操作系统的引入

操作系统的引入

• 进程的概念起源于操作系统，是操作系统最核心的概念，也是操作系统提供的最古老也是最重要的抽象概念之一。

  • 操作系统的其他所有内容都是围绕进程的概念展开的。

• 顾名思义，进程即正在执行的一个过程。

  • 进程是对正在运行程序的一个抽象。

• 所以想要真正了解进程，必须事先了解操作系统

一、为什么要有操作系统

• 简单的讲就是为了程序员更加方便地高效地操作计算机硬件系硬件系统工作

• 操作系统解决了之前与计算机交互中出现的过度依赖硬件设备的问题

  • 现代的计算机系统主要是由一个或者多个处理器，主存，硬盘，键盘，鼠标，显示器，打印机，网络接口及其他输入输出设备组成。
  • 一般而言，现代计算机系统是一个复杂的系统。

• 有了操作系统之后我们可以对计算机的所有部件进行管理并加以优化，它给用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型

• 因为程序员无法把所有的硬件操作细节都了解到，所以发明了操作系统，它将管理计算机硬件并且加以优化使用的非常繁琐的工作包揽了，程序员只需要考虑自己的应用软件的编写就可以了

  • 应用软件直接使用操作系统提供的功能来间接使用硬件

二、什么是操作系统

• 精简的说，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。
• 如下图所示：

• 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]操作系统的功能

（1）隐藏硬件接口

• 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。

（2）资源有序化

• 将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化

[2]操作系统的功能详解

• 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
  • 记录哪个程序使用什么资源
  • 对资源请求进行分配
  • 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

[3]多路复用的两种实现方式

（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。
• 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。

（3）多道技术

• 这两种方式合起来便是多道技术

三、操作系统与普通软件的区别

• 主要区别是：

  • 你不想用暴风影音了你可以选择用迅雷播放器或者干脆自己写一个
  • 但是你无法写一个属于操作系统一部分的程序（时钟中断处理程序）
  • 操作系统由硬件保护，不能被用户修改。

• 操作系统与用户程序的差异并不在于二者所处的地位。

  • 特别地，操作系统是一个大型、复杂、长寿的软件，

• 大型：

  • linux或windows的源代码有五百万行数量级。
    • 按照每页50行共1000行的书来算，五百万行要有100卷，要用一整个书架子来摆置，这还仅仅是内核部分。
  • 用户程序
    • 如GUI，库以及基本应用软件（如windows Explorer等），很容易就能达到这个数量的10倍或者20倍之多。

• 长寿：

  • 操作系统很难编写，如此大的代码量，一旦完成，操作系统所有者便不会轻易扔掉，再写一个。
  • 而是在原有的基础上进行改进。

四、操作系统的发展史

[1]第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

[2]第二代计算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统

[3]第三代计算机（1965~1980）：集成电路芯片和多道程序设计

[4]第四代计算机（1980~至今）：个人计算机

五、总结

[1]操作系统的作用

• 隐藏丑陋复杂的硬件接口，提供良好的抽象接口
• 管理、调度进程，并且将多个进程对硬件的竞争变得有序

[2]多道技术

（1）产生背景：针对单核，实现并发

• 现在的主机一般是多核，那么每个核都会利用多道技术 有4个cpu，运行于cpu1的某个程序遇到io阻塞，会等到io结束再重新调度，会被调度到4个cpu中的任意一个，具体由操作系统调度算法决定。

（2）空间上的复用：如内存中同时有多道程序

• 空间上的复用指的是在内存中同时运行多个程序，这样可以有效地利用内存资源。

（3）时间上的复用：复用一个cpu的时间片

• 指共享同一台机器的多个进程可以轮流使用CPU，从而避免了长时间等待的情况发生。
• 强调：遇到io切，占用cpu时间过长也切，核心在于切之前将进程的状态保存下来，这样才能保证下次切换回来时，能基于上次切走的位置继续运行

[3]操作系统发展史

• 第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片
• 第二代计算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统
• 第三代计算机（1965~1980）：集成电路芯片和多道程序设计
• 第四代计算机（1980~至今）：个人计算机