D2.计算机操作系统

1.为何要有操作系统
现代计算机是一个复杂的系统，如果每位应用程序员都必须掌握该系统的所有细节，那就不可能再有时间去编写代码了，严重影响开发效率。于是，计算机安装了一层软件（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。

2.操作系统的位置
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.操作系统的功能
操作系统应该分成两部分功能：
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。
实际上和操作系统打交道的是应用程序，应用程序直接与操作系统及其抽象打交道。而最终，用户则是与应用程序（即用户接口）打交道，或者是命令行shell或者是图形界面（比如桌面），它们都只是运行于操作系统之上的应用软件，并不属于操作系统。
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）。
4.操作系统的发展
第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片，那时候还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。
第二代计算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统。这时有了操作系统的概念，下图是早期操作系统：

在收集了大约一个小时的批量作业之后，这些卡片被读入磁带，然后磁带被送到机房里并装到磁带上。然后磁带被送到机房里并装到磁带机上。随后，操作员装入一个特殊的程序，它负责从磁带上读入第一个作业（job，一个或一组程序）并运行，其输出写到第二个磁带上，而且不打印。每个作业结束后，操作系统自动的从磁带上读入下一个作业并且运行。当一整批的作业全部结束后，操作员去下输入和输出磁带，讲输入磁带换成下一批作业，并且把输出磁带拿到一台1041机器上进行脱机（不与主计算机联机）打印，这一套需要人参的情况下机器才能运行的系统乃现代操作系统的前身。
第三代计算机（1965~1980）：集成电路芯片和多道程序设计，第三代计算机的操作系统广泛应用了第二代计算机的操作系统没有的关键技术：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，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。
三代计算机广泛采用了必须的保护硬件（程序之间的内存彼此隔离）之后，分时系统才开始流行，UNIX、minix、Linux等都是在此期间生成发展的。
第四代计算机（1980~至今）：个人计算机

5.多道技术
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。
操作系统主要使用来
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。
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。。。第三个。。。
2.空间上的复用
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。
这两种方式合起来便是多道技术