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操作系统 OS

起源：

  • 1940,1950 年代的电脑，每次只能运行一个程序，程序员在打孔纸卡上写程序，然后拿到一个计算机房间, 交给操作员，等计算机空下来了，操作员会把程序放入，然后运行，输出结果，停机。
  • 当时计算机慢，运行一个程序通常要几小时，几天甚至几周，这种手动放程序的做法可以接受。
  • 但随着计算机硬件的爆炸式增长，计算机运行速度越来越快，呈指数级增长，手动放程序的时间比程序运行时间还长。
  • 因此需要一种方式，让计算机自动运作，于是操作系统诞生了

定义和作用：

  • 操作系统也是程序，一般是开机第一个启动的程序，其他所有程序都由操作系统启动
  • 操作系统有操作硬件的特殊权限，可以运行和管理其它程序

批处理 batch processing

定义：当计算机运行完一个程序，会自动加载运行下一个程序。

设备驱动程序 device drivers

起源：计算机变得越来便宜，越来越普及，也出现了很多不同的计算机配置（CPU、外部设备等）。程序员写程序要处理不同的硬件细节，很痛苦。为了让程序员写软件更容易，由操作系统负责提供 API 来抽象硬件，隐藏复杂度和实现细节。
操作系统的功能：

  • 操作系统充当软件和硬件之间的媒介
  • 更具体地说，操作系统提供 API 来抽象硬件，叫”设备驱动程序“。程序员只需调用相应的标准化接口，就能和外部设备进行交互，而不用管实现的细节。

多任务处理 multitasking

起源：计算机处理器的运行速度越来越快，因此往往处理器空闲，等待速度慢的机械设备（比如打印机和读卡器等外部设备），使得程序阻塞在 I/O 上。需要一种方式来最大限度地利用计算机性能。
实例：

  • 50年代后期，英国曼彻斯特大学开始研发世界上第一台超级计算机，Atlas。他们开发了一个叫 Atlas Supervisor 的程序（操作系统）来最大限度地利用这台超级计算机。
  • 这个操作系统不仅能像早期的 批处理操作系统 一样自动加载程序，而且能通过调度实现在单个 CPU 上同时运行多个程序，即多任务处理。
  • 这个操作系统运行多个程序的例子：
    • 一个游戏程序正在运行，游戏结束要打印游戏最高分，打印会调用外部设备（打印机），外部设备运行速度比 CPU 慢很多，因此将该程序休眠（休眠时该程序进行 I/O 操作，即打印，但不分配 CPU，CPU运行另外的程序）
    • CPU 去运行另一个程序
    • 游戏程序打印完成，操作系统将该程序标记为可继续执行。之后的某个时刻，操作系统会再分配 CPU 给该游戏程序，继续运行打印之后的代码。
    • 该超算配备了4台纸带读取器，4台纸带打孔机，8个磁带驱动器，因此可以使得多个程序可以同时运行，在单个 CPU 上共享时间

虚拟内存 virtual memory

起源：

  • 操作系统同时运行多个程序（多任务处理）会导致一个问题：每个程序都会占一些内存，但是当切换到另一个程序时，我们不能丢失数据
  • 解决办法是 给每个程序分配专属内存块。但是又有一个问题，一个程序可能会分配到地址不连续的内存块，程序员跟踪不连续的地址很困难，因此可以提升一层抽象，使用虚拟内存来隐藏实际物理地址的复杂性。

功能：操作系统将实际的内存地址虚拟化，程序可以假定内存总是从地址0开始，且地址连续。
优点：

  • 这种机制使程序的内存大小可以灵活增减，即”动态内存分配“，这种简化为操作系统同时运行多个程序提供了极大的灵活性
  • 给程序分配专用的内存范围，程序与程序之间的内存相互隔离，如果一个程序出错（例如开始写乱七八糟的数据），只会捣乱自己的内存，而不影响其他程序，即“内存保护”。也可以防止病毒等恶意软件。

多用户分时操作系统

定义：把计算机主机与许多终端用户连接起来，分时操作系统将系统资源（CPU 时间与内存空间等）按一定的时间间隔，轮流地切换给各终端用户的程序使用。由于切换时间间隔很短，每个用户的感觉就像他独占计算机一样。
起源：到 1970 年代，计算机足够快且便宜，大学会买电脑让学生用，多个用户用”终端”来访问计算机。”终端”只是键盘+屏幕，连到主计算机，终端本身没有处理能力。
功能：多用户分时操作系统不但要处理多个程序，还要处理多个用户，确保其中一个终端的程序不会占满计算机资源，每个用户只能用一小部分处理器、内存等计算机资源。
实例：Multics

  • Multics 是第一个，从设计时就考虑到安全的操作系统（一半代码都是错误恢复代码）
  • 这导致 Multics 的复杂度超过当时的平均水准，操作系统会占大约 1 Mb 内存，在当时大约是一半的内存
  • 过度设计，商业上失败

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Unix

设计理念：抛弃 Multics 的过度设计，将操作系统分成两部分：

  • 内核：操作系统的核心功能，如内存管理，多任务和输入/输出处理等
  • 其他工具：程序和运行库等，虽然是有用的工具，但不是内核的部分

缺点：

  • 紧凑的内核 意味着功能没有那么全面
  • 如果有错误发生，就让内核”恐慌”（panic），机器崩溃，需重启电脑解决

发展：1970~80年代最流行的操作系统之一

MS-DOS

起源：

  • 计算机价格下降，出现个人电脑或家庭电脑，这些电脑比大型主机简单得多，操作系统也得简单
  • 1981 年发布，成为早期家用电脑最受欢迎的操作系统

缺点：

  • 缺少”多任务”和”保护内存”这样功能，程序经常使系统崩溃，要求用户重启

后续操作系统

  • 早期 Windows：依旧缺乏 内存保护，当程序行为不当时，就会”蓝屏“
  • 新版 Windows：有更好的保护，不会经常崩溃
  • 现代操作系统：Mac OS X，Windows 10，Linux，iOS 和 Android
    • 操作系统有 多任务，虚拟内存， 内存保护 等功能，可以同时运行多个程序。