王道 —— 操作系统的发展与分类

1、知识总览

2、手工操作阶段

手工阶段没有操作系统，程序员写程序需要使用打孔机，计算机可以识别二进制机器，程序员在卡片上打孔之后，需要把纸带装到纸带机上，纸带机会读取纸带中的数据，然后把这些数据输入到计算机中，计算机处理完这些数据之后，会把这些数据从内存输出到纸带机上，最后用户得到纸带机上输出的纸带；

在这个阶段中，计算机的处理速度较快，而纸带机的输入/输出速度慢，这就导致快速的计算机设备需要等待慢速的纸带机的输入输出过程，CPU会有大量的空闲时间；

手工操作阶段的主要缺点：
用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率极低；

3、批处理阶段 —— 单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序（操作系统的雏形）负责控制作业的输入、输出；

在单道批处理阶段，程序员提前把程序放到纸带机上之后，会有一个专门的外围机把纸带机上的纸带数据读到一个速度更快的磁带，之后计算机直接从磁带读入程序员的程序，程序的输出先保存到外围机中，最后再输出到纸带机中；

比起手工阶段，在单道批处理系统中，CPU的等待时间更短；

单道批处理系统的主要优点：
缓解了一定程序的人机速度矛盾，资源利用率有所提升；

单道批处理系统的主要缺点：
内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU中有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然极低。

4、批处理阶段 —— 多道批处理系统

在多道批处理系统中，用户首先会把程序存放到磁带中，然后计算机一次会从磁带中读入多道程序，这些程序会并发执行，并发执行需要中断技术；程序的并发执行需要由操作系统管理，所以在多道批处理系统中，操作系统正式诞生；

多道批处理系统的主要优点：
多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其它资源保持忙碌状态，系统吞吐量增大；

多道批处理系统的主要缺点：
用户响应时间长，没有人机交互功能，用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行；

问题：为何多道批处理系统能使资源利用率大幅提升？

假设计算机需要处理三个作业：

• 作业一：输入1秒，计算1秒，输出1秒；
• 作业二：输入1秒，计算1秒，输出1秒；
• 作业三：输入1秒，计算1秒，输出1秒；

若采用单道批处理技术：

整体运行完毕需要的时间消耗为9秒；

若采用多道批处理技术，由于计算机能同时读入多个程序，并且程序能够并发执行，所以计算机在计算的时候可以同时读入程序或者输出结果：

整体运行完毕只需要5秒时间，比单道批处理系统效率更高，而且CPU的输入、计算、输出能够同时执行，这就是多道批处理系统能够使资源利用率大幅提升的原因；

5、分时操作系统

分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互；

分时操作系统的主要优点：用户请求可以被即时相应，解决了人机交互问题；允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在；

分时操作系统的主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性；

6、实时操作系统

实时操作系统主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队；

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件；实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性；

实时操作系统可以细分为硬实时系统和软实时系统：

• 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理；如导弹控制系统，自动驾驶系统；
• 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定；如12306火车订票系统；

7、其它几种操作系统

7.1 网络操作系统

是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网路中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信；

7.2 分布式操作系统

主要特点是分布式和并行性。系统中的各台计算地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这些任务；

7.3 个人计算机操作系统

如Windows XP、MaxOS，方便个人使用；