什麼是操做系統？

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外甥上大一了，起初我還很是擔憂他，擔憂主要有兩方面的緣由：

• 從小一直是校草，長的太帥，會不會每天談戀愛去了
• 擔憂在大學沒能作好本身的規劃

因而常常和他視頻聊天，外甥小我沒幾歲，咱們常常以兄弟相稱，聊起來天然和諧

從我這幾回和他聊天能夠看出，個人擔心有些太過了

他好像從沒刻意他的帥氣，而是不斷的充實本身的才華，籃球打得好、街舞跳的好、還去參加各類志願者活動

關鍵是最近還對計算機產生了強烈的興趣。

唉，帥就算了，還這麼認真，這年輕人不講武德啊

上週末打電話，居然問我什麼是操做系統？ 爲何要有操做系統？

因而就有了這篇文章，也準備把我外甥的計算機相關疑問所有承包了，喜歡我記得關注我 公號 龍躍十二

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什麼是操做系統？

說實話很難有一個準確的定義去描述操做系統，看了多本關於操做系統的書中是這樣說的。

操做系統是一個運行在內核態的軟件，該軟件對底層各類硬件資源作了抽象和管理，並提供統一的API接口供應用程序去調用這些資源。

這句話涵蓋了好幾個知識點

1. 操做系統是一個軟件
2. 操做系統軟件運行在內核狀態下的軟件，不在用戶態下，應用開發者開發的各類系統軟件都是在用戶態下運行的

撒是用戶態，撒是內核態？你很喜歡剖根問底，這個後面再說

1. 對各類底層硬件資源進行了抽象和管理

   抽象了處理器、存儲器、時鐘、磁盤、網絡接口、外設等底層硬件資源，把各類資源都抽象爲一個個的文件描述符

   設想一下，多核狀況下，多個應用程序同時使用一種資源，就會形成混亂局面，此時操做系統就會扮演一個管理者去管理這些資源的使用者。

   1. 提供統一對外訪問的接口

   

   操做系統處在中間層，上面有各類系統應用程序、開發人員、用戶，下面有各類計算機硬件資源。

   怎麼腦海中浮現了 上下爲難 的表情包，哈哈哈有內味了

   操做系統設計者和硬件編程人員能夠直接去操做硬件資源

   操做系統設計者這不用解釋了，都懂的，都在設計操做系統了，總不至於不能操做硬件資源吧

   硬件編程人員這個你們可能稍微陌生點，有一類開發人員是直接對硬件進行操做的，若是是你是學習電子信息相關專業的，應該很熟悉燒程序。

   大學作實驗的時候龍叔就常常把寫好的彙編程序或者C語言程序編譯完成了直接燒到計算機硬件上，這叫燒程序。

   我寫的程序裏面有對硬件資源進行操做，好比操做某某管腳、某個串口等等

   因此沒有操做系統也是能夠直接操做計算機硬件資源，也是能夠跑程序的

   那爲啥還要操做系統呢？

   爲何要有操做系統？

   上面已經說了，沒有操做系統是能夠操做計算機硬件資源的，那爲何要有呢？

   1）最先期計算機是沒有操做系統的，每次要變動一下功能，都要手動去調整硬件，費時費力。

   2）隨着電子管技術的發展，各類硬件資源能夠作成通用的，此時就急切須要一個操做系統去控制這些資源，每次改功能，只須要修改輸入的信號便可。

   3）提高計算機的功能性和靈活性

   操做系統的演變

   串行處理

   20世紀40-50年代，電子管技術獲得了發展，誕生了第一臺電子管計算機

   

   因爲零件的集成度過低，一臺計算機必須用一個大house來放置

   並且這臺機器當時數百萬美圓的標價，價格是真的貴，通常人用不起，都是一些豪橫的組織才用得起

   早期的計算機是沒有操做系統的，操做人員直接和計算機硬件交互，相似下面這樣

   

   全部的操做在控制檯上進行，控制檯上有顯示燈、觸發器、輸入輸出設備

   每次做業都須要有專門的的人員來操做，使用匯編語言寫程序到紙片上，再穿孔成卡片，再將這些卡片交給專門的操做人員去操做，再花費時間等操做結果。

   計算機成本高，操做過程複雜，時間還長

   人們很天然就想到減小機器時間的浪費，因而就誕生了批處理系統。

   批處理系統

   到了20世紀50年代General Motors開發了批處理系統，那時候被稱爲 監控系統

   監控系統是常住在內存中的，他作的事情就是

   1. 加載用戶程序到用戶程序段
   2. 把控制權交給用戶程序
   3. 讀取用戶程序指令交給處理器
   4. 將處理器的執行結果輸出到設備
   5. 用戶程序完成後交回控制權
   6. 進行下一個循環

   

   總結一下，監控程序主要主要完成調度功能，一批做業排隊等待，處理器儘量的被充分利用，不讓他有任何空閒時間。

   監控程序很大程度上提升了處理器的利用率，減小了處理器空閒時間

   多道系統

   批處理系統已經提升了程序的利用率，但仍是沒最大化壓榨

   監控程序和用戶程序須要來回切換轉換控制權，這部分時間處理器閒置

   監控程序在作IO操做時，因爲IO是比較慢的，磁盤讀寫很慢的，此時處理器須要等待

   爲了更好的利用處理器的計算性能，大佬們搞出了多道系統

   

   多道系統就是同時加載多個用戶程序，當其中一個用戶程序須要IO等待時，切換到另外一個不在等待IO的用戶程序進行處理。

   這就很好的減小處理器資源的浪費，同時提升了程序處理的效率。

   多道系統會比單道系統複雜不少，好比 全部程序都在內存中，涉及到 內存管理

   多個用戶程序須要運行處理器先運行誰？ 這涉及到 調度算法

   固然 別慌張，這些知識都會在後面的文章中講到。

   分時系統

   多道系統已經解決了處理器資源合理且高效利用問題，可是隨着計算機的發展，人們對於計算機又有了新的需求 交互式處理。

   計算機須要具有多個用戶同時訪問、操做和處理用戶程序，此時 分時系統 就應運而生了。

   舉個例子：程序A是一個很是消耗處理器資源的程序通常運行一次須要10分鐘，程序B是一個簡單計算程序，運行一次只須要1分鐘。

   在多道系統裏，只能是程序A處理完了才能處理B，可是這B等着着急啊

   因而就有了分時系統，CPU資源對用戶程序是公平的，每個用戶擁有的資源是公平的

   

   利用上下文信息，去切換CPU執行的時間，作到儘量讓每一個用戶都平等擁有資源

   在這個過程當中，處理器的性能並無提高，反而會由於調度切換下降利用率，可是對用戶來講提升了用戶程序響應效率。

   分佈式系統

   隨機計算機的發展，終於到了我的電腦的出現，這時候計算機又增長了新的需求，多個計算機之間網絡互連、多核利用等等

   因而就誕生了分佈式系統，分佈式系統就是在網絡的幫助下實現實時的計算和協同處理

   操做系統的體系結構

   操做系統是一種系統軟件，在理解這個層次結構時能夠結合軟件設計的層次結構。

   單體系統

   整個操做系統在內核以單一程序的方式運行

   

   早期MS_DOS系統簡單結構如上圖所示，操做系統和應用程序以及設備驅動均可以操做硬件。

   能夠看出來沒有很好的模塊劃分和分離，這種方式的好處是任意調用都比較高效，缺點是程序大而且複雜的調用會讓操做系統變得笨拙且難以理解。

   再來看看早起UNIX系統結構

   

   能夠看到早期Unix系統結構也是有限的結構化，主要是早期受到硬件限制

   早期考慮操做系統設計的核心要素是 在最小的空間裏面提供最多的功能

   特別像互聯網公司初期的系統架構，所有單體應用，全部服務在一塊兒，隨着業務複雜、併發增長

   漸漸這種單體應用的優點會徹底被覆蓋，公司不得不進行架構升級

   層次式系統

   單體結構的缺點在硬件不斷髮展和用戶需求激增下愈來愈明顯

   相似公司規模不斷增大，早期架構的一點點優點愈來愈敵不過缺點了，不得不進行架構升級

   層次化結構的原則是：每一層只能使用下一層提供的服務

   最先的層次化結構系統是Dijkstra大佬設計出來的，叫THE OS，他把整個系統分爲了6層

   

   這種層次化結構的顯著優勢：

   • 底層和高層 甚至於每層只要按照規則 均可以分別實現，便於擴充
   • 上層的錯誤不會影響下層，便於調試、功能的增刪改
   • 調用關係清楚，上層對下層的單向依賴，避免遞歸調用，保證了設計和實現的正確性
   • 可移植性很是好

   固然也有顯著的缺點：

   • 系統中全部進程的控制轉移、通訊等任務都交給系統的核心去管理，代價較大
   • 層次的劃分和安排，要保證不出現雙向依賴關係

   微內核

   微內核體如今一個微字， 怎麼樣來達到這個微呢？

   1. 經過劃分系統程序和用戶程序，把全部沒必要要的部分移除內核，造成一個小內核
   2. 微內核提供最少許的進程管理、存儲管理、以及通訊功能

   

   整個操做系統由兩部分組成，運行在覈心態的內核和運行在用戶態的而且以C/S模式提供服務

   Windows NT就是以這種架構方式

   微內核的顯著優勢：

   內核精巧，內核提供核心功能 進程管理、存儲管理、以及通訊功能

   面向多處理機和分佈式系統，基於微內核的系統在內核中引入了多處理機調度和管理機制，而且引入了線程，有了線程就有了並行執行，這可不得了啊。

   基於C/S體系結構 微內核的任務通訊機制和消息機制採用CS模式向用戶提供服務

   現代操做系統的體系結構就是微內核與層次式結構的結合體

   以上就是本期的主要內容，基本回答了外甥的問題，也但願能解答你們的疑惑。

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   我是龍su，一個傾慕外甥帥氣容顏的舅舅，一個半吊子架構師，咱們下期見。