1、操做系統和網絡基礎知識整理

一 爲何要有操做系統

現代的計算機系統主要是由一個或者多個處理器，主存，硬盤，鍵盤，鼠標，顯示器，打印機，網絡接口及其餘輸入輸出設備組成。

通常而言，現代計算機系統是一個複雜的系統。

其一：若是每位應用程序員都必須掌握該系統全部的細節，那就不可能再編寫代碼了（嚴重影響了程序員的開發效率：所有掌握這些細節可能須要一萬年....）

其二：而且管理這些部件並加以優化使用，是一件極富挑戰性的工做，因而，計算安裝了一層軟件（系統軟件），稱爲操做系統。它的任務就是爲用戶程序提供一個更好、更簡單、更清晰的計算機模型，並管理剛纔提到的全部設備。

總結：

程序員沒法把全部的硬件操做細節都瞭解到，管理這些硬件而且加以優化使用是很是繁瑣的工做，這個繁瑣的工做就是操做系統來乾的，有了他，程序員就從這些繁瑣的工做中解脫了出來，只須要考慮本身的應用軟件的編寫就能夠了，應用軟件直接使用操做系統提供的功能來間接使用硬件。

二 什麼是操做系統

精簡的說的話，操做系統就是一個協調、管理和控制計算機硬件資源和軟件資源的控制程序。操做系統所處的位置如圖1

#操做系統位於計算機硬件與應用軟件之間，本質也是一個軟件。操做系統由操做系統的內核（運行於內核態，管理硬件資源）以及系統調用（運行於用戶態，爲應用程序員寫的應用程序提供系統調用接口）兩部分組成，因此，單純的說操做系統是運行於內核態的，是不許確的。

                                                                      圖1

細說的話，操做系統應該分紅兩部分功能：

#一：隱藏了醜陋的硬件調用接口，爲應用程序員提供調用硬件資源的更好，更簡單，更清晰的模型（系統調用接口）。應用程序員有了這些接口後，就不用再考慮操做硬件的細節，專心開發本身的應用程序便可。
例如：操做系統提供了文件這個抽象概念，對文件的操做就是對磁盤的操做，有了文件咱們無需再去考慮關於磁盤的讀寫控制（好比控制磁盤轉動，移動磁頭讀寫數據等細節），

#二：將應用程序對硬件資源的競態請求變得有序化
例如：不少應用軟件實際上是共享一套計算機硬件，比方說有可能有三個應用程序同時須要申請打印機來輸出內容，那麼a程序競爭到了打印機資源就打印，而後多是b競爭到打印機資源，也多是c，這就致使了無序，打印機可能打印一段a的內容而後又去打印c...,操做系統的一個功能就是將這種無序變得有序。

  詳解

                                                     圖 2

三 操做系統與普通軟件的區別

1.主要區別是：你不想用暴風影音了你能夠選擇用迅雷播放器或者乾脆本身寫一個，可是你沒法寫一個屬於操做系統一部分的程序（時鐘中斷處理程序），操做系統由硬件保護，不能被用戶修改。

2.操做系統與用戶程序的差別並不在於兩者所處的地位。特別地，操做系統是一個大型、複雜、長壽的軟件，

• 大型：linux或windows的源代碼有五百萬行數量級。按照每頁50行共1000行的書來算，五百萬行要有100卷，要用一整個書架子來擺置，這還僅僅是內核部分。用戶程序，如GUI，庫以及基本應用軟件（如windows Explorer等），很容易就能達到這個數量的10倍或者20倍之多。
• 長壽：操做系統很難編寫，如此大的代碼量，一旦完成，操做系統全部者便不會輕易扔掉，再寫一個。而是在原有的基礎上進行改進。（基本上能夠把windows95/98/Me看出一個操做系統，而windows NT/2000/XP/Vista則是兩位一個操做系統，對於用戶來講它們十分類似。還有UNIX以及它的變體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，不過儘管linux很是依照UNIX模式而仿製，而且與UNIX高度兼容，可是linux具備全新的代碼基礎）

四 操做系統發展史

第一代計算機（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

第一代計算機的產生背景：

第一代以前人類是想用機械取代人力，第一代計算機的產生是計算機由機械時代進入電子時代的標誌，從Babbage失敗以後一直到第二次世界大戰，數字計算機的建造幾乎沒有什麼進展，第二次世界大戰刺激了有關計算機研究的爆炸性進展。

lowa州立大學的john Atanasoff教授和他的學生Clifford Berry建造了據認爲是第一臺可工做的數字計算機。該機器使用300個真空管。大約在同時，Konrad Zuse在柏林用繼電器構建了Z3計算機，英格蘭布萊切利園的一個小組在1944年構建了Colossus，Howard Aiken在哈佛大學建造了Mark 1，賓夕法尼亞大學的William Mauchley和他的學生J.Presper Eckert建造了ENIAC。這些機器有的是二進制的，有的使用真空管，有的是可編程的，但都很是原始，設置須要花費數秒鐘時間才能完成最簡單的運算。

在這個時期，同一個小組裏的工程師們，設計、建造、編程、操做及維護同一臺機器，全部的程序設計是用純粹的機器語言編寫的，甚至更糟糕，須要經過成千上萬根電纜接到插件板上連成電路來控制機器的基本功能。沒有程序設計語言（彙編也沒有），操做系統則是歷來都沒據說過。使用機器的過程更加原始，詳見下‘工做過程’

特色：
沒有操做系統的概念
全部的程序設計都是直接操控硬件

工做過程：
程序員在牆上的機時表預定一段時間，而後程序員拿着他的插件版到機房裏，將本身的插件板街道計算機裏，這幾個小時內他獨享整個計算機資源，後面的一批人都得等着(兩萬多個真空管常常會有被燒壞的狀況出現)。

後來出現了穿孔卡片，能夠將程序寫在卡片上，而後讀入機而不用插件板

優勢：

程序員在申請的時間段內獨享整個資源，能夠即時地調試本身的程序（有bug能夠馬上處理）

缺點：

浪費計算機資源，一個時間段內只有一我的用。
注意：同一時刻只有一個程序在內存中，被cpu調用執行，比方說10個程序的執行，是串行的

第二代計算機（1955~1965）：晶體管和批處理系統

第二代計算機的產生背景：

因爲當時的計算機很是昂貴，自認很天然的想辦法較少機時的浪費。一般採用的方法就是批處理系統。

特色：
設計人員、生產人員、操做人員、程序人員和維護人員直接有了明確的分工，計算機被鎖在專用空調房間中，由專業操做人員運行，這即是‘大型機’。

有了操做系統的概念

有了程序設計語言：FORTRAN語言或彙編語言，寫到紙上，而後穿孔打成卡片，再講卡片盒帶到輸入室，交給操做員，而後喝着咖啡等待輸出接口

工做過程：插圖

第二代如何解決第一代的問題/缺點：
1.把一堆人的輸入攢成一大波輸入，
2.而後順序計算（這是有問題的，可是第二代計算也沒有解決）
3.把一堆人的輸出攢成一大波輸出

現代操做系統的前身:(見圖）

優勢：批處理，節省了機時

缺點：
1.整個流程須要人蔘與控制，將磁帶搬來搬去（中間倆小人）

2.計算的過程仍然是順序計算-》串行

3.程序員原來獨享一段時間的計算機，如今必須被統一規劃到一批做業中，等待結果和從新調試的過程都須要等同批次的其餘程序都運做完才能夠（這極大的影響了程序的開發效率，沒法及時調試程序）

第三代計算機（1965~1980）：集成電路芯片和多道程序設計

第三代計算機的產生背景：

20世紀60年代初期，大多數計算機廠商都有兩條徹底不兼容的生產線。

一條是面向字的：大型的科學計算機，如IBM 7094，見上圖，主要用於科學計算和工程計算

另一條是面向字符的：商用計算機，如IBM 1401，見上圖，主要用於銀行和保險公司從事磁帶歸檔和打印服務

開發和維護徹底不一樣的產品是昂貴的，同時不一樣的用戶對計算機的用途不一樣。

IBM公司試圖經過引入system/360系列來同時知足科學計算和商業計算，360系列低檔機與1401至關，高檔機比7094功能強不少，不一樣的性能賣不一樣的價格

360是第一個採用了（小規模）芯片（集成電路）的主流機型，與採用晶體管的第二代計算機相比，性價比有了很大的提升。這些計算機的後代仍在大型的計算機中內心使用，此乃如今服務器的前身，這些服務器每秒處理不小於千次的請求。

如何解決第二代計算機的問題1：
卡片被拿到機房後可以很快的將做業從卡片讀入磁盤，因而任什麼時候刻當一個做業結束時，操做系統就能將一個做業從磁帶讀出，裝進空出來的內存區域運行，這種技術叫作
同時的外部設備聯機操做：SPOOLING，該技術同時用於輸出。當採用了這種技術後，就不在須要IBM1401機了，也沒必要將磁帶搬來搬去了（中間倆小人再也不須要）

如何解決第二代計算機的問題2：

第三代計算機的操做系統普遍應用了第二代計算機的操做系統沒有的關鍵技術：多道技術

cpu在執行一個任務的過程當中，若須要操做硬盤，則發送操做硬盤的指令，指令一旦發出，硬盤上的機械手臂滑動讀取數據到內存中，這一段時間，cpu須要等待，時間可能很短，但對於cpu來講已經很長很長，長到可讓cpu作不少其餘的任務，若是咱們讓cpu在這段時間內切換到去作其餘的任務，這樣cpu不就充分利用了嗎。這正是多道技術產生的技術背景

多道技術：

多道技術中的多道指的是多個程序，多道技術的實現是爲了解決多個程序競爭或者說共享同一個資源（好比cpu）的有序調度問題，解決方式即多路複用，多路複用分爲時間上的複用和空間上的複用。

空間上的複用：將內存分爲幾部分，每一個部分放入一個程序，這樣，同一時間內存中就有了多道程序。

 

時間上的複用：當一個程序在等待I/O時，另外一個程序可使用cpu，若是內存中能夠同時存放足夠多的做業，則cpu的利用率能夠接近100%，相似於咱們小學數學所學的統籌方法。（操做系統採用了多道技術後，能夠控制進程的切換，或者說進程之間去爭搶cpu的執行權限。這種切換不只會在一個進程遇到io時進行，一個進程佔用cpu時間過長也會切換，或者說被操做系統奪走cpu的執行權限）

  詳解

空間上的複用最大的問題是：程序之間的內存必須分割，這種分割須要在硬件層面實現，由操做系統控制。若是內存彼此不分割，則一個程序能夠訪問另一個程序的內存，

首先喪失的是安全性，好比你的qq程序能夠訪問操做系統的內存，這意味着你的qq能夠拿到操做系統的全部權限。

其次喪失的是穩定性，某個程序崩潰時有可能把別的程序的內存也給回收了，比方說把操做系統的內存給回收了，則操做系統崩潰。

第三代計算機的操做系統仍然是批處理

許多程序員懷念第一代獨享的計算機，能夠即時調試本身的程序。爲了知足程序員們很快能夠獲得響應，出現了分時操做系統

如何解決第二代計算機的問題3：

分時操做系統：
多個聯機終端+多道技術

20個客戶端同時加載到內存，有17在思考，3個在運行，cpu就採用多道的方式處理內存中的這3個程序，因爲客戶提交的通常都是簡短的指令並且不多有耗時長的，索引計算機可以爲許多用戶提供快速的交互式服務，全部的用戶都覺得本身獨享了計算機資源

CTTS：麻省理工（MIT）在一臺改裝過的7094機上開發成功的，CTSS兼容分時系統，第三代計算機普遍採用了必須的保護硬件（程序之間的內存彼此隔離）以後，分時系統纔開始流行

MIT，貝爾實驗室和通用電氣在CTTS成功研製後決定開發可以同時支持上百終端的MULTICS（其設計者着眼於建造知足波士頓地區全部用戶計算需求的一臺機器），很明顯真是要上天啊，最後摔死了。

後來一位參加過MULTICS研製的貝爾實驗室計算機科學家Ken Thompson開發了一個簡易的，單用戶版本的MULTICS，這就是後來的UNIX系統。基於它衍生了不少其餘的Unix版本，爲了使程序能在任何版本的unix上運行，IEEE提出了一個unix標準，即posix（可移植的操做系統接口Portable Operating System Interface）

後來，在1987年，出現了一個UNIX的小型克隆，即minix，用於教學使用。芬蘭學生Linus Torvalds基於它編寫了Linux

第四代計算機（1980~至今）：我的計算機

略 

 

 

操做系統

爲什麼要有操做系統：

計算機系統很是龐大難懂，程序員寫程序時須要搞懂計算機系統，效率很低。

操做系統的出現緩解了程序員的大部分工做，操做系統管理及優化計算機硬件，程序員不須要所有搞懂計算機系統就可寫代碼編寫軟件。

軟件在操做系統的基礎上運行，間接使用硬件。

 

操做系統的位置：

操做系統位於計算機硬件及應用程序之間，協調、管理和控制計算機硬件和軟件系統的一個程序。

 

操做系統的功能：

操做系統協調、管理和控制計算機硬件和軟件的一個軟件。

操做系統的功能由操做系統運行內核態管理硬件和操做系統運行應用態提供系統調用接口來實現的。

即操做系統隱藏了硬件的調用接口，提供了更穩定更簡單，優化的調用接口。

操做系統控制計算機硬件與程序的分配，將無序的輸入變成有序的輸出結果。

 

操做系統的發展：

第一代計算機（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

第二代計算機（1955~1965）：晶體管和批處理系統

第三代計算機（1965~1980）：集成電路芯片和多道程序設計 

第四代計算機（1980~至今）：我的計算機

 

多道技術：

多道技術是用來實現共用資源最大化利用的一種技術。

經過空間的複用和時間的複用來共同實現的。

空間上的複用是把內存分爲幾個部分，不一樣程序進入不一樣內存運行提升效率。

時間的複用是經過CPU的無縫對接，第一個程序在CPU運行後，第二個程序馬上補上，在CPU運行後開始第三個程序......

 

網絡基礎

什麼是互聯網協議及爲什麼要有互聯網協議:

將不一樣計算機鏈接起來通訊，須要一個統一的語言，統一的標準，這些標準稱爲互聯網協議。

互聯網協議定義計算機如何接入Internet，以及接入Internet的統一通訊標準，能夠很好的溝通，提升效率。

 

osi五層模型:

osi五層模型又稱爲tcp/ip五層模型。包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。

物理層：

不一樣的計算機信息交換須要Internet，計算機必須聯網。由物理層之間的鏈接來實現聯網功能的一部分。

具體的是經過電器之間發送高低電壓，高電壓用「1」表示，低電壓用「0」來表示，以此來傳遞電信號。

數據鏈路層：

物理層給予數據鏈路層電信號，單純的「0」和「1」不能表達具體信息內容。

數據鏈路層定義電信號分組方式，按照統一的標準以太網協議來實現分組表達信息內容。

以太網協議ethernet規定：一組電信號構成一組數據包，叫作「幀」。每一組數據幀分爲報頭head和數據date二部分。

head包含的源和目標地址爲mac地址。以太網協議規定聯網之間的設備都需具有網卡，接收端和發送端的地址即爲網卡地址，也是mac地址。

每塊網卡上都會有全世界惟一一個mac地址。一臺計算機經過獲取另外一臺計算機mac地址，用廣播的方式來傳播交流信息。

網絡層：

 信息經過廣播的形式傳播到全世界，效率很是很是低，並且是災難。定義一套不一樣的地址來區分局域網的網絡地址。

網絡地址又稱爲IP地址，分二部分，網絡部分：標識子網；主機部分：標識主機。

傳輸層：

創建端口與端口的通訊。網絡層IP區分子網，以太層的mac找到主機地址，同時使用多個程序，經過傳輸層端口與端口之間的通訊。

應用層：

程序都是在運用層工做運行，運用層規定了應用程序的數據格式。

用戶上網流程:

第一步：客戶端用戶從瀏覽器輸入www.baidu.com網站網址後回車，系統會查詢本地hosts文件及DNS緩存信息，查找是否存在網址對應的IP解析記錄。若是有就直接獲取到IP地址，而後訪問網站，通常第一次請求時，DNS緩存是沒有解析記錄的；

第二步：若是客戶端沒有DNS緩存或hosts沒有對應www.baidu.com網站網址的域名解析記錄，那麼，系統會把瀏覽器的解析請求，交給客戶端本地設置的DNS服務器地址解析（此DNS爲LDNS，即Local DNS），若是LDNS服務器的本地緩存有對應的解析記錄，就會直接返回IP地址；若是沒有，LDNS會負責繼續請求其它的DNS服務器；

第三步：LDNS會從DNS系統的「.」根開始請求www.baidu.com域名的解析，通過一系列的查找各個層次DNS服務器，最終會查找到www.baidu.com域名對應的受權DNS服務器，而這個受權DNS服務器，正是該企業購買域名時用於管理域名解析的服務器。這個服務器有www.baidu.com對應的IP解析記錄，若是此時都沒有，就表示企業的運維人員麼有給www.baidu.com域名作解析； 

第四步：baidu.com域名對應的受權DNS服務器會把www.baidu.com對應的最終IP解析記錄發給LDNS； 

第五步：LDNS把收到來自受權DNS服務器關於www.baidu.com對應的IP解析記錄發給客戶端瀏覽器，而且在LDNS本地把域名和IP的對應解析緩存起來，以便下一次更快的返回相同的解析請求的記錄；

第六步：客戶端瀏覽器獲取到了www.baidu.com的對應IP地址，接下來瀏覽器會請求得到的IP地址對應的Web服務器，Web服務器接收到客戶的請求並響應處理，將客戶請求的內容返回給客戶端瀏覽器；

至此，一次訪問瀏覽網頁的完整過程就完成了。