真香警告：即便不學 OS 進階，也請務必收藏好該文！

前言

很高興見到你！

上一期我在掘金髮表了《重學安卓：Activity 的快樂你不懂！》，本來只是想給你們一把進階的鑰匙，可以由於文章從 0 到 1 的介紹，而對顯示系統你們族 創建起感性的認識、而且埋下好奇的種子 去推進本身繼續探究，沒想到公衆號後臺 有很多讀者追問是否還有後續。

關於這個問題呢，不要慌，答案就在文章的末尾。

平心而論，我比較傾向於 「從 0 到 1」 的這種思考。一上來就討論技術細節的話，對我來講也是件很摸不着頭腦的事。

因此在開放場合，我清一色地是以 「從 0 到 1」 和你們見面，也但願大家能記得， KunMinX 就是 「專好這口」 的那個做者 ~

好了，今天的主題是介紹操做系統的緣起。爲何會想起介紹這個呢？

問問你身邊的同事或朋友，他們對於操做系統的認識到底有多少？爲何咱們作軟件開發的，要認識操做系統？

或者說，到底在什麼狀況下，纔會涉及到操做系統知識？——

好比，你是否原覺得 Android 應用層開發 根本涉及不到什麼底層的概念，沒想到 在分析 Looper 時，對進程阻塞的概念不解，致使沒法理解爲何死循環不會致使 ANR？

又好比在 Android 中，一個 App 一般是一個進程，App 間的組件通訊，靠的就是進程間通訊，因此若是不明白進程，你是否有辦法理解爲何存在進程間通訊？

再好比，像 「雙緩衝」 或 「內存抖動」 這些概念，是幾十年前就存在的操做系統概念，是大學教科書上就有的東西，並非安卓平臺獨有的。因此當有人拿着這些名詞向你臭顯擺的時候，你是否可以嗤之以鼻？

不過呢，在介紹任何事物以前，我仍是會以事物的緣起作開頭，因此本文的目標就是介紹操做系統的緣起。

若是閱讀完本文，你對操做系統的緣起、發展，和做用 有了最基本的感性的認識，那個人願望也就達到了。

不得不先講的背景原因

1946 年到 50 年代中期，計算機還處於手工操做方式，此時尚未出現操做系統。

操做系統最開始的出現，是爲了解決 CPU 運算資源利用嚴重不充分的問題。

那到底是有多嚴重、有多不充分呢？下面我拿具體的客觀數據，來爲你奠基一下感性的認識：

1.從第一代計算機開始，CPU 的運算速度 就已遠遠超過人類，達到每秒 5000 次加法運算。於是任何手工操做在其看來都是度日如年、巨慢無比。

2.第一代計算機的輸入輸出設備和主機是一體的，計算機須要經過輸入設備接收 穿孔紙帶 來讀取程序，於是每次上機，整臺計算機是一個上機人員獨佔的。而且在上機人員上紙帶時，CPU 是處於等待狀態。

3.第一代計算機的 CPU 是由電子管構成，電子管 每隔 6 分鐘就可能燒壞一個。

綜上，早期計算機的上機成本十分高昂，爲了解決 CPU 運算資源利用不充分的問題（或者說彌補巨慢的輸入輸出和巨快的運算速度之間的巨大鴻溝），前後作了 3 次改革。

第一次改革：聯機批處理系統

將做業運行的全流程交給批處理系統來監控和調度，也即解放過程當中幾乎全部的人力操做，實現自動化。

如此一來，便 解決了「人機矛盾」，節省了輸入輸出操做和運算操做之間的切換時間間隙。

但並無解決：在做業的輸入和輸出時、CPU 仍處於忙等狀態、等待慢速的輸入輸出設備完成工做。

第二次改革：脫機批處理系統

將輸入輸出設備與主機分離，經過轉換器將輸入機的數據事先讀取到高速磁帶，並將高速磁帶用於 CPU 的計算，計算結果也存放在高速磁帶中，經過轉換器將數據經過輸出機輸出。

因此能夠理解爲，高速磁帶就是內存的雛形，由轉換器將輸入輸出設備的數據轉換並讀寫在高速磁帶上。這樣，主機並不直接與慢速的輸入輸出設備打交道，而是與高速的磁帶發生關係，如此便 有效緩解了主機與外設的矛盾。

但此時仍沒有解決的是：當一個程序執行到一半，發出 IO 請求時，CPU 便不得不等待 IO 操做完成。

第三次改革：多道批處理系統

此時出現了多道程序設計技術：

將多個程序同時放入內存中，當一個程序執行完了、或請求 IO 操做時，就會切換到另外一個程序繼續執行，而不讓 CPU 忙等。

多個程序之間在微觀上來看是串行，但因爲此處的串行不包含 IO 操做，於是 大大縮短了總體時間。

而且又因爲各自都未執行完，於是宏觀上來看多道程序又是在併發執行。

（進程和空間隔離的概念也是這個時期出現的，讓多道程序處於不一樣的內存空間，讓數據更加安全和穩定。）

因而，在批處理系統和多道程序設計技術的基礎上，演化出多道批處理系統。特色是：

1.多道：系統能夠同時容納多個做業，做業以隊列的方式存放於外設中，系統將做業讀取到內存中運行並最終輸出結果，整個過程是個自動轉接的、連續的做業流。

2.成批：系統運行過程當中，用戶沒法干預，沒法與之交互，必須等待運行完成。

因此多道批處理系統 解決了「吞吐量和資源利用率」的問題，以及實現做業流程的自動化。

但缺點是：沒法實現人機交互，並且到目前爲止，計算機還是獨佔的。

背景變遷

20世紀60年代初，晶體管的出現，使 CPU 在大幅下降耗能、體積和損毀率的同時，性能大幅提高。這使得計算機的背景環境發生了變化。

再加上前 3 次改革的目標是解決資源利用率和吞吐量的問題，而沒有解決計算機獨佔的問題，於是促成了分時系統的出現，來 解決計算機獨佔的問題，而且讓彼時的系統能與用戶發生交互。

分時系統

分時技術的特色：把 CPU 的運行時間分紅很短的時間片，按時間片輪流把 CPU 分配給各聯機做業使用。在一個時間片內不能執行完，則時間一到，任務暫時中斷，切換給另外一做業使用，直到下一次再輪到本身。

此時的一個典型應用就是 多個終端共享一臺主機。宏觀上看好像是並行執行，微觀上看實際上是輪流串行執行。而且終端之間獨立運做、互不干擾。

而且 此時的系統是 可交互、且及時響應交互的。用戶可在系統對上一個請求做出響應的基礎上，再次發出新的請求。

（對換存儲等概念也是這個時候出現的。分時系統能夠同時接納數百個用戶。因爲內存空間有限，每每採用 對換方式 的存儲方法，將未輪到的做業先放入磁盤，一旦輪到再放入內存，而時間片一用完，又將做業存回磁盤，使同一內存區域輪流爲多個用戶服務。）

實時系統

雖然 多道批處理系統 和 分時系統 分別解決了 資源利用率 和 系統響應 的問題，但卻不能知足 實時控制 和 實時信息處理 這兩個應用領域的需求。

因而就產生了實時系統，能夠及時響應隨機發生的外部事件，並在嚴格的時間內完成對事件的處理。

1.實時控制系統：好比飛機飛行、導彈發射的自動控制。

2.實時信息處理系統：好比查詢航班、航線、票價等實時信息。對實時性的要求稍弱於第一種。

特色：及時響應，高可靠性。

通用操做系統

複合了 多道批處理系統、分時系統、實時系統，也即包含其中兩種或三種特性的系統。

進一步發展

我的操做系統、網絡操做系統、分佈式操做系統等。

綜上

1.操做系統的出現，最初是爲了 解決資源利用率和吞吐量的問題。（由於打從一開始，CPU 的速度就已一騎絕塵，讓人類和外設無以望其項背。CPU 的巨快，是致使操做系統的出現，乃至 「多道程序設計」、「分時複用技術」 這些 「騷操做」 得以存在的最根本的原因。）

2.含分時特性的操做系統能夠 與用戶發生交互、響應用戶的操做。

3.含實時特性的操做系統能夠 實時響應事件、或動態獲取最新信息。

4.操做系統是對硬件的一層封裝，上層應用直接與操做系統接口打交道，便可間接地調動硬件資源來完成工做。

這樣說，你理解了嗎？

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