【操作系统】概述

待我称王封你为后i 2022-06-03 08:12 353阅读 0赞

这篇主要是综述总结一下操作系统的基本概念，了解操作系统OS到底在做哪些工作。之所以写这一篇blog，主要是因为我长期以来都没有搞懂OS到底在做些什么工作。

毕竟从接触计算机开始，就在使用windows系统，进程啊，线程啊这些东西我一直以为是理所当然的；另一方面，操作系统毕竟是非常抽象的，在我学完单片机之后，对计算机有了基本的认识，而操作系统是个什么东西，要比计算机更抽象，难以理解；再者，我本科的时候没有开设操作系统这门课，这让我误以为操作系统只要会用就可以了。因此，我还是抽空把操作系统重新认真翻书看了两遍，当然了，还是有一些概念模糊没有理解透彻的，两遍远远不够。写这一篇blog，也是为了能够让自己对OS有个更加深刻的认识。

# 一、操作系统的发展 #

### 1、原始阶段 ###

如果是没有操作系统软件的计算机，**程序员必须直接对硬件编程**，用管脚和引线高速机器该上哪一个程序，运行完毕之后程序员取出结果，然后再上下一个用户和程序。这样的思路就是单片机的思路，在单片机上，我们用c语言写好程序，并烧录到单片机上，一旦通上电，单片机立即开始工作，因为没有软件，只有一些硬件逻辑电路在工作，这个就是程序。

### 2、单道批处理阶段 ###

程序员人工上机安放程序是需要花时间的，同样我们每次要处理的程序都是人工写好再放在计算机上的。此时处理机并没有运行，所以此时可以将处理机和其它部分划分开，即将程序的装配的同时，其它用户的其它程序正在占用处理机，一旦下机，本程序即可在处理机上运行，这样能够显著节约时间，提高处理效率，即**脱机技术**。

但上述操作仍然是一种单道批处理程序，在IO、内存、外存等访问处理机时，处理机会中断下来，处理其它设备的请求，且单道批处理程序依然属于串行，浪费了大量的处理机资源。每一次的批处理程序都浪费了大量的时间来解决中断，处理机资源并没有得到完全发挥。

### 3、多道批处理阶段 ###

由此诞生了**多道批处理程序**，其作用是多个程序并发处理，提高处理机利用率。在一个程序中断的时候，其它程序能够接续上，运行在处理机上，一点不浪费资源。

### 4、人机交互阶段 ###

所谓**批处理程序即人工无法中断干预的程序**。一旦程序出现问题想暂停下来，非得等到它停下来才行，相当不便。由此，**分时系统**可以实现人机交互，所谓分时是从其具体实现上来命名的，它将计算机处理程序划分为离散的一系列的时间片，每一个时间片都交给一个程序去使用处理机，如果没有处理完，那也需要交出处理机使用权限给其它程序，这就是分时的概念，其实是一种轮转算法。分是系统实现了对当前切入的程序的实时响应，因为在很短的时间片内，用户感觉不到。

### 5、处理时间限制阶段 ###

**实时系统**是在分时系统上提出来的，其目的就是实现人们对于程序运行的实时性的高要求，即赋予某个程序很高的优先级，让该程序占用处理机，在某个截止时间前完成运行。这就对处理机选择处理哪个程序任务的算法提出了比较高的要求。

### 6、多用户阶段 ###

此外，处理机也不仅仅提供给一个用户使用，大型软件的开发需要多人协作，操作系统需要提供**多用户功能**，最突出的就是两个用户操作一个文件和程序等资源，如何保证不冲突。虽然windows也有多用户功能，但是这种多用户指的是不在同一时刻登录系统的多用户，这显然离真正的多用户需求差的很远。

当前的windows系统是单用户多任务操作系统，而NT系列是针对网络的操作系统。LINUX是多用户多任务的操作系统，用于软件开发工作。当然了，此前见到过某国企某团队在使用windows做服务器开发，画面感人，不知道他们效率低下否。

总体看来，操作系统的提出和发展都是因为现实的需要，最本质的需求就是提高处理机的资源利用率，满足用户的奇葩要求。随着发展，不仅仅是处理机，文件系统，存储器系统，外设都需要让OS来接盘，人需要做的工作仅仅是看着OS处理这一切。这就是**操作系统的功能和意义**。

# 二、操作系统的结构 #

### 1、无结构阶段 ###

在操作系统发展初期，为了实现处理机使用的高效性，操作系统无结构可言，仅仅是一些逻辑控制机制，一段程序代码。就像我自己写的一段连类都未定义的函数。

### 2、模块化阶段 ###

当操作系统程序量变大之后，就需要将其根据功能进行模块化，用接口连接，现在大多数非操作系统软件都是模块化的体现，如java里大量的jdk，python里大量的第三方包等等。很好理解，不再多说。

### 3、分层阶段 ###

分层结构，有点类似于网络体系结构里的分层模型，Docker里也采用了分层模型，其主要特点就是上层不需要满足和服务下层，只需要对自己的上层服务。效率会降低，因为层次众多，但是可以提高系统的可靠性，一旦出现问题，可以只修改某一层及其以上的层，而下层不需要知道，也不需要修改，代码维护方便。

## 内核、客户机和服务器模式、面向对象模式 ##

现代操作系统一般都有内核，**内核主要提供了最基本的功能**，如进程、线程管理等等，而把文件管理、网络管理、安全性管理等功能分别交给不同的服务器去处理，这就是**客户机和服务器模式**，这样一来，服务器和新的计算机的功能很容易获得扩展，而且方便修改代码和功能。内核就是最基本的模块，所谓最基本，不如说它更像是一个内置的库函数，提供了简单的方法给其它服务器实现高级功能，而且内核对自身提供了一定的保护机制，防止自己被占用或侵入。**一般的应用程序都运行在用户态，而不能是内核态**，目的是为了避免出错。**处于内核态的处理机可以访问所有的内存和寄存器，能执行一切机器指令，而用户态的处理机则只能执行特定的指令，访问某些内存和寄存器**。也就是说，应用程序无法进入操作系统内核内部，因为操作系统本身提供了这种机制，不允许进入。但是当应用程序所在的进程需要进行调度和切换时，进程就陷入了内核态，调度完毕后，再返回用户态。应用程序即便进入了内核态，但那只是操作系统管理的需要，而非应用程序本身可以访问那些内核态的寄存器。

内核结构的缺点就是效率较低，由于我们在编写和改动上方便了，付出了方便的代价，程序在处理的过程中，一旦出现中断和陷入，则需要从用户态切换到内核态，此时，进程的上下文变量都需要进行保存，频繁地进行状态切换，时间代价是很大的。比如数据库的读取操作，每次都是内存和磁盘的io处理，三分钟读10000多条数据的现象仍然存在，主要缺点就是数据库的SQL语句写的不好，造成了卡顿。这个随后再说。

# 三、操作系统的基本特性 #

根据前面所述的操作系统的功能和结构，很容易知道，操作系统具有并发、共享、虚拟和异步等几个特性。

这里主要就是**虚拟**不太好理解，虚拟主要是指内存太小，需要建立虚拟内存，io设备太少，需要多个程序分时段使用io，这也就对应着spooling技术。总体来说，属于**空间对换**技术和**时分复用**技术。