操作系统基础
1.1 为什么要有操作系统
为了方便对硬件操作。如果没有操作系统，写程序的时候还要附带写一个对应的操作系统，而操作系统的代码量为百万级，非常耗时。
1.2 什么是操作系统？
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。
1.2.1 操作系统的位置
系统调用 + 内核 =操作系统 ，它起到了承上启下的作用
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。
1.3 操作系统的功能
操作系统有两部分功能
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。
比如，磁盘资源的抽象是文件系统（C盘，D盘，E盘...下的目录及文件），有了文件的概念，我们直接打开文件，读或者写就可以了，无需关心记录是否应该使用修正的调频记录方式，以及当前电机的状态等细节
功能二：
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（多路复用）
1.4 操作系统的发展史
1.4.1 第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片
1.4.1.1 产生背景：
人类是想用机械取代人力，第一代计算机的产生是计算机由机械时代进入电子时代的标志。在这个时期，同一个小组里的工程师们，设计、建造、编程、操作及维护同一台机器，所有的程序设计是用纯粹的机器语言编写的，甚至更糟糕，需要通过成千上万根电缆街道插件板上连成电路来控制机器的基本功能。没有程序设计语言（汇编也没有），操作系统则是从来都没听说过，使用机器的过程更加原始。
1.4.1.2 特点：
没有操作系统的概念
所有的程序设计都是由纯粹的机器语言编写的
1.4.1.3 工作过程：
程序员在墙上的机时表预约一段时间，然后程序员拿着他的插件版到机房里，将自己的插件板接到计算机里，这几个小时内他独享整个计算机资源，后面的一批人都得等着(两万多个真空管经常会有被烧坏的情况出现)。
后来出现了穿孔卡片，可以将程序写在卡片上，然后读入机而不用插件板
同一时刻只有一个程序在内存中，被cpu调用执行，比方说10个程序的执行，是串行的。程序A执行结束后，才执行程序B。。。。。。。。。。。。
1.4.1.4 优点：
程序员在申请的时间段内独享整个资源，即时的调试自己的程序，如果有bug可以即时处理。
1.4.1.5 缺点：
这对于计算机提供商来说是一种浪费
例如：一台电脑往外租，一次租2个小时，那么如果上一个用户在第一个小时就已经完成工作了，剩下的1个小时电脑就空闲了。而一天你只能租给12个人，相当于要浪费12个小时。
1.4.2 第二代计算机：晶体管和批处理系统
1.4.2.1 产生背景：
由于当时的计算机非常的昂贵，所以很自然的需要想办法减少机时的浪费。通常采用的方法就是批处理系统。
1.4.2.2 特点：
1.4.2.3 工作过程：
早期的批处理系统：
a）程序员将卡片拿到1401机处
b）1401机将批处理作业读到磁带上
c）操作员将输入磁带送至7094机处
d）7490机进行运算
e）操作员将输出磁带送至1401机处
f）1401机打印出结果
1.4.2.4 优点：
批处理，节省了机时。
1.4.2.5 缺点：
1.整个流程需要人参与控制，负责磁带的搬运
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）
1.4.3.6 相比较第一代计算机做出的改善
第一代计算机的问题是：
人机交互太多了（人机交互过程：输入-->计算-->输出）
一个人的交互：输入-->计算-->输出
10个人的交互：
输入-->计算-->输出
输入-->计算-->输出
输入-->计算-->输出
输入-->计算-->输出
输入-->计算-->输出
第二代如何解决第一代的问题：
1.把一堆人的输入积攒成一大波输入
2.然后顺序计算（这依然是有问题的，但是第二代计算也没有解决）
3.把一堆人的输出积攒成一大波输出
简单来说，就是批处理，但是仍然是存在问题的
1.4.3 第三代计算机：集成电路芯片和多道程序设计☆
1.4.3.1 产生背景：
20世纪60年代初期，大多数计算机厂商都有两条完全不兼容的生产线。
一条是面向字的：大型的科学计算机，如IBM 7094，主要用于科学计算和工程计算
另外一条是面向字符的：商用计算机，如IBM 1401，主要用于银行和保险公司从事磁带归档和打印服务
开发和维护完全不同的产品是昂贵的，同时不同的用户对计算机的用途不同。
IBM公司试图通过引入system/360系列来同时满足科学计算和商业计算，360系列低档机与1401相当，高档机比7094功能强很多，不同的性能卖不同的价格
360是第一个采用了（小规模）芯片（集成电路）的主流机型，与采用晶体管的第二代计算机相比，性价比有了很大的提高。这些计算机的后代仍在大型的计算机中心里使用，此乃现在服务器的前身，这些服务器每秒处理不小于千次的请求。
1.4.3.2 相较第二代计算机做出的改善
解决第二代问题1：
运用SPOOLING技术，解决了人工参与的问题。
卡片被拿到机房后能够很快的将作业从卡片读入磁盘，于是任何时刻当一个作业结束时，操作系统就能将一个作业从磁带读出，装进空出来的内存区域运行，这种技术叫做同时的外部设备联机操作：SPOOLING，该技术同时用于输出。当采用了这种技术后，就不在需要IBM1401机了，也不必将磁带搬来搬去了
解决第二代问题2：
运用多道技术来解决顺序计算的问题
多道技术中的多道指的是多个程序，多道技术的实现是为了解决多个程序竞争或者说共享同一个资源（比如cpu）的有序调度问题，解决方式即多路复用，多路复用分为时间上的复用和空间上的复用。
空间上复用：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
空间复用遇到问题，实现不了!
程序直接的内存必须分割，这种分割要在硬件层面实现，由操作系统控制实现。如果内存彼此不分割，则一个程序可以访问另外一个程序的内存。
首先丧失的是安全性，比如你的qq程序可以访问操作系统的内存，这意味着你的qq可以拿到操作系统的所有权限。
其次丧失的是稳定性，某个程序崩溃时有可能把别人的内存也给回收了，比方说把操作系统的内存给回收了，则操作系统崩溃。
解决第二代问题3：
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。
分时操作系统: 多个联机终端+多道技术
20个客户端同时加载到内存，有17在思考，3个在运行，cpu就采用多道的方式处理内存中的这3个程序，由于客户提交的一般都是简短的指令而且很少有耗时长的，所以计算机能够为许多用户提供快速的交互式服务，所有的用户都以为自己独享了计算机资源。
1.5 多道技术
多道技术中的多道指的是多个程序，多道技术的实现是为了解决多个程序竞争或者说共享同一个资源（比如cpu）的有序调度问题。时间上的复用和空间上的复用结合起来便是多道技术。
1.5.1 多路复用的定义
现代计算机或者网络都是多用户的，多个用户不仅共享硬件，而且共享文件，数据库等信息，共享意味着冲突和无序。
操作系统主要是用来
1.记录哪个程序使用什么资源
2.对资源请求进行分配
3.为不同的程序和用户调解互相冲突的资源请求。
我们可将上述操作系统的功能总结为：处理来自多个程序发起的多个（多个即多路）共享（共享即复用）资源的请求，简称多路复用
1.5.2 多路复用的实现方式
多路复用有两种实现方式：
1.时间上的复用
当一个资源在时间上复用时，不同的程序或用户轮流使用它，第一个程序获取该资源使用结束后，在轮到第二个。。。。
只有一个cpu，多个程序需要在该cpu上运行，操作系统先把cpu分给第一个程序，在这个程序运行的足够长的时间（时间长短由操作系统的算法说了算）或者遇到了I/O阻塞，操作系统则把cpu分配给下一个程序，以此类推，直到第一个程序重新被分配到了cpu然后再次运行，由于cpu的切换速度很快，给用户的感觉就是这些程序是同时运行的，或者说是并发的，实际上是伪并行的。至于资源如何实现时间复用，或者说谁应该是下一个要运行的程序，以及一个任务需要运行多长时间，这些都是操作系统的工作。
2.空间上的复用（必须实现硬件层面的隔离）
每个客户都获取了一个大的资源中的一小部分资源，从而减少了排队等待资源的时间。
多个运行的程序同时进入内存，硬件层面提供保护机制来确保各自的内存是分割开的，且由操作系统控制，这比一个程序独占内存一个一个排队进入内存效率要高的多。
有关空间复用的其他资源还有磁盘，在许多系统中，一个磁盘同时为许多用户保存文件。分配磁盘空间并且记录谁正在使用哪个磁盘块是操作系统资源管理的典型任务。
