渐渐这种单体应用的优点会彻底被覆盖，公司不得不进行架构升级

   层次式系统

   单体结构的缺点在硬件不断发展和用户需求激增下愈来愈明显

   相似公司规模不断增大，早期架构的一点点优点愈来愈敌不过缺点了，不得不进行架构升级

   层次化结构的原则是：每一层只能使用下一层提供的服务

   最先的层次化结构系统是Dijkstra大佬设计出来的，叫THE OS，他把整个系统分为了6层

   

   这种层次化结构的显著优势：

   • 底层和高层 甚至于每层只要按照规则 均可以分别实现，便于扩充
   • 上层的错误不会影响下层，便于调试、功能的增删改
   • 调用关系清楚，上层对下层的单向依赖，避免递归调用，保证了设计和实现的正确性
   • 可移植性很是好

   固然也有显著的缺点：

   • 系统中全部进程的控制转移、通讯等任务都交给系统的核心去管理，代价较大
   • 层次的划分和安排，要保证不出现双向依赖关系

   微内核

   微内核体如今一个微字， 怎么样来达到这个微呢？

   1. 经过划分系统程序和用户程序，把全部没必要要的部分移除内核，造成一个小内核
   2. 微内核提供最少许的进程管理、存储管理、以及通讯功能

   

   整个操做系统由两部分组成，运行在核心态的内核和运行在用户态的而且以C/S模式提供服务

   Windows NT就是以这种架构方式

   微内核的显著优势：

   内核精巧，内核提供核心功能 进程管理、存储管理、以及通讯功能

   面向多处理机和分布式系统，基于微内核的系统在内核中引入了多处理机调度和管理机制，而且引入了线程，有了线程就有了并行执行，这可不得了啊。

   基于C/S体系结构 微内核的任务通讯机制和消息机制采用CS模式向用户提供服务

   现代操做系统的体系结构就是微内核与层次式结构的结合体

   以上就是本期的主要内容，基本回答了外甥的问题，也但愿能解答你们的疑惑。

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   我是龙su，一个倾慕外甥帅气容颜的舅舅，一个半吊子架构师，咱们下期见。