操做系统基础

操做系统基础

1.1 为何要有操做系统

为了方便对硬件操做。若是没有操做系统，写程序的时候还要附带写一个对应的操做系统，而操做系统的代码量为百万级，很是耗时。

1.2 什么是操做系统？

操做系统就是一个协调、管理和控制计算机硬件资源和软件资源的控制程序。

1.2.1 操做系统的位置

 

 

 

系统调用 + 内核 =操做系统 ，它起到了承上启下的做用

操做系统位于计算机硬件与应用软件之间，本质也是一个软件。操做系统由操做系统的内核（运行于内核态，管理硬件资源）以及系统调用（运行于用户态，为应用程序员写的应用程序提供系统调用接口）两部分组成，因此，单纯的说操做系统是运行于内核态的，是不许确的。

1.3 操做系统的功能

操做系统有两部分功能

功能一：

隐藏了丑陋的硬件调用接口，为应用程序员提供调用硬件资源的更好，更简单，更清晰的模型（系统调用接口）。应用程序员有了这些接口后，就不用再考虑操做硬件的细节，专心开发本身的应用程序便可。

好比，磁盘资源的抽象是文件系统（C盘，D盘，E盘...下的目录及文件），有了文件的概念，咱们直接打开文件，读或者写就能够了，无需关心记录是否应该使用修正的调频记录方式，以及当前电机的状态等细节

功能二：

将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化，例如：不少应用软件实际上是共享一套计算机硬件，比方说有可能有三个应用程序同时须要申请打印机来输出内容，那么a程序竞争到了打印机资源就打印，而后多是b竞争到打印机资源，也多是c，这就致使了无序，打印机可能打印一段a的内容而后又去打印c...,操做系统的一个功能就是将这种无序变得有序（多路复用）

1.4 操做系统的发展史

1.4.1 第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

1.4.1.1 产生背景：

人类是想用机械取代人力，第一代计算机的产生是计算机由机械时代进入电子时代的标志。在这个时期，同一个小组里的工程师们，设计、建造、编程、操做及维护同一台机器，全部的程序设计是用纯粹的机器语言编写的，甚至更糟糕，须要经过成千上万根电缆街道插件板上连成电路来控制机器的基本功能。没有程序设计语言（汇编也没有），操做系统则是历来都没据说过，使用机器的过程更加原始。

1.4.1.2 特色：

没有操做系统的概念
全部的程序设计都是由纯粹的机器语言编写的

1.4.1.3 工做过程：

程序员在墙上的机时表预定一段时间，而后程序员拿着他的插件版到机房里，将本身的插件板接到计算机里，这几个小时内他独享整个计算机资源，后面的一批人都得等着(两万多个真空管常常会有被烧坏的状况出现)。

后来出现了穿孔卡片，能够将程序写在卡片上，而后读入机而不用插件板

同一时刻只有一个程序在内存中，被cpu调用执行，比方说10个程序的执行，是串行的。程序A执行结束后，才执行程序B。。。。。。。。。。。。

 

1.4.1.4 优势：

程序员在申请的时间段内独享整个资源，即时的调试本身的程序，若是有bug能够即时处理。

1.4.1.5 缺点：

这对于计算机提供商来讲是一种浪费

例如：一台电脑往外租，一次租2个小时，那么若是上一个用户在第一个小时就已经完成工做了，剩下的1个小时电脑就空闲了。而一天你只能租给12我的，至关于要浪费12个小时。

1.4.2 第二代计算机：晶体管和批处理系统

1.4.2.1 产生背景：

因为当时的计算机很是的昂贵，因此很天然的须要想办法减小机时的浪费。一般采用的方法就是批处理系统。

1.4.2.2 特色：

1.4.2.3 工做过程：

 

早期的批处理系统：

a）程序员将卡片拿到1401机处

b）1401机将批处理做业读到磁带上

c）操做员将输入磁带送至7094机处

d）7490机进行运算

e）操做员将输出磁带送至1401机处

f）1401机打印出结果

1.4.2.4 优势：

批处理，节省了机时。

1.4.2.5 缺点：

1.整个流程须要人参与控制，负责磁带的搬运

2.计算的过程仍然是顺序计算----->串行

3.程序员原来独享一段时间的计算机，如今必须被统一规划到一批做业中，等待结果和从新调试的过程都须要等同批次的其余程序都运做完才能够（这极大的影响了程序的开发效率，没法及时调试程序）

1.4.3.6 相比较第一代计算机作出的改善

第一代计算机的问题是：

人机交互太多了（人机交互过程：输入-->计算-->输出）

一我的的交互：输入-->计算-->输出

10我的的交互：

输入-->计算-->输出

输入-->计算-->输出

输入-->计算-->输出

输入-->计算-->输出

输入-->计算-->输出

第二代如何解决第一代的问题：

1.把一堆人的输入积攒成一大波输入

2.而后顺序计算（这依然是有问题的，可是第二代计算也没有解决）

3.把一堆人的输出积攒成一大波输出

 

简单来讲，就是批处理，可是仍然是存在问题的

1.4.3 第三代计算机：集成电路芯片和多道程序设计☆

1.4.3.1 产生背景：

20世纪60年代初期，大多数计算机厂商都有两条彻底不兼容的生产线。

一条是面向字的：大型的科学计算机，如IBM 7094，主要用于科学计算和工程计算

另一条是面向字符的：商用计算机，如IBM 1401，主要用于银行和保险公司从事磁带归档和打印服务

开发和维护彻底不一样的产品是昂贵的，同时不一样的用户对计算机的用途不一样。

IBM公司试图经过引入system/360系列来同时知足科学计算和商业计算，360系列低档机与1401至关，高档机比7094功能强不少，不一样的性能卖不一样的价格

360是第一个采用了（小规模）芯片（集成电路）的主流机型，与采用晶体管的第二代计算机相比，性价比有了很大的提升。这些计算机的后代仍在大型的计算机中内心使用，此乃如今服务器的前身，这些服务器每秒处理不小于千次的请求。

1.4.3.2 相较第二代计算机作出的改善

解决第二代问题1：

运用SPOOLING技术，解决了人工参与的问题。

卡片被拿到机房后可以很快的将做业从卡片读入磁盘，因而任什么时候刻当一个做业结束时，操做系统就能将一个做业从磁带读出，装进空出来的内存区域运行，这种技术叫作同时的外部设备联机操做：SPOOLING，该技术同时用于输出。当采用了这种技术后，就不在须要IBM1401机了，也没必要将磁带搬来搬去了

解决第二代问题2：

运用多道技术来解决顺序计算的问题

多道技术中的多道指的是多个程序，多道技术的实现是为了解决多个程序竞争或者说共享同一个资源（好比cpu）的有序调度问题，解决方式即多路复用，多路复用分为时间上的复用和空间上的复用。

  空间上复用：将内存分为几部分，每一个部分放入一个程序，这样，同一时间内存中就有了多道程序。

                                                                                 

  时间上复用：当一个程序在等待I/O时，另外一个程序可使用cpu，若是内存中能够同时存放足够多的做业，则cpu的利用率能够接近100%，相似于咱们小学数学所学的统筹方法

 

空间复用遇到问题，实现不了!

程序直接的内存必须分割，这种分割要在硬件层面实现，由操做系统控制实现。若是内存彼此不分割，则一个程序能够访问另一个程序的内存。

首先丧失的是安全性，好比你的qq程序能够访问操做系统的内存，这意味着你的qq能够拿到操做系统的全部权限。

其次丧失的是稳定性，某个程序崩溃时有可能把别人的内存也给回收了，比方说把操做系统的内存给回收了，则操做系统崩溃。

解决第二代问题3：

第三代计算机的操做系统仍然是批处理

许多程序员怀念第一代独享的计算机，能够即时调试本身的程序。为了知足程序员们很快能够获得响应，出现了分时操做系统。

 

分时操做系统: 多个联机终端+多道技术

20个客户端同时加载到内存，有17在思考，3个在运行，cpu就采用多道的方式处理内存中的这3个程序，因为客户提交的通常都是简短的指令并且不多有耗时长的，因此计算机可以为许多用户提供快速的交互式服务，全部的用户都觉得本身独享了计算机资源。

1.5 多道技术

多道技术中的多道指的是多个程序，多道技术的实现是为了解决多个程序竞争或者说共享同一个资源（好比cpu）的有序调度问题。时间上的复用和空间上的复用结合起来即是多道技术。

1.5.1 多路复用的定义

现代计算机或者网络都是多用户的，多个用户不只共享硬件，并且共享文件，数据库等信息，共享意味着冲突和无序。

操做系统主要是用来

1.记录哪一个程序使用什么资源

2.对资源请求进行分配

3.为不一样的程序和用户调解互相冲突的资源请求。

咱们可将上述操做系统的功能总结为：处理来自多个程序发起的多个（多个即多路）共享（共享即复用）资源的请求，简称多路复用

1.5.2 多路复用的实现方式

多路复用有两种实现方式：

1.时间上的复用

当一个资源在时间上复用时，不一样的程序或用户轮流使用它，第一个程序获取该资源使用结束后，在轮到第二个。。。。

只有一个cpu，多个程序须要在该cpu上运行，操做系统先把cpu分给第一个程序，在这个程序运行的足够长的时间（时间长短由操做系统的算法说了算）或者遇到了I/O阻塞，操做系统则把cpu分配给下一个程序，以此类推，直到第一个程序从新被分配到了cpu而后再次运行，因为cpu的切换速度很快，给用户的感受就是这些程序是同时运行的，或者说是并发的，其实是伪并行的。至于资源如何实现时间复用，或者说谁应该是下一个要运行的程序，以及一个任务须要运行多长时间，这些都是操做系统的工做。

2.空间上的复用（必须实现硬件层面的隔离）

每一个客户都获取了一个大的资源中的一小部分资源，从而减小了排队等待资源的时间。

多个运行的程序同时进入内存，硬件层面提供保护机制来确保各自的内存是分割开的，且由操做系统控制，这比一个程序独占内存一个一个排队进入内存效率要高的多。

有关空间复用的其余资源还有磁盘，在许多系统中，一个磁盘同时为许多用户保存文件。分配磁盘空间而且记录谁正在使用哪一个磁盘块是操做系统资源管理的典型任务。