[Python学习日记-83] 操作系统的介绍

[Python学习日记-83] 操作系统的介绍

简介

操作系统介绍

简介

        本篇开始我们要学习网络编程的进阶知识，即并发编程（多进程编程），从字面意思可以看出，进程就是正在执行的一个过程，也就是说进程是对正在运行程序的一个抽象。在前面学习的计算机基础与网络中我们讲过我们所写的程序并不是直接操作硬件的，而是通过操作系统来帮我们操作的，而进程的概念就起源于操作系统，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。所以想要真正了解进程，必须事先了解操作系统。

操作系统介绍

一、为什么要有操作系统

        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，所以说现代计算机系统是一个复杂的系统。

        我们之所以要使用操作系统主要考虑两问题，一是效率问题，二是设备管理问题。

        效率问题：要知道操作系统是一个复杂的，它可以把复杂的东西抽象成简单的接口，从而屏蔽掉复杂的物理设备，这样程序员可以不必掌握系统的所有细节，而只需掌握简单的接口调用即可编写代码了；而如果每位应用程序员都必须掌握该系统所有的细节，那就不可能有时间去编写代码了（一个操作系统可能会有十几万行的代码，完全读完都不知道到猴年马月），这会严重影响了程序员的开发效率。

        设备管理问题：计算机系统是由多个硬件设备组成的一个系统，管理这些部件并加以优化使用，是一件极富挑战性的工作，于是就专门为计算机安装了一层软件（系统软件），被称为操作系统，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。

        总的来说，程序员无法把所有的硬件操作细节都了解到，管理这些硬件并且加以优化使用是非常繁琐的工作，这个繁琐的工作就是操作系统来干的，有了它，程序员就从这些繁琐的工作中解脱了出来，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

        简单的来说，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。操作系统所处的位置如下图所示

计算机系统中不同的态与人的关系

注意：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。

        展开来说，操作系统分成两部分功能 ：

1、隐藏了丑陋的硬件调用接口，为应用程序员提供更好，更简单，更清晰的调用硬件资源模型(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。

例如，操作系统提供了文件这个抽象概念，对文件的操作就是对磁盘的操作，有了文件我们无需再去考虑关于磁盘的读写控制（比如控制磁盘转动、移动磁头读写数据等细节）。

2、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，那么可能 A 程序竞争到了打印机资源配打印，也可能是 B 竞争到打印机资源，也可能是 C，这就导致了无序的资源竞争，打印机可能打印一段 A 的内容然后又去打印 C 的了，操作系统的一个功能就是将这种无序变得有序。

操作系统对计算机硬件的接口抽象封装

三、操作系统与普通软件的区别

1、主要的区别是，操作系统由硬件保护，不能被用户修改。如果你不想用现在的 QQ 了，你可以选择用微信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（例如，时钟中断处理程序）。

2、操作系统与用户程序的差异并不在于二者所处的地位。与其他用户程序相比，操作系统是一个大型、复杂、长寿的软件，即使是与大型的用户程序相比都是如此。

大型：Linux 或 Windows 的源代码都是五百万行数量级。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。再加上其他用户程序，例如，GUI、库以及基本应用软件（如 Windows 的 Explorer 之类的系统服务），很容易就能达到这个数量的10倍或者20倍之多。

长寿：操作系统的代码量如此之大是非常难编写的，一旦完成操作系统的所有者便不会轻易放弃，然后再写一个。而是在原有的基础上进行改进。（基本上可以把 Windows95/98/ME 看出一个操作系统，而 Windows NT/2000/XP/Vista 则是两位一个操作系统，对于用户来说它们十分相似。还有 UNIX 以及它的变体和克隆版本也演化了多年，例如，System V 版、Solaris 以及 FreeBSD 等都是 Unix 的原始版，不过尽管 Linux 非常依照 Unix 模式而仿制，并且与 Unix 高度兼容，但是 Linux 具有全新的代码基础）

四、操作系统发展史

操作系统发展历程

1、第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

第一代计算机的产生背景：

        第一代之前人类是想用机械取代人力，第一代计算机的产生是计算机由机械时代进入电子时代的标志，从 Babbage 失败之后一直到第二次世界大战，数字计算机的建造几乎没有什么进展，第二次世界大战的爆发刺激了有关计算机研究的爆炸性进展。

        美国爱荷华州立大学的 John Atanasoff 教授和他的学生 Cliford Bery 建造了据认为是第一台可工作的数字计算机。该机器使用300个真空管，几乎是同一时间 Konrad Zuse 在柏林用继电器构建了 Z3 计算机，英格兰布莱切利园的一个小组在1944年构建了 Colossus，Howard Aiken 在哈佛大学建造了 Mark 1，宾夕法尼亚大学的 William Mauchley 和他的学生 J.Presper Eckert 建造了 ENIAC。这些机,器有的是二进制的，有的使用真空管，有的是可编程的，但都非常原始，需要花费数秒钟时间才能完成最简单的运算。

第一代计算机（1940~1955）

        在这个时期，同一个小组里的工程师们，设计、建造、编程、操作及维护同一台机器，所有的程序设计都是用纯粹的机器语言编写的，甚至更糟糕的有需要通过成千上万根电缆接到插件板上连成电路来控制机器的基本功能。那时候没有程序设计语言（连汇编也没有），操作系统更是从来都没听说过。使用机器的过程更加原始，具体过程见下方的“工作过程”。

特点：

• 没有操作系统的概念
• 所有的程序设计都是直接操控硬件

工作过程：

        当时还没有预约程序之类的东西，会直接在墙上贴一张机时表来进行预约，程序员在墙上的机时表预约一段时间，然后程序员拿着他的插件版到机房里，将自己的插件板接到计算机里，在他预约的这几个小时内他独享整个计算机资源，后面的一批人都得等着（两万多个真空管经常会有被烧坏的情况出现）。

        到后来出现了穿孔卡片，可以将程序写在卡片上，然后读入机而不用插件板。程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行；计算完毕后，打印机输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机。

老式电脑的穿孔卡片

优点：

        程序员在申请的时间段内独享整个资源，可以即时地调试自己的程序（即运行时出现 bug 可以立刻处理）

缺点：

        会造成计算机资源的浪费，一台机器同一时间段内只有一个人使用。

注意：同一时刻只有一个程序在内存中，被 CPU 调用执行，例如有10个程序需要执行，而执行它们的方式是串行执行的。

2、第二代计算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统

第二代计算机的产生背景：

        由于当时的计算机非常昂贵，很自然的会想办法减少机时的浪费，来提高使用率。通常采用的方法就是批处理系统。

特点：

        设计人员、生产人员、操作人员、程序人员和维护人员直接有了明确的分工，计算机被锁在专用空调房间中，由专业操作人员运行，这便是“大型机”。

        这时便有了操作系统的概念了，也有了程序设计语言：FORTRAN 语言或汇编语言；程序员会先写到纸上，然后穿孔打成卡片，再讲卡片盒带到输入室，交给操作员，然后悠闲地等待输出接口。

工作过程：

单道批处理示意图

        在收集了大约一个小时的批量作业之后，这些卡片被读进磁带，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（现代操作系统的前身），它从磁带上读入第一个作业并运行，其输出写到第二盘磁带上，而不打印。每个作业结束后，操作系统自动地从磁带上读入下一个作业并运行。当一批作业完全结束后，操作员取下输入和输出磁带，将输入磁带换成下一批作业，并把输出磁带拿到一台1401机器上进行脱机（不与主计算机联机）打印。

第二代计算机如何解决第一代计算机的缺点：

1. 把一堆人的输入攒成一大波输入
2. 然后顺序计算（即串行执行，这是有问题的，但是第二代计算也没有解决）
3. 把一堆人的输出攒成一大波输出

优点：

        第二代计算机使用了批处理，让 CPU 时刻处在运行计算的状况下，大大提高了机时利用率，从而节省了机时。

缺点：

1. 整个流程需要人参与控制，将磁带搬来搬去（单道批处理示意图中的 c 和 e 两个小人）
2. 计算的过程仍然是顺序计算（串行）
3. 程序员原来独享一段时间的计算机，现在必须被统一规划到一批作业中，等待结果和重新调试的过程都需要等同批次的其他程序都运作完才可以（这极大的影响了程序的开发效率，无法及时调试程序）

3、第三代计算机（1965~1980）：集成电路芯片和多道程序设计

第三代计算机的产生背景：

        第二代计算机相比起第一代有了一定的进步，但是一个计算机系统内有多台不同的机器，这导致在20世纪60年代初期，大多数计算机厂商都有两条完全不兼容的生产线。一条是面向字的：大型的科学计算机，例如 IBM 7094，见上图，主要用于科学计算和工程计算；另外一条是面向字符的：商用计算机，例如 IBM 1401，见上图，主要用于银行和保险公司从事磁带归档和打印服务开发和维护完全不同的产品是十分昂贵的，同时不同的用户对计算机的用途也不同。

        IBM 公司试图通过引入 system/360 系列来同时满足科学计算和商业计算，360系列低档机与1401相当，高档机比7094功能强很多，不同的性能卖不同的价格。

        360是第一个采用了（小规模）芯片（集成电路）的主流机型，与采用晶体管的第二代计算机相比，性价比有了很大的提高。这些计算机的后代仍在大型的计算机中心里使用，此乃现在服务器的前身，这些服务器每秒处理不小于千次的请求。

第三代计算机如何解决第二代计算机的缺点1：

        卡片被拿到机房后能够很快的将作业从卡片读入磁盘，于是任何时刻当一个作业结束时，操作系统就能将一个作业从磁带读出，装进空出来的内存区域运行，这种技术叫做同时的外部设备联机操作（SPOOLING），该技术同时用于输出。当采用了这种技术后，就不再需要 IBM 1401 机了，也不必用人将磁带搬来搬去了。

第三代计算机如何解决第二代计算机的缺点2：

        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。

        CPU 在执行一个任务的过程中，若需要操作硬盘，则发送操作硬盘的指令，指令一旦发出，硬盘上的机械手臂滑动读取数据到内存中，这一段时间，CPU 需要等待很短的时间（大概几毫秒），但对于 CPU 来说已经很长很长了，长到可以让 CPU 做很多其他的任务，如果我们让 CPU 在这段时间内切换到去做其他的任务，这样 CPU 不就充分利用了吗。这正是多道技术产生的技术背景。

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（例如 CPU 资源）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。

时间上的复用：当一个程序在等待 I/O 时，另一个程序可以使用 CPU，如果内存中可以同时存放足够多的作业，则 CPU 的利用率可以接近100%，类似于我们小学数学所学的统筹方法。（操作系统采用了多道技术后，可以控制进程的切换，或者说进程之间去争抢 CPU 的执行权限。这种切换不仅会在一个进程遇到 I/O 时进行，一个进程占用 CPU 时间过长也会切换，或者说被操作系统夺走 CPU 的执行权限）

空间上的复用：将内存分为几部分，每个部分放入一个程序，这样，同一时间内存中就有了多道程序，但在第三代计算机的阶段空间上的复用是存在问题的。

空间上的复用最大的问题是：要做到空间上的复用，程序之间的内存必须分割，这种分割需要在硬件层面实现，由操作系统控制。如果内存彼此不分割，则一个程序可以访问另外一个程序的内存，这样首先丧失的是安全性，例如你的 QQ 程序可以访问操作系统的内存，这意味着你的 QQ 可以拿到操作系统的所有权限；其次丧失的是稳定性，某个程序崩溃时有可能把别的程序的内存也给回收了，例如把操作系统的内存给回收了，则导致操作系统崩溃。

        总体来说，第三代计算机的操作系统仍然是批处理，许多程序员怀念第一代独享的计算机，可以即时调试自己的程序。

第三代计算机如何解决第二代计算机的缺点3：

        为了满足程序员们很快可以得到响应，出现了分时操作系统。

分时操作系统：多个联机终端 + 多道技术。例如20个客户端同时加载到内存，有17在思考，3个在运行，CPU 就采用多道的方式处理内存中的这3个程序，由于客户提交的一般都是简短的指令而且很少有耗时长的，索引计算机能够为许多用户提供快速的交互式服务，所有的用户都以为自己独享了计算机资源。

        但是分时操作系统并没有第一时间推广开来，主要的限制是因为物理原因导致内存无法彼此隔离开来，后来麻省理工（MIT）在一台改装过的7094机上开发成功的 CTSS，其兼容分时系统，这时第三代计算机才彻底成型，第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。

        后来 麻省理工（MIT）的贝尔实验室和通用电气在 CTTS 成功研制后决定开发能够同时支持上百终端的 MULTICS（其设计者着眼于建造满足波士顿地区所有用户计算需求的一台机器），从后来者的视角来看，这个想法太激进了，最后项目流产了。

        后来一位参加过 MULTICS 研制的贝尔实验室计算机科学家 Ken Thompson 开发了一个简易的，单用户版本的 MULTICS，这就是后来的 UNIX 系统。基于它衍生了很多其他的 Unix 版本，为了使程序能在任何版本的 Unix 上运行，IEEE 提出了一个 Unix 标准，即 posix（可移植的操作系统接口，Portable Operating System Interface）

        在1987年，出现了一个 Unix 的小型克隆，即 minix，用于教学使用。是由芬兰学生 Linus Torvalds 基于它编写了 Linux。

4、第四代计算机（1980~至今）：大规模集成电路芯片和现代操作系统

        进入20世纪80年代，大规模集成电路工艺技术的飞跃发展，微处理机的出现和发展，掀起了计算机大发展大普及的浪潮。一方面迎来了个人计算机的时代，同时又向计算机网络、分布式处理、巨型计算机和智能化方向发展。于是，现代操作系统如 Windows、Mac OS 和 Linux 等也在这一时期逐渐成为主流，为计算机用户提供了更加友好、稳定和高效的操作环境。现代操作系统也出现了更多的类别，例如，个人计算机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统等

个人计算机操作系统：常见的个人计算机操作系统包括 Windows、macOS、Linux 和 Chrome OS 等，每种操作系统都有其特点和适用场景，用户可以根据需求选择合适的操作系统来满足个人计算机使用的需求。

网络操作系统：网络操作系统是一种针对网络设备和网络管理的操作系统，其主要功能是管理和控制网络设备，提供网络服务和安全保护。网络操作系统通常用于路由器、交换机、防火墙等网络设备上，可以实现网络配置、路由、数据包转发、访问控制、故障排除等功能。网络操作系统还可以支持远程管理和监控，帮助网络管理员更好地管理网络设备和保障网络安全。

分布式操作系统：分布式操作系统是一种设计用于多个计算机节点之间协同工作的操作系统。它通过将计算和存储资源分布在多台计算机上，实现了更高的性能、可靠性和灵活性。分布式操作系统可以管理多台计算机上的任务调度、资源管理、通信协议等，使得不同计算机节点能够协同工作，完成复杂的任务和应用程序。常见的分布式操作系统包括 Google 的 GFS、HDFS 和 MapReduce，以及 Apache 的 Hadoop 等。