操作系统发展史

1.知识回顾

• 计算机又叫电脑,即通电的大脑,发明计算机是为了让他通电之后能够像人一样去工作,并且它比人的工作效率更高,因为可以24小时不间断

• 计算机五大组成部分

  • 控制器
  • 运算器
  • 存储器
  • 输入设备
  • 输出设备

  计算机的核心真正干活的是CPU(控制器+运算器=中央处理器)

• 程序要想被计算机运行,它的代码必须要先由硬盘读到内存,之后cpu取指令再执行

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。

3.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。

4.操作系统的功能

#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。

补充 : 操作系统和普通软件的区别

1.操作系统受硬件保护 , 不能修改
2.操作系统是一个大型、复杂、长寿的软件 , linux或windows的源代码有五百万行数量级

5.操作系统发展史

所有的发展都是朝着一个目标进行的---->提高cpu的工作效率

5.1第一代计算机--真空管和穿孔卡片

1946年第一台计算机诞生--20世纪50年代中期，计算机工作还在采用手工操作方式。此时还没有操作系统的概念

程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行；计算完毕，打印机输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机

优缺点 :
用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。
CPU 等待手工操作 , CPU真正工作的时间非常短 , 利用率非常低

5.2第二代计算机--晶体管和批处理

由于当时的计算机非常昂贵，自认很自然的想办法较少机时的浪费。通常采用的方法就是批处理系统

批处理系统：加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业（这作业包括程序、数据和命令）节约了用户之间切换使用计算机的时间 , 大白话就是攒一堆然后统一处理

有了操作系统的概念

第二代如何解决第一代的问题/缺点

1.把一堆人的输入攒成一大波输入
2.然后顺序计算（这是有问题的，但是第二代计算也没有解决） 
3.把一堆人的输出攒成一大波输出

优缺点

优点：批处理，节省了机时
缺点： 1.整个流程需要人参与控制，将磁带搬来搬去（中间俩小人）
2.计算的过程仍然是顺序计算-》串行
3.程序员原来独享一段时间的计算机，现在必须被统一规划到一批作业中，等待结果和重新调试的过程都需要等同批次的其他程序都运作完才可以（这极大的影响了程序的开发效率，无法及时调试程序）

5.3.第三代计算机--集成电路芯片和多道技术

所谓多道程序设计技术，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。

空间上的复用：将内存分为几部分，每个部分放入一个程序，这样，同一时间内存中就有了多道程序。

时间上的复用：当一个程序在等待I/O时，另一个程序可以使用cpu，如果内存中可以同时存放足够多的作业，则cpu的利用率可以接近100%，类似于我们小学数学所学的统筹方法。（操作系统采用了多道技术后，可以控制进程的切换，或者说进程之间去争抢cpu的执行权限。这种切换不仅会在一个进程遇到io时进行，一个进程占用cpu时间过长也会切换，或者说被操作系统夺走cpu的执行权限）

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<<T1+T2。

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。

切换+保存状态

切换(CPU)分为两种情况
1.当一个程序遇到Io操作的时候,操作系统会剥夺该程序的cPU执行权限
作用:提高了CPU的利用率并且也不影响程序的执行效率

2.当一个程序长时间占用CPU的时候,操作吸引也会剥夺该程序的CPU执行权限
作用:降低了程序的执行效率(原本时间+切换时间

第三代计算机的操作系统仍然是批处理

许多程序员怀念第一代独享的计算机，可以即时调试自己的程序。为了满足程序员们很快可以得到响应，

出现了分时操作系统

遇到io切换cpu时间片到了切换cpu

5.4第四代计算机--个人计算机

PS：即使可以利用的cpu只有一个（早期的计算机确实如此），也能保证支持（伪）并发的能力。将一个单独的cpu变成多个虚拟的cpu（多道技术：时间多路复用和空间多路复用+硬件上支持隔离），没有进程的抽象，现代计算机将不复存在。

6.总结

#一 操作系统的作用：    1：隐藏丑陋复杂的硬件接口，提供良好的抽象接口    2：管理、调度进程，并且将多个进程对硬件的竞争变得有序#二 多道技术：    1.产生背景：针对单核，实现并发    ps：    现在的主机一般是多核，那么每个核都会利用多道技术    有4个cpu，运行于cpu1的某个程序遇到io阻塞，会等到io结束再重新调度，会被调度到4个    cpu中的任意一个，具体由操作系统调度算法决定。    2.空间上的复用：如内存中同时有多道程序    3.时间上的复用：复用一个cpu的时间片       强调：遇到io切，占用cpu时间过长也切，核心在于切之前将进程的状态保存下来，这样            才能保证下次切换回来时，能基于上次切走的位置继续运行