一个故事看懂计算机操作系统的进化史

计算机

很久很久以前，有一台机器，体型巨大，每秒钟可以进行几千次的加法运算，名震一时，人类给它取了个名字：计算机。

除了加法，它还能计算平方、立方、正弦、余弦，比人类的大脑算得快多了。

许多程序慕名而来，想在它上面运行一下，体会这飞一般的感觉。

“来来来，排好队，一个一个来”，计算机的管理员说到。

众程序挨个排好队，等待管理员传唤。

执行完一个，管理员再将其取出，换上下一个开始执行。

久而久之，程序们纷纷抱怨：排队十分钟，执行三秒钟。人类管理员太慢了，时间都用在排队上了，能不能让计算机自动完成程序切换，不要手动切换？

人工操作的速度比起计算机实在是慢太多了，人机矛盾日益凸显，人类决定对机器重新进行设计，并且开发了一个控制程序，在它的指挥下，可以批量执行程序，自动实现切换，不用再需要人工介入了，效率提高了不少。

多道程序处理

慕名而来的程序越来越多了，等待执行的队伍排的越来越长。

有些程序等的不耐烦了，询问控制程序：“大哥，你看前面那家伙在做输入输出，CPU给空出来了，一时半会儿用不上，这不是浪费吗，要不叫下一个上去执行吧”

控制程序皱着眉头说到：“那怎么行，前面程序执行的数据都在内存里放着了，再放程序进去，要是弄坏了谁负责？再说CPU只有一个，前面的程序忙完输入输出回来了又该如何处理？”

大家一时语塞，谁也给不出主意，纷纷叹气，只好作罢，继续等待。

不过聪明的人类倒是发现了这问题：让一个程序独占计算机确实浪费资源，执行输入输出的时候，CPU就空着了，执行计算操作的时候，输入输出设备又闲着了，总有一个闲着。

于是人类又重新设计了计算机，并开发了新版的控制程序，这一次，允许多个程序同时进入计算机执行了。

如果程序A执行输入输出，就把CPU空出来让给另一个程序B执行，一会儿B再执行输入输出，再把CPU分给A执行，彼此交替，这样一来就不会浪费了！

时间分片

不过没多久，又出现了新的问题。

这一天，其他程序都在排队等待控制程序翻牌子，可左等右等也不见传唤，众程序急了，质问控制程序，控制程序大倒苦水：“前面那个家伙写了个死循环，死活结束不了啊！”

听他这么一说，众程序都怒了。

“怎么能这样，这也太自私了”

“你这控制程序也不管管，要你有何用？”

“赶紧想办法啊！”

“我也没办法，他不执行输入输出，我也拿不到CPU的控制权，拿他没有办法啊”，控制程序叹气说到。

众程序七嘴八舌，吵的是不可开交。

敏感的人类又一次发现了这个问题，好一通研究，搞了一个叫“中断”的技术出来：可以给CPU发送中断信号，CPU收到信号后，就得停下手头的工作，转而执行控制程序处理中断信号，这样控制程序就有办法获得控制权了！

为了能够让控制程序及时获得控制权，人类搞了一个中断源，周期性的给CPU发送中断信号，并把这叫做时钟中断。

升级后的控制程序又上岗开始工作了，众程序闻风而来。

“大哥，听说你又升级了，这一次改了啥，可以搞定死循环的程序吗？”，一个程序问道。

“大家排好队，听好了，现在按照时间片来划分了，每个程序一次只有一小段时间，时间一用完我就得请他出来，让别的程序来了”

“那要是时间到了，我还没执行完可咋办呢？”

“大家不用担心，都是轮着来的，等下一轮又有机会执行了”，控制程序解释道。

“我们这么多程序，轮到下一轮，那不得等好久”

“这台计算机从里到外都升级过了，别看它个头变小了，里面都是大规模集成电路了，执行速度可比之前的大块头快了不少，每秒能执行几十万次运算呢～你们还没感觉到就转了一圈回来了”

众程序听后一片哗然，“几十万，我的乖乖！这也太快了，快让我们体验一下”

说完，大家都摩拳擦掌排好队，准备登上这台升级后的计算机运行。

果不其然，这升级后的计算机跑起来那叫一个快，有了时钟中断，控制程序总能按时获得CPU的控制权，在背后默默控制着程序们的运行，众程序丝毫感觉不到自己曾经停止过。

状态

不过，计算机速度虽然变快了，但慕名而来的程序也更多了，这些程序的功能也越来越复杂。

渐渐的，程序们不再满足于现状，开始出现了新的问题。

有些程序在sleep，有些程序在同步等待，白白浪费了时间片，大伙向控制程序提出了抗议，控制程序却说对待所有程序要一视同仁，要讲公平，大伙当面不敢说，背后却骂他不作为。

控制程序把这个问题反馈给了人类，聪明的工程师又开始琢磨：所有程序都排成一个队来轮转确实有些欠妥，得给这些程序划分成不同的状态，只有准备就绪的程序才有资格执行。

人类一口气搞了好些个任务状态出来，创建、就绪、运行、阻塞、终止···

控制程序一下变得复杂起来，原来只要挨个传唤执行就行，现在还得记录他们的状态，选择合适状态的程序来运行，工作量增加了不少。

优先级

本以为这么一改，大家就会满意了，没想到有几个老油条私下找到控制程序：“老哥，咱们几个程序对实时性要求比较高，能不能给咱们整个VIP队列，别跟他们一起排，优先执行我们？”

控制程序一听脸都绿了，断然拒绝。

其中有一个家伙说到：“我们几个程序可是非常重要的，要是延误了时间，你能担待的起吗？”

没办法，控制程序只能再次反馈给人类。工程师一想，倒也是，所有程序都是同样的优先级，确实太草率了。

工程师再一次升级了控制程序，这一次，不仅划分了任务状态，还设定了不同的优先级，划分了不同的队伍，让程序们去各自优先级所在的队伍排队，优先执行高优先级的程序。

不仅如此，如果有高优先级的程序出现，即使低优先级程序的时间片还没用完，也会被剥夺执行机会，工程师把这叫做抢占。

不过，这一次的改动，控制程序把大家伙都蒙在了鼓里，要是知道他们还被划分了三六九等，估计得闹翻天。

经过这一轮改动，大家总算过了一段清静日子。

多核时代

硬件技术发展的太快了，有一天，人类激动的告诉控制程序：现在CPU里面有多个核心了，可以真正同时执行多个程序了，我们决定再次对你升级！

可对于控制程序来说，这可不是什么好消息，本来一个核的程序调度管理已经让他够忙活的了，现在来了多个核，这调度管理任务就更复杂了。原来只是多个优先级的队列，现在每个核都得搞一套，真是想想都头大了。

人类开始对控制程序大动手术，把它变得越来越复杂，功能也越来越强大。

好了，这一期的故事就讲到这里了，如果你想查看更多未发布过的新鲜又有趣的技术小故事，可以扫描下方二维码购买我最新出版的《趣话计算机底层技术》图书。书中用一个个的小故事系统性的讲解了计算机底层技术的基本原理，以及如何运用他们解决日常工作中的各种实际问题。

最后，还给他取了一个新的名字：操作系统。

【完】

PS：故事归故事，操作系统这个名字可不是多核以后才出现的哦。

另外，现代操作系统更加复杂，状态、抢占、优先级、动态优先级、动态时间片、亲和性各种因素交织在一起，综合调度，还有多种调度算法并存。