操作系统解析
计算机操作系统
- 第三节： 操作系统简介
- 3.1 为什么要有操作系统
- 3.2 什么是操作系统
- 3.3 操作系统与普通软件的区别
- 3.4 操作系统发展史
- 3.5 附录及参考资料
第三节： 操作系统简介
3.1 为什么要有操作系统
现代的计算机系统主要是由一个或者多个处理器，主存，硬盘，键盘，鼠标，显示器，打印机，网络接口及其他输入输出设备组成。
一般而言，现代计算机系统是一个复杂的系统。
其一：如果每位应用程序员都必须掌握该系统所有的细节，那就不可能再编写代码了（严重影响了程序员的开发效率：全部掌握这些细节可能需要一万年…）
其二：并且管理这些部件并加以优化使用，是一件极富挑战性的工作，于是，计算安装了一层软件（系统软件），称为操作系统。它的任务就是为用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型，并管理刚才提到的所有设备。
总结：
程序员无法把所有的硬件操作细节都了解到，管理这些硬件并且加以优化使用是非常繁琐的工作，这个繁琐的工作就是操作系统来干的，有了他，程序员就从这些繁琐的工作中解脱了出来，只需要考虑自己的应用软件的编写就可以了，应用软件直接使用操作系统提供的功能来间接使用硬件。
3.2 什么是操作系统
精简的说的话，操作系统就是一个协调、管理和控制计算机硬件资源和软件资源的控制程序。操作系统所处的位置如图
操作系统位于计算机硬件与应用软件之间，本质也是一个软件。操作系统由操作系统的内核（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，所以，单纯的说操作系统是运行于内核态的，是不准确的。
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，就不用再考虑操作硬件的细节，专心开发自己的应用程序即可。
例如：操作系统提供了文件这个抽象概念，对文件的操作就是对磁盘的操作，有了文件我们无需再去考虑关于磁盘的读写控制（比如控制磁盘转动，移动磁头读写数据等细节），
二：将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化
例如：很多应用软件其实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需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，然后可能是b竞争到打印机资源，也可能是c，这就导致了无序，打印机可能打印一段a的内容然后又去打印c...,操作系统的一个功能就是将这种无序变得有序。
作用一：为应用程序提供如何使用硬件资源的抽象
例如：操作系统提供了文件这个抽象概念，对文件的操作就是对磁盘的操作，有了文件我们无需再去考虑关于磁盘的读写控制
注意：
操作系统提供给应用程序的该抽象是简单，清晰，优雅的。为何要提供该抽象呢？
硬件厂商需要为操作系统提供自己硬件的驱动程序（设备驱动，这也是为何我们要使用声卡，就必须安装声卡驱动。。。），厂商为了节省成本或者兼容旧的硬件，它们的驱动程序是复杂且丑陋的
操作系统就是为了隐藏这些丑陋的信息，从而为用户提供更好的接口
这样用户使用的shell，Gnome，KDE看到的是不同的界面，但其实都使用了同一套由linux系统提供的抽象接口
作用二：管理硬件资源
现代的操作系统运行同时运行多道程序，操作系统的任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他I/O接口设备的分配。
例如：
同一台计算机上同时运行三个程序，它们三个想在同一时刻在同一台计算机上输出结果，那么开始的几行可能是程序1的输出，接着几行是程序2的输出，然后又是程序3的输出，最终将是一团糟（程序之间是一种互相竞争资源的过程）
操作系统将打印机的结果送到磁盘的缓冲区，在一个程序完全结束后，才将暂存在磁盘上的文件送到打印机输出，同时其他的程序可以继续产生更多的输出结果（这些程序的输出没有真正的送到打印机），这样，操作系统就将由竞争产生的无序变得有序化。
3.3 操作系统与普通软件的区别
1.主要区别是：你不想用暴风影音了你可以选择用迅雷播放器或者干脆自己写一个，但是你无法写一个属于操作系统一部分的程序（时钟中断处理程序），操作系统由硬件保护，不能被用户修改。
2.操作系统与用户程序的差异并不在于二者所处的地位。特别地，操作系统是一个大型、复杂、长寿的软件，
大型：linux或windows的源代码有五百万行数量级。按照每页50行共1000行的书来算，五百万行要有100卷，要用一整个书架子来摆置，这还仅仅是内核部分。用户程序，如GUI，库以及基本应用软件（如windows Explorer等），很容易就能达到这个数量的10倍或者20倍之多。
长寿：操作系统很难编写，如此大的代码量，一旦完成，操作系统所有者便不会轻易扔掉，再写一个。而是在原有的基础上进行改进。（基本上可以把windows95/98/Me看出一个操作系统，而windows NT/2000/XP/Vista则是两位一个操作系统，对于用户来说它们十分相似。还有UNIX以及它的变体和克隆版本也演化了多年，如System V版，Solaris以及FreeBSD等都是Unix的原始版，不过尽管linux非常依照UNIX模式而仿制，并且与UNIX高度兼容，但是linux具有全新的代码基础）
3.4 操作系统发展史
（操作系统工作方式的演变——20世纪五六十年代）
手工操作（无操作系统）
人们先把程序纸带（或卡片）装上计算机，然后启动输入机把程序和送入计算机，接着通过控制台开关启动程序运行。计算完毕，打印机输出计算结果，用户卸下并取走纸带（或卡片）。第二个用户上机，重复同样的步骤。
特点： 用户独占机器，CPU等待手工操作，CPU利用不充分
由于手工操作的满速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾，手工操作的方式是计算机的资源利用率极低，唯一的解决办法只有摆脱手工操作，实现作业的自动过渡。
批处理系统
批处理系统： 加载计算机上的一个监督软件，在监督程序的控制下，计算机能够自动的、成批的处理一个或多个用户的作业（作业包括程序、数据、命令）。
首先出现的是联机批处理系统，即作业的输入输出由CPU来处理。
联机批处理系统： 在主机和输入机之间增加两个存储设备——磁带机，在监督程序的自动控制下，计算机自动完成任务。
成批的把输入机上的用户作业读入磁带，依次把磁带上的用户作业读入主机内存并执行，执行完成后把计算结果想输出机输出。 完成一批作业后，监督程度又从输入机读取作业存入磁带机。按照上面的步骤重复处理任务。监督程序不停的处理各个作业，实现了作业的自动转接，减少了作业的建立时间和手工操作时间，有效的克服了人机矛盾，提高了计算机资源的利用率。
问题： 在输入作业和输出结果时，CPU还是会处于线空闲状态，等待慢速的输入/输出设备完成工作——主机处于忙等状态。
脱机批处理系统：为了克服与缓解告诉主机与慢速外设（输入输出设备），提高CPU利用率，用又引入了脱机批处理系统，即输入输出脱离主机控制。
显著特征就是：增加一台不与主机直接相连卫星机。卫星机用来从输入机上读取用户作业并放到磁带机上；将磁带机上的执行结果传给输出机。这样主机不再与慢速的输入输出设备连接。主机与卫星机两者并行工作，分工明确，可充分发挥主机的告诉计算能力。
问题：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲。
多道程序系统
多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。
单道程序运行过程 ：在A程序计算时，I/O空闲， A程序I/O操作时，CPU空闲（B程序也是同样）；必须A工作完成后，B才能进入内存中开始工作，两者是串行的，全部完成共需时间=T1+T2。
多道程序运行过程 ：将A、B两道程序同时存放在内存中，它们在系统的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上运行：当A程序因请求I/O操作而放弃CPU时，B程序就可占用CPU运行，这样 CPU不再空闲，而正进行A I/O操作的I/O设备也不空闲，显然，CPU和I/O设备都处于“忙”状态，大大提高了资源的利用率，从而也提高了系统的效率，A、B全部完成所需时间 多道程序设计技术不仅使CPU得到充分利用，同时改善I/O设备和内存的利用率，从而提高了整个系统的资源利用率和系统吞吐量（单位时间内处理作业（程序）的个数），最终提高了整个系统的效率 （1）多道：系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中，组成一个后备队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行，运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。 20世纪60年代中期，在前述的批处理系统中，引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统。 多道批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。即使CPU可以1分钟运算100W次，如果作业是按照每分钟100次来做运算，资源被大大浪费。 分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。 问题： 无法对特殊任务做出及时响应 虽然多道批处理系统和分时系统能获得较令人满意的资源利用率和系统响应时间，但却不能满足实时控制与实时信息处理两个应用领域的需求。于是就产生了实时系统，即系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。 实时系统可分成两类： 通用操作系统 操作系统的三种基本类型：多道批处理系统、分时系统、实时系统。 具有多种类型操作特征的操作系统。可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。 我们举例来说明一下系统的发展过程： 我们以去银行办理业务，这个银行只有一个窗口可以办理业务。离业务窗口不远的地方是等候区，两者之间走路需要1分钟。 问题： 每次在用户走向/离开业务窗口的时候，都需要等到一分钟，办理一个人的业务就需要等待2分钟。如果业务处理一个人的业务需要一个小时的时候，这个问题并不明显，但是随着业务窗口办理业务的速度加快，变成10分钟处理一个业务的时候，这个问题就凸显出来了。不那里业务的速度越快，问题就明显。 （ 此时相当于操作系统的发展史中的——手工操作） 在此基础上改进，调度员T 每次安排多个队伍，在处理第一个队伍的时候，队伍2已经被调度员T安排好， 这样就避免了在 每次队伍走向业务窗口和离开窗口的时候浪费的时间。（此时相当于联机批处理系统） 问题： 如果业务窗口在为某人办理业务的时候，办理业务的人来了个电话，这个时候业务窗口就需要等待他打完电话后才能继续办理业务。 问题：办理业务的时候，一个人独占业务窗口，资源效率低。 问题： 如果这个时候，行长的亲戚来办理业务，但是行长亲戚不想等，希望自己的业务马上被处理。这个时候，就无法满足需求了。现在无法满足实时问题的处理。 更形象的例子是，比如我们在开飞机，突然发现前面有一座大山，这个时候就需要我们马上进行规避动作，躲开大山，对于非实时系统在此时需要有一个响应时间，如果响应时间过长，飞机就会撞山。 早期的操作系统非常多样化，生产商生产出针对各自硬件的系统。每一个操作系统都有很不同的命令模式、操作过程和调试工具，即使它们来自同一个生产商。最能反映这一状况的是，厂家每生产一台新的机器都会配备一套新的操作系统 同一厂家 相同的操作系统 1965年时，AT&T公司 下贝尔实验室(Bell Labs)加入一项由奇异电子(General Electric)和麻省理工学院(MIT)合作的计划；该计划要建立一套多使用者、多任务、多层次(multi-user、multi- processor、multi-level)的MULTICS操作系统。 其中有一个 叫Ken Thompson 的人 ，因为工作需要，他希望开发一个小小的作业系统，，他花了一个月的时间 在这台PDP-7上写了一个作业系统，和一些常用的工具程序，——这就是鼎鼎大名的Unics——后被改名为Unix。 到了1970年，PDP-7却只能支持两个用户 ，因为PDP-7的性能不佳，肯·汤普逊 与丹尼斯·里奇决定把第一版UNIX移植到PDP-11/20的机器上，开发第二版UNIcs。在性能提升后，真正可以提供多人同时使用， 布莱恩·柯林汉提议将它的名称改为UNIX。 Unix被称为计算机/互联网行业的基石。 肯·汤普逊的同事看到他写的程序很好用，都开始使用这个系统，中间经过了多次改版。 由于当时的机器结构不同，所以每次安装系统时，都需要重新编写一遍。 第一版的Unix是使用汇编语言和B语言来开发的，B语言不够强大，所以Thompson和Ritchie对其进行了改造，并于1971年共同发明了C语言。 1973年Thompson和丹尼斯·里奇用C语言重写了UNIX。这个时候，Unix的正式版本发行了。 由于UNIX的高度可移植性与强大的性能，加上当时并没有版权纠纷，所以很多商业公司开始了UNIX操作系统的开发，例如AT&T自己的System V、IBM的AIX以及HP与DEC等公司，都采用自己的主机与自己的UNIX操作系统。但当时 并没有统一的硬件标准，不同公司生产的硬件 不一样，不同公司开发的的程序 无法兼容使用，只能运行在自己公司生产的硬件里。这个时候也没有人针对个人电脑来开发unix系统。 Windows系统、苹果系统？ 先看一下下图： 这个时候有一位 Andrew Tanenbaum（谭邦宁）教授，在1984-1986年间写了一个叫Minix的Unix Like 核心程序；意思为：mini unix，并且与 unix兼容、支持X86 个人电脑。为避免版权纠纷，在编写的时候不看unix的源代码。由于谭邦宁教授 认为Minix主要用在教育事业上，所以对MInix的开发只是点到为止，不能满足用户的需求。 在1988年间，Linus Torvalds 进入了赫尔辛基大学，选读了计算机科学系。在就学期间，托瓦兹接触到了Unix 这个操作系统，但是使用unix需要等待，其他人使用的时候他就无法使用。他就想“我为什么不自己搞一部Unix玩？” ， 不久之后，他就听说有一个类似 Unix 的系统，和 Unix 完全兼容，还可以在 Intel 386 机器上面跑的操作系统， 于是他在购买了最新的 Intel 386 的个人计算机后，就立即安装了 Minix 这个操作系统。 托瓦兹跟在研究Minix的过程中，发现 Minix 虽然真的很棒，但是谭宁邦教授就是不愿意进行功能的加强，导致一堆工程师在操作系统功能上面的欲求不满！ 这个时候年轻的托瓦兹就想：『既然如此，那我何不自己来改写一个我想要的操作系统？』 二是他就开始了核心程序的撰写了。 到了1991年，Linus Torvalds在BBS上面贴了一则消息，宣称他以bash、gcc等工具写了一个小小的核心程序，不过还不够，他希望这个程序可以获得大家的一些修改建议，这个核心程序可以在Intel的386机器上运行。同时提供了下载地址。这让很多人感兴趣，从此便开始了Linux不平凡的路程。 Linux版本分支 Linux 应用领域 1. 企业服务器 - 企业 Android 2003 安迪·鲁宾创办了Android公司 。Android–基于Linux内核的开放移动操作系统 苹果公司 1973年施乐公司开发除了Alto——真正意义上的个人PC，有键盘、显示器、图形界面、以太网等。 但是并没有重视。 3.5.1 百度百科：操作系统发展史
（2）成批：在系统运行过程中，不允许用户与其作业发生交互作用，即：作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行。
批处理系统的追求目标：提高系统资源利用率和系统吞吐量，以及作业流程的自动化。
批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。
虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。
分时系统
若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是，好象他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己的终端向系统发出各种操作控制命令，在充分的人机交互情况下，完成作业的运行。
具有上述特征的计算机系统称为分时系统，它允许多个用户同时联机使用计算机。
实时系统
（1）实时控制系统。当用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时，要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，及时地对飞机或导弹进行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。当用于轧钢、石化等工业生产过程控制时，也要求计算机能及时处理由各类传感器送来的数据，然后控制相应的执行机构。
（2）实时信息处理系统。当用于预定飞机票、查询有关航班、航线、票价等事宜时，或当用于银行系统、情报检索系统时，都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。此类对响应及时性的要求稍弱于第一类。
实时操作系统的主要特点：
（1）及时响应。每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在严格的时间限制内完成。
（2）高可靠性。需采取冗余措施，双机系统前后台工作，也包括必要的保密措施等。
例如：实时处理+批处理=实时批处理系统。首先保证优先处理实时任务，插空进行批处理作业。常把实时任务称为前台作业，批作业称为后台作业。
再如：批处理+分时处理=分时批处理系统。即：时间要求不强的作业放入“后台”（批处理）处理，需频繁交互的作业在“前台”（分时）处理，处理机优先运行“前台”作业。
从上世纪60年代中期，国际上开始研制一些大型的通用操作系统。这些系统试图达到功能齐全、可适应各种应用范围和操作方式变化多端的环境的目标。但是，这些系统过于复杂和庞大，不仅付出了巨大的代价，且在解决其可靠性、可维护性和可理解性方面都遇到很大的困难。
这种情况一直持续到二十世纪六十年代IBM公司开发了System/360系列机器。尽管这些机器在性能上有明显的差异，但是他们有统一的操作系统——OS/360
Multics 的目标是整合分时技术以及当时其他先进技术，允许用户在远程终端通过电话（拨号）登录到主机，然后可以编辑文档，阅读电子邮件，运行计算器等等。但是项目目标太过激进，进度严重滞后。最后，直到1969年AT&T 高层决定放弃这个项目。
同年，学术界参与到UNIX的开发工作中，重要的就是加州伯克利（Berkeley）大学。伯克利大学的Bill Joy在获取了UNIX的核心源码后，着手修改成适合自己机器的版本，并且同时增加了很多工具软件与编译程序，最终将其命名为Berkeley Software Distribution（BSD）。
一直到1979年，AT&T推出 System V 第七版 Unix ，这个时候开始支持个人电脑。出于商业上的考虑，AT&T决定收回unix的版权，最重要的就是不可对学生提供源代码。学校受到很大的冲击，教学受到影响。
2. 嵌入式 - 手机、个人数字助理(PDA)、消费性电子产品及航空航天等领域中
3. 桌面- 个人电脑
4. 其他
2005年，Android公司被Google收购
2007年11月5日，谷歌公司正式公布Android操作系统
Apple-I
Macintosh,简称Mac
微软
Windows timeline history
苹果与微软
1979年，乔布斯听说了Alto，决定去看看，看到以后震惊了，回去就让技术人员去实现图形界面，为此还从施乐挖了好多技术人员，开发Lisa项目;然后最后失败了。但是为后来的Macintosh，积攒了好多经验。
1980年微软和IBM合作PC系统，微软以捆绑的方式在IBM-PC上预装DOS，廉价销售（5$）许可证。
1981年，乔布斯邀请盖茨看Macintosh样机，想让微软帮助Macintosh开发应用软件，盖茨看到Macintosh的图形后，也震惊了，心想，这东西要是上市，我的DOS立马完蛋，未来的天下是图形的。不过乔布斯看出了盖茨的信息，就要求微软在给苹果开发软件过程中学到的东西用于任何非苹果的设备上。但是乔布斯忽略了，不让为微软编写类似Macintosh的系统。
盖茨了解到Macintosh效法于施乐，于是也从施乐挖人，开发自己的图形系统——windows。微软把win的研发放在第一位，耽误了Macintosh的发布。
1984年Macintosh 发布，风靡世界。
1985年 windows1.0发布，乔布斯发现win很想Macintosh，就说盖茨偷了苹果的东西
alto3.5 附录及参考资料
3.5.2 互动百科：操作系统
3.5.3 The Crash Course
3.5.4 林海峰：操作系统简介
3.5.5 R_e ：操作系统简史
3.5.6 jerson226 ：电脑史话