操作系统概述(发展，特性，功能)

秒速五厘米 2023-09-29 10:02 95阅读 0赞

## 引论 ##

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主要记录一下操作系统概论，包括它的发展历程以及基本的功能特性。这些基本功能特性都会在后续展开。

了解操作系统的发展历史，有助于理解现代操作系统中的一些功能特性。

### 1. 发展过程 ###

操作系统的出现是为了更好的服务计算机操作。最初的计算机系统并没有操作系统，没有程序来控制计算机的执行，一切都是人工执行。人为地把处理纸带插入，进行运算。后面为了提高操作效率，使用了脱机IO的方法，弄一大堆纸带排队，按顺序一个一个弄。相当于弄了个缓存空间，存放待运行的纸带。

后来为了偷懒，实现了第一个操作系统——单道批处理系统，处理方法和人工的脱机IO差不多，只不过不需要人工。

而后，为了提高处理效率，因为计算机性能很强，但是单道批处理系统用不完，相当于一条路十米宽，但是只是单行道，那不浪费吗？所以这条十米宽的路开辟成一个双行道，大大提升了处理效率。

后面又有别的需求。因为电脑很贵，一个人买不起，通常要和别人拼单。但是有时候会有矛盾，就和上厕所一样，一个房间就一个厕所，当有人在开大的时候你肯定不能进去，但是你只是想小便，很快的，却要等很久，那你心生不满。于是设计出一个分时系统，每个用户占用该计算机一段时间，用完了给别人用，待会你再用。

同时有一种特殊的需求，有的人急性子，希望计算机能马上给我反馈，你说分时系统，我提交个任务半天不回，这不行。于是开发出实时系统，更合理的叫及时系统。

#### 1.1 无操作系统 ####

##### 1.1.1 人工操作 #####

**1）使用**

当计算机诞生后，还没有出现管理计算机资源的操作系统，这个时候使用计算机都是人工操作，当想执行什么指令，就把它写到一个纸带上，然后把纸带插进电脑里，然后就开始执行了。

**2）优缺点**

这个最原始的使用方式没有什么优点，硬要说优点，那最大的优点就是能用。反倒是有很多不足的地方。

第一，利用效率低。因为计算机运行是很快的，但是人工传纸带好慢的，计算机资源肯定利用不完。最重要的是，当时一个学校都不一定有一台电脑，而且一次只能一个人用，还如此繁琐，大大浪费了资源。

后面呢，就做了一点改进。

##### 1.1.2 脱机IO #####

现在升级了，可以好几个人排队，把要执行的指令任务先放到缓存区(硬盘)，这样呢，我们宝贵的计算机资源就会不断执行纸带中的指令。执行完成后，会告诉执行者执行结果，还算是提高了利用率。

#### 1.2 单道批处理 ####

第二代晶体管的出现，使得计算机性能大大提高。

后面就有人写了一个简单的操作系统，这个操作系统有一个监督程序，不断读取待执行的命令(纸带)，让电脑自动一个一个执行。把脱机IO更自动化了

**缺点**也很显然，操作系统的所有发展目的都是提高计算机的利用率，穷竭它的算力，不然浪费着干嘛呢？

单道批处理系统，内存中只有一个程序，那剩下的内存干嘛？没事干可不能闲着。

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#### 1.3 多道批处理 ####

多道批处理系统应运而生。

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很简单啊，我要让CPU无时无刻都在运行。我们观察上面的单道批处理系统运行图，尤其是IO操作，最烦人，最慢。为什么？因为人脑人手办事的，那肯定慢啊，那就浪费了好多时间。

那多道批处理系统就聪明了，你在进行IO操作的时候，我启动另一个任务的计算，这不就大大提高利用率了吗？

那它缺点呢？它必然优缺点，那不然操作系统怎么还会发展…

**缺点：**

**第一个**，这个最原始的系统，他任务执行是按顺序的。平均周转时间很长，一个任务可能做好几个小时甚至几天(通常在等待)，你说现在的你能接受吗？当时是大学教授搞科研，弄个数学题给他算算就行了要求也不高，但是要听音乐看电影的那肯定不行啊。

**第二个**，无交互能力。你想修改你丢进去的程序是不行的，它不给你机会。你几天前丢了一个数学公式进去，第二天发现它写错了，你想改，不好意思没门，后面过几天出来一个错误的结果，甚至可能还浪费了一次使用计算机的机会。

**第三个**，内存管理。这么多程序，每个程序都要内存，那如何保证内存不会出错？一个程序跑太久了，卡bug了，如何删除干净它的内存？一个程序会不会在内存中搞破坏？

#### 1.4 分时系统 ####

因为当时一台计算机又贵又大，只有部分高校配备，为了更加提高计算机利用效率，创造性的一个操作系统设计思路。让一台电脑好多个人用。这就是分时系统的诞生，每个用户占领一段时间。

#### 1.5 实时系统 ####

后面又有另外一些特殊需求，希望能有一个实时控制系统。就好像人工遥控车，你总不会希望你摁下前进方向它过五分钟才走吧？

### 2. 基本特性 ###

这里介绍一下现代操作系统主要特征。这些特征都会在后面的章节仔仔细细展开来讨论，因为它构成了操作系统最重要的部分。特征是由于某些功能而存在的，功能的存在又是为了解决某些问题。

#### 2.1 并发 ####

##### 2.1.1 并行/并发 #####

并行和并发什么区别？并行是两个人一起走，并发是两个人一起出发，一起到达。

并行是两个或多个时间在**同一时刻**发生，是一个微观概念；并发是两个或多个事件在**同一时间间隔**发生，是一个宏观概念。

目前计算机的处理就是一个并发性。表现出来是一分钟处理了好几个程序，但实际运行中，CPU一分钟跑一下这个程序，另一分钟跑一下那个程序，最后在一小时，所有程序都完成了。

##### 2.1.2 进程 #####

**进程引入的目的，就是为了实现并发**。

想要实现并发，就需要管理好每个应用程序，要知道这个应用程序进行到什么状态？需要什么数据？挂起后还能够准确的回到它原先运行的断电。因此为每个应用程序设立一个进程，进行分配资源，进行管理。

##### 2.1.3 线程 #####

**线程引入的目的，是为了管理进程**。

由于进程是拥有资源的，进程之间的调度会有很多开销。因此提出线程，基于进程上的管理单位，它不拥有资源，因此可以灵活调度。

**为进程分配资源，对线程进行调度**。

#### 2.2 共享 ####

共享是指资源复用。但是不同的资源特性不一样，复用方式也不同。

##### 2.2.1 互斥共享 #####

像打印机这类资源，一次只能执行一个命令，这就是互斥共享。我可以给你用，但是你要等我空闲了再找我。

##### 2.2.2 非互斥共享 #####

与上述相反。

#### 2.3 虚拟 ####

虚拟，实际上是屏蔽了物理结构的差异，从逻辑上融为一体。没啥好说的。

像什么虚拟磁盘技术等

#### 2.4 异步 ####

并发执行特点就是异步，他和并行不同，并行是同步。我们不能等这个程序一直走一直走，卡住了也等。它住了我就跑别的程序，等它不卡了我再回来弄它。

### 3. 主要功能 ###

这里主要介绍操作系统的主要功能，这些功能都能从上面的特性窥探到。由于有这些功能，才会使得操作系统具有上述的特性。而功能是实现，目的就是为了解决问题。

#### 3.1 处理机管理功能 ####

如何协调进程？

##### 3.1.1 进程控制 #####

能够控制进程的生成，销毁，分配资源，回收资源。

##### 3.1.2 进程同步 #####

进程是异步方式运行的，但是，过程中可能出现什么问题。比如说同时访问资源怎么办？这时候就需要做进程的协调。

**进程互斥**：进程对临界资源(只能一个人访问)进行访问时，采用互斥方式

**进程同步**：相互合作完成共同任务的进程间，对次序进行调整。比如先写后读。

实现进程同步，需要一个同步机制。常用的方法有设置锁和信号量机制。

##### 3.1.3 进程通信 #####

进程之间如何交互信息？

##### 3.1.4 调度 #####

如何调入进程进入内存执行？怎样调度？谁先执行？

#### 3.2 存储器管理功能 ####

如何管理内存？

##### 3.2.1 内存分配 #####

进程需要多少内存？分配多少给它？静态还是动态？

##### 3.2.2 内存保护 #####

某个进程修改别人进程的内存资源怎么办？

##### 3.2.3 地址映射 #####

实现虚拟功能就意味着逻辑地址和物理地址是不同的，进程的逻辑地址从0开始，但是物理地址不是，如何完成映射？

##### 3.2.4 内存扩充 #####

这不是物理上的扩充，是逻辑上的扩充。内存空间不够的时候，如何通过调度的方式，调整内存。

#### 3.3 设备管理功能 ####

管理外围IO设备

##### 3.3.1 缓冲管理 #####

在IO设备与CPU中设置缓冲，不要让CPU一直等待IO设备输入。

缓冲的存在，就是解决两个设备间处理速度不一致的问题。

##### 3.3.2 设备分配 #####

如何管理设备资源。

##### 3.3.3 设备处理 #####

一个驱动程序。实现CPU和设备控制器之间的通信。

我们的CPU和键盘，鼠标，屏幕，等等外围设备通信，都需要一个驱动，或者叫适配器。

#### 3.4 文件管理功能 ####

管理文件资源。包括目录，读写，共享，保护等

##### 3.4.1 目录管理 #####

如何合理安排文件位置

##### 3.4.2 读写保护 #####

有些文件不让每个人读写  
冲的存在，就是解决两个设备间处理速度不一致的问题。

##### 3.3.2 设备分配 #####

如何管理设备资源。

##### 3.3.3 设备处理 #####

一个驱动程序。实现CPU和设备控制器之间的通信。

我们的CPU和键盘，鼠标，屏幕，等等外围设备通信，都需要一个驱动，或者叫适配器。

#### 3.4 文件管理功能 ####

管理文件资源。包括目录，读写，共享，保护等

##### 3.4.1 目录管理 #####

如何合理安排文件位置

##### 3.4.2 读写保护 #####

有些文件不让每个人读写

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