Operation System

操作系统（OS）

1. 有特殊权限可以操作硬件

2. 运行和管理其它程序

3. 批处理：一次读取多个程序，运行完一个后自动运行下一个

4. 设备驱动程序，充当软硬件间的媒介

5. 多任务处理

6. 虚拟内存

7. 动态内存分配

8. 内存保护

设备驱动程序

不同计算机配置不同，又连着各种不同的外设，早期程序员必需了解设备硬件细节才能写程序，进而导致程序员需要拿到所有型号的硬件设备来测试代码。

设备驱动程序：操作系统提供 API 来抽象硬件，使得程序员可以通过标准化机制和 I/O 硬件交互。

多任务处理

到 1950 年代末，电脑已经非常快了，处理器经常闲着等待慢的机械设备（比如打印机和读卡器），程序便阻塞在了 I/O 上。

1962 年开发完成的 Atlas Supervisor 通过调度实现了在单个 CPU 上同时运行多个程序。

以需要打印数据的程序 A 和无需进行 I/O 操作的程序 B 举列

• Atlas 运行程序 A 直至需要打印数据

• Atlas 将需要打印的数据和打印命令发给打印机后就将程序 A 挂起

• Atlas 转而去运行程序 B

• 打印机打印完数据后通知 Atlas

• Atlas 将程序 B 挂起，回来继续运行程序 A 至其结束

注：这里的多任务处理就是常说的并发。

虚拟内存

多个程序运行在单个 CPU 上时，每个程序都会占一些内存，当切换程序时，我们不能丢失数据。解决办法是给每个程序分配专属内存。

由操作系统决定每个程序分配多大的内存块、分配在那个位置。但这带来了一个问题“程序 A 可能被分配到非连续的内存块”。

为了隐藏和抽象这种程序在内存实际物理位置上分配的复杂性，操作系统把内存的地址进行“虚拟化”，即虚拟内存。

借助虚拟内存，程序可以假定内存总是从地址 0 开始。

虚拟内存机制使程序的内存大小可以灵活增减，即动态内存分配。对程序来说，内存看起来总是连续的，为多任务处理提供了极大的灵活性。

给程序分配专用的内存范围，另一个好处就是更好隔离程序。一个程序出错只会捣乱它自己的内存，不会影响到其它程序，即内存保护。内存保护还可以用来防止恶意软件。

多用户分时操作系统

1970 年代，计算机足够便宜，大学买了让学生用，多个学生用多个终端连接到主机。这就需要操作系统不但要同时处理多个程序，还要处理多个用户，操作系统便进化到了分时操作系统。

分时操作系统：每个用户只能用一小部分处理器、内存等，因为电脑足够快，即使拿到 1/50 的资源也足以完成许多任务。

1969 年发布的 Multics 是早期影响力最大的分时操作系统，也是第一个从设计时就考虑到安全的操作系统。

Unix

Multics 的研究员之一 Dennis Ritchie 曾说“阻碍 Multics 获得商业成功的一个明显问题是，从某方面来说，它被过度设计了，功能太多了”。

所以 Dennis 和另一个 Multics 的研究员 Ken Thompson 联手打造了 Unix，他们想把操作系统分为两部分:

1. 操作系统的核心功能：内存管理，多任务和 I/O 处理，即 kernel（内核）

2. 一堆有用的工具：程序和运行库

Dennis 在设计 Unix 时大胆的提出了 kernel panic（内核恐慌）的概念：大幅减少错误恢复代码，有错误发生，就调用 panic 函数让设备崩溃。

因为 Unix 的简单性，使其能在更多更便宜的硬件上运行，也使其在 Dennis 和 Ken 工作的贝尔实验室大受欢迎，工具数量日益增长。从 1971 年发布后不久，就有人写了不同编程语言的编译器和文字处理器。

MS-DOS

微软的磁盘操作系统 MS-DOS 于 1981 年发布，成为早期家用电脑最受欢迎的 OS。

MS-DOS 的一大问题是其缺少多任务和内存保护功能，直到微软 1985 年发布的早期 Windows（在 90 年代很流行）都依然缺乏内存保护。一旦程序运行不当就会蓝屏，代表程序崩溃得非常严重，以致把系统也带崩溃了。