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1.1初识操作系统

思考题：

1.2操作系统的功能和定义

思考题：

1.3操作系统发展史

思考题：

1.4分时技术

 思考题：

1.5典型操作系统类型

1.1初识操作系统

常见桌面级别的四大操作系统：Windows、Mac OS、Linux、UNIX。

微软公司最早的操作系统是Windows1.0，首次在PC上尝试图形界面，于1985年发行。Windows1.0是基于MS-DOS的操作系统，开机时先加载MS-DOS。

再后来便是家喻户晓的Windows XP，发行于2001年8月25日，其分为家庭版(Home)和专业版(Professional)。

Mac操作系统，是苹果公司基于Unix内核的图形化操作系统，是苹果产品专属的操作系统。

Linux之RedHat，是RedHat以GNU/Linux为核心发行的操作系统。

没有安装操作系统的计算机能运行程序吗？能！能运行COMS设置程序！但是普通用户不能正常使用！

所以由此引出：计算机必须安装操作系统，才能让用户正常使用计算机！

操作系统的基本功能如下：

　　1.提供操作界面/可视化操作界面。

　　2.控制程序运行。在Windows下可以双击快捷方式、或者可执行文件本身打开程序；在命令行模式下输入程序的名字即可打开程序...这些都是操作系统需要管理的任务。

　　3.控制多个程序并发运行。一个计算机当中并不只有一个程序在运行，绝对会有多个程序在"一起"执行，通俗的讲，CPU只有一个，如何让用户感觉这些程序像是在同时一起运行是操作系统的任务。

　　4.提供系统设置/配置。因为没有操作系统用户便不能正常使用计算机，但是有了操作系统之后我们想修改硬件、系统的某些功能或者配置信息，这时操作系统必须提供这样的功能。

　　5.提供工具/管理软件。因为用户与计算机的交互是通过操作系统完成的，所以操作系统有必要提供一些工具或者管理软件。

　　6.存取信息。我们通常把我们的资料、文档放在磁盘当中，但是用户不能直接与计算机交互，所以操作系统必须提供信息存取的手段。

　　7.存取保护。现代操作系统大多都是多用户的，有时候当前用户在磁盘存放的文件并不想让其他用户修改、读取等等，操作系统必须提供存取保护、访问权限之类的功能。

总而言之，操作系统的基本功能是提供操作界面、控制程序运行、管理系统资源、配置系统参数、监控系统状态、提供工具软件集合的一款软件！是的，操作系统是一款软件！

思考题：

1.我们自己编译的程序运行时需要操作系统提供哪些支持？

代码编译之后生成程序，这个程序如何存放必须由操作系统来解决，操作系统必须提供管理文件的手段。程序如何启动也必须由操作系统来支持，是通过命令行打开程序？还是通过双击鼠标呢？程序启动后，它一定会占用内存资源，那么内存资源该如何分配也是操作系统应该解决的问题。当代码中有输出语句时，操作系统必须提供一种手段与显示器交互。如果代码当中存在死循环的语句，操作系统也必须保证该程序不会独占CPU资源而让其他程序无法运行。最后便是程序退出时，操作系统必须进行"善后"工作。

2.没有安装操作系统的计算机的启动过程和结果是怎样的？

通电之后，计算机会启动自检程序，对部分硬件进行检测，如果有问题便提示用户；对外部设备进行初始化和检测；加载引导程序，引导DOS操作系统启动(如果有)。

3.常见的虚拟机软件(例如VMware)能不能理解为操作系统？

答案是不能。虚拟机软件运行在操作系统之上，即使它看起来像是一个独立的计算机能够运行其他的操作系统，但其本质还是一个用户程序。它并没有上面讲过的操作系统的基本功能。

1.2操作系统的功能和定义

操作系统功能之一：进程管理

　　1.进程控制：操作系统能够控制进程的创建、暂停、唤醒、撤销等。

　　2.进程调度：操作系统持有调度策略，为每个进程分配优先级。

　　3.进程通信：操作系统有必要让进程之间产生联系。

操作系统功能之二：内存管理

　　1.内存分配：操作系统有必要合理的为每个任务分配内存。

　　2.内存共享：必要时，为了让某些任务产生通信，操作系统必须提供内存共享的机制。

　　3.内存保护：有时候我们希望任务与任务之间互不干扰，操作系统就必须有对应的手段保护每个任务占有的内存。

　　4.虚拟内存：这是现代操作系统通用的管理内存的手段，它能够提高各个任务的执行效率。

操作系统功能之三：设备管理

　　1.设备的分配和调度：与管理内存，当用户需要使用外部设备时，操作系统必须合理的分配和调度这些设备。

　　2.设备的无关性：试想一个问题，更换磁盘、硬盘、内存，似乎并不需要用户完成什么工作，因为操作系统具有为用户屏蔽底层硬件的功能。

　　3.设备的传输控制：操作系统不单单只为用户服务，设备与设备之间有数据流动时，操作系统也必须提供控制、管理手段。

　　4.设备驱动：通常是操作系统暴露给用户的接口，使得用户能够轻松设置设备参数。

操作系统功能之四：文件管理

　　1.存储空间管理：操作系统必须知道存储空间有多少、还剩多少、某个文件能不能存储等等。

　　2.文件的操作：文件通常存放在磁盘上，操作系统必须提供一些方式让用户能够轻松地操作这些文件(例如打开、删除等等)。

　　3.目录的操作：在Linux中，也把目录看成文件。

　　4.文件的目录的存取权限管理：上面说过，操作系统有可能是多用户的，某些用户并不想让其他用户对自己的文件进行读、写操作，所以操作系统必须提供一些权限、保护文件的机制。

由此可见，操作系统是一个大型系统程序，它为用户提供接口，方便用户控制、使用计算机；它负责为应用程序分配和调度软硬件资源，并控制与协调应用程序的并发活动，帮助用户存取和保护信息。

那么操作系统位于计算机的哪个位置？或者说，操作系统在计算机体系当中，处于什么地位？

操作系统位于用户层和硬件层之间，起到承上启下的作用。

思考题：

1.你有没有遇到过因为内存太小而导致程序运行失败的情况？

现代操作系统理论上不会发生这种情况。只可能发生因为内存过小而导致操作系统、程序运行的缓慢甚至出现死机的情况，但不会出现程序、操作系统崩溃。

1.能否用C语言写一个耗尽内存的程序来证明上面的结论？

 int main(){int cnt = 0;while (true){char* p = (char*)malloc(100 * 1024 * 1024);if (p == NULL){return 1;}printf("第%d次申请内存 100M 内存成功\n", ++cnt);}return 0;
}

这张图可是费了九牛二虎之力才截下来的图，很幸运，我的电脑和上面答案描述的一样，程序运行只会变慢，并不会崩溃(截图程序加载了两分钟)。

1.3操作系统发展史

用户需求的提升和硬件技术的进步是操作系统发展的两大直接动力。

计算机硬件发展的四个典型阶段：

　　1.电子管时代[1946 -> 1955]

　　2.晶体管时代[1955 -> 1965]

　　3.集成电路时代[1965 -> 1980]

　　4.大规模集成电路时代[1980 -> 至今]

根据这些时间线，硬件的速度、容量、稳定性、可靠性都得到逐步提高。

操作系统发展的四个典型阶段：

　　1.手工操作(无操作系统) -> 50年代早期

　　2.单道批处理系统 -> 50年代

　　3.多道批处理系统 -> 60年代初

　　4.分时系统 -> 60年代中

第一台数字电子计算机ENIAC就是典型的手工操作时代，由人工代替操作系统。

手工操作(没有操作系统)时代的特点：

　　1.结构特点：硬件方面仅由电子管、接线面板(按钮/开关)构成；程序方面，直接暴力使用二进制编码作为程序，直接在纸带或者卡片上打孔，由人工投递给计算机。

　　2.使用特点：程序的准备、启动、结束工作，全部由人工负责，繁琐且耗时。

　　3.缺点：效率低下，CPU有效运行时间极低，CPU的处理速度相较于人工是相当快的，所以一个小时当中有59分中在被人工处理，只有1分钟真正占用CPU资源。用户独占，当时的计算机就类似于当今只有一台电脑的网吧，前面的用户未处理完任务，后面的用户便不能进去"上网"。缺少交互，用户交代计算机的工作人员完成某些任务，然后一直等，直到结果出来。

单道批处理系统时代的特点：

　　1.工作特点：计算机管理员事先将多个作业输入到磁盘当中形成作业队列，然后由操作系统一次自动处理队列中的每个作业，操作系统负责作业队列的每个作业的装入->运行->撤出->装入...循环。程序的装入和撤出由操作系统负责完成，在一定程度上实现了自动化，效率明显提高。程序运行完毕之后，通知用户取运行结果。单道批处理系统的出现实现了自动批量化处理作业，但仍然是单道、依次、串行处理程序。

　　2.实例：1955年也就是晶体管时代的开始，IBM推出第一台晶体计算机7094，由人工将程序放入读卡机，然后操作系统自动加载到主机，然后运行结果输出到外设。

 　　3.单道批处理系统CPU的利用情况：因为是串行处理程序，所以外设与CPU交替空闲和忙碌，不管是CPU还是外设，它们的有效利用率都很低。

多道批处理系统时代的特点：

　　1.定义：在内存中存放多道程序(注意与单道批处理系统的区别，单道批处理系统的队列放在磁盘上)，当某道程序因为某种原因不能继续运行而放弃CPU时，操作系统便调度零一程序投入运行，这样便尽可能地使得CPU忙碌，提高系统效率。

 　　2.特点：内存同时存放多道程序；宏观上并行；微观上串行。

　　3.缺点：作业处理时间长，原因在于每个作业的IO完成后，可能无法及时回到CPU运行，一定程度来讲作业的处理时间确实变长了。交互能力差，在作业运行期间，用户是不能与计算机发生交互的。运行过程不确定，作业的IO完成之后能不能立即回到CPU需要看其他作业是否不再占用CPU。

思考题：

1.在多道批处理系统中尝试不断增加程序的数量，系统的效率会不会持续增加？结果如何？

首先，效率不一定会增加。当CPU处于空闲状态或者离满负荷还有一定差距时，增加程序的数量确实会增加系统的效率；但是当CPU达到满荷状态时，再尝试增加程序数量，就会降低系统的效率。造成这两种差别的原因在于：多道批处理系统在微观上还是串行的，当程序的数量合理时，能够让CPU一致处于忙碌状态，但是当程序多起来的时候，许多程序依然还是要等待CPU空闲，并且每个程序的处理周期会增加，所以效率变得更低。

1.4分时技术

60年代的硬件有两个重大进展：

　　1.中断技术：CPU支持收到外部的中断信号后，停止当前工作，转去处理发送该中断信号的外部事件，处理完毕后回到原来工作的中断处，继续处理原来的工作。

　　2.通道技术：实现了专门处理外设与内存之间的数据传输的处理机。也就是说，在某些场景下，某些工作不需要CPU去处理。

同时，用户需求的提高以及多终端计算机的出现也刺激了操作系统的发展：

　　1.事务性任务的需求突然涌现：在此之前，多道批处理系统往往不能与用户发生交互，只能待CPU处理完成后取其结果。但是用户在这时希望能与正在运行的作业发生交互，这就要求操作系统能够支持发生交互，并且响应速度不能太慢。

　　2.许多用户要求能够支持多任务、多用户的并发执行。

　　3.多终端计算的出现：多终端计算机是一个高性能主机+多个终端组成的，其主机负责运算，它具有CPU和内存；而多个终端仅有输入和输出功能。主机采用分时技术轮流为每个终端服务，让每个终端都感觉到自己是"独占"主机。

 分时技术：

　　1.概念：主机以很短的时间片为单位，把CPU轮流分配给每个终端使用，直到全部作业运行完毕。由于时间片很短(假设为50ms)，在终端数量不多的情况下(假设为5个)，每个终端都能很快重新获得CPU，它只需要等待一个周期，使得每个终端都能得到及时响应。等待周期 = 时间片 * 终端数量，也就是所，终端1运行50ms之后暂停运行，等待450ms之后又可以继续运行。

　　2.特点：多路调制性：能够让多用户联机使用同一台计算机；独占性：让每个用户都感觉自己"独占"计算机；交互性：每个作业不需要等待太长的时间即可进行下一次运行，及时响应用户的请求。

正是在这样的背景下，由美国国防部组织的一个大型分时系统的实践项目Multics，1962年由MIT、BELL、和G.E参与研发的一种共用计算服务系统，在研发过程中，诞生出了世界上第一个实用化的分时操作系统、第一个真正体现操作系统领域各种先进概念和技术的操作系统——UNIX。

UNIX的出现带来了革新和创造：实现了操作系统的可移植性、实现了硬件无关性、引进了"特殊文件"的概念，即把外设看作文件，实现对外设的统一管理。这些标准对后来的操作系统意义重大。

UNIX的发展历史：

 思考题：

1.分时技术的时间片设置的大小，应该根据哪些因素来考虑？是尽量大好还是尽量小好？

时间片的设置需要根据系统的总体框架来考虑，例如用户的响应时间、系统一次支持的用户数目、CPU的指令周期、中断处理时间、程序运行现场的保护和恢复时间等。所以时间片的设置应该合理，不能太大也不能太小。如果时间片太小，操作系统就要花费大量的时间去切换作业；而时间片太长，就会导致等待周期变长，影响用户的交互体验。

1.5典型操作系统类型

操作系统的进一步发展都属于分时系统的衍化：

　　1.微机操作系统：随着大规模集成电路的发展，进入个人计算机(PC机)时代，1973诞生出第一个用于PC机的操作系统CP/M，它具有良好的层次结构，使用BIOS把操作系统和硬件分隔，使得操作系统有更好的可移植性，并且易学易用。典型的PC机代表便是1976年苹果的Mac OS操作系统和Macintosh系列电脑，Mac OS是首个配有图形界面和鼠标操作的操作系统。

 随后在80年代出现了微软的MS DOS操作系统，它属于磁盘操作系统，支持单用户单任务，预装在IBM的PC机上。随后在1985年11月出现了微软Windows1.0操作系统，1992年4月发表Windows3.1，1993年5月发表Windows NT，随后逐渐出现我们常用的微软操作系统Windows 95、CE、98、2K、XP、Windows 7、Windows 10......

　　2.实时操作系统：在某些场景下要求操作系统能够完成事实事务，例如军事、工业控制、智能仪器等，要求操作系统能够及时完成优先、紧急任务的处理，它强调作业完成的时限。实时操作系统又分为硬实时系统，对时间要求非常严格，例如火炮控制系统、航空航天领域、制导系统、工业控制、汽车电子系统......然后便是软实时系统，对时间要求并不是太严格，而是要求尽量快，例如网络视频直播、实时互动的网游、通讯......

　　3.嵌入式操作系统：它可以约等于实时操作系统，但它的范围、定义要比是实时操作系统宽泛。嵌入式系统可以搭载嵌入式操作系统，但不是必要的。例如手机是一个典型的嵌入式系统，为了能与用户互动，就必须搭载嵌入式操作系统，典型的便是Andriod和IOS。当然，Linux也可以被应用于嵌入式系统，只不过与桌面不一样的是，它可以被裁剪，也就是说用于嵌入式系统的Linux可能要比桌面的Linux少一些模块。

　　4.网络操作系统：它就是在普通操作系统之上增加了网络通信和网络服务，就比如我们现在使用的UNIX、Linux、Windows等等，网络操作系统具有透明存取、存取控制的功能。

适合学习的小型开源操作系统：

　　Minix OS由荷兰大Vrije大学计算机教授Andrew S.Tanenbaum编写，其名下的《现代操作系统》便是围绕Minix OS编写。Minxi OS等于Mini UNIX，它开放源代码给教学和科研人员，因为其只有12000行左右的代码，非常易于学习和掌握，其采用了先进的微内核架构，并且还是类UNIX操作系统。其官方网站为:Minix3。

推荐学习的大型开源操作系统：

　　Linux由芬兰的赫尔辛基大学生Linus Torvalds编写，在1994年3月正式发布Linux 1.0。迄今为止，它的代码非常庞大，有大约1100万行。其源码下载网址为：The Linux Kernel Archives。注意，开源的代码是免费的，但是发行版不是免费的。典型的便是用于大型服务器的RedHat，以及众所周知的Ubuntu。