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你好，我是 Cone。

首先，我們思考一個問題。

為什么會有操作系統(tǒng)?

在我們教科書上會提到分時系統(tǒng)、批處理系統(tǒng)等等現(xiàn)代操作系統(tǒng)前的中間產(chǎn)物，也會講到管理硬件的功能，但似乎沒有講到為什么有操作系統(tǒng)這個東西，誕生操作系統(tǒng)是為了解決什么樣的問題?下面就來通俗易懂的聊聊為什么有這個東西。

假設(shè)在遠古時代的計算機需要由人工進行運行操作，但是運行期間又不需要更多的人為干預(yù)，這個時候人就空閑下來了，但是計算機被這個任務(wù)占據(jù)了，啥也干不了，白白的浪費時間(程序員的工資那么高，時間這么浪費了的話，損失慘重!)，而且對于計算機的核心部件 CPU 來說，并不是一直有數(shù)據(jù)可以來運行，也有對于其他部件的操作等待，比如 IO 操作，在等待 IO 的時間里特別漫長，這就浪費了寶貴的 CPU 資源。所以這樣的計算機運行狀況是非常低效的，那么操作系統(tǒng)解決的一個問題就是提高效率，提高 CPU 的使用率，不讓 CPU 休息，瘋狂壓榨它!!!

同時，計算機操作人員直接操作計算機硬件的話，非常麻煩，還容易出錯，所以人們總是尋求一些辦法來解決現(xiàn)有問題，這種解決問題的方法論在哪個學(xué)科都成立，既然麻煩，那何不根據(jù)計算機領(lǐng)域哲學(xué)方法論：添加一個中間層來解決現(xiàn)有問題，那么操作系統(tǒng)就是相對于硬件的中間層。它的出現(xiàn)就屏蔽了底層硬件的細節(jié)，從而讓出錯的概率大大降低，以及讓計算機操作人員更加順風(fēng)順?biāo)牟僮?，程序也開始可以被操作系統(tǒng)自動管理。

上面提到的兩個問題可以歸結(jié)于三個字：自動化。程序員總是趨向于追求自動化，比如自動化測試等等。自動化有什么好處呢?借用一句工業(yè)革命時期的話那就是：解放生產(chǎn)力。代替那些重復(fù)性工作。

所以操作系統(tǒng)的出現(xiàn)也可比喻成生產(chǎn)力的解放，使得程序運行更加高效。

既然我們知道了需要這么一個操作系統(tǒng)來進行自動化運行，那么什么是操作系統(tǒng)呢，為什么叫操作系統(tǒng)而不叫管理系統(tǒng)或者其他名字呢?

什么是操作系統(tǒng)?

操作系統(tǒng)的英文名為：Operating Systems. 翻譯為操作系統(tǒng)，操作二字有點流水線工人操作員的意味，是不是感覺有點土。這么理解的話，那就有些許偏差了，再來一個英語詞匯：Operating Surgeon. 這個詞匯的意思是主刀大夫. 主刀大夫是什么人物?在整個手術(shù)室里是權(quán)威呀，說上麻藥，麻醉師馬上就位，說要 xx 手術(shù)刀，助理大夫馬上送到，是主宰手術(shù)室一切的人物。所以操作系統(tǒng)就是主宰一切的系統(tǒng)，計算機體系世界里的一把手。

那么操作系統(tǒng)主宰的一切，這一切包含什么呢?

當(dāng)然是計算機上里發(fā)生的一切事情。在最原始的計算機并沒有操作系統(tǒng)，而是直接由人來掌控事情，即所謂的單一控制終端、單一操作員模式。但是隨著計算機復(fù)雜性的增長，人已經(jīng)不能勝任直接掌控計算機了。于是我們編寫出操作系統(tǒng)來掌控計算機，將人類從日益復(fù)雜的掌控任務(wù)中解脫出來。

所以明確的說操作系統(tǒng)就是 掌控計算機一切的舵主，權(quán)威至上。

我們知道操作系統(tǒng)管理計算機的一切，那操作系統(tǒng)具體管理哪些東西?

操作系統(tǒng)管理哪些東西?

還是來張圖已顯得更加清晰。如下圖。操作系統(tǒng)的 4 個核心管理，當(dāng)然還有其他的一些安全性管理等等。

如圖，第一個是進程管理，管理要素包含三個：第一個是公平，即每個程序都有機會被 CPU 執(zhí)行。第二個是非阻塞，任何一個程序不能無限制的阻塞 CPU 給其他程序執(zhí)行。如果一個程序在運行過程中需要輸入輸出或者因別的什么事情而發(fā)生阻塞，這個阻塞不能妨礙其他進程繼續(xù)運行。第三個是優(yōu)先級，CPU 也是分優(yōu)先級的，也就說優(yōu)先級高的進程會首先被 CPU 執(zhí)行，都優(yōu)先級其次。

內(nèi)存管理主要是管理緩存、主存、磁盤、磁帶等存儲介質(zhì)所形成的內(nèi)存架構(gòu)。為實現(xiàn)這一內(nèi)存架構(gòu)，設(shè)計了虛擬內(nèi)存這一層結(jié)構(gòu)，即將物理內(nèi)存擴充到外部存儲介質(zhì)上。這樣內(nèi)存的空間就大大地增加了，能夠運行的程序的大小也大大地增加了。內(nèi)存管理的另一個目的是讓很多程序 共享同一個物理內(nèi)存。這就需要對物理內(nèi)存進行分割和保護，不讓一個程序訪問另一個程序所占的內(nèi)存空間。

外存管理通常也稱為存儲管理，它也就是文件系統(tǒng)管理了。文件系統(tǒng)的主要目的是將磁盤變成一個很容 易使用的存儲媒介以提供給用戶使用。這樣我們在訪問磁盤時無須了解磁盤的物理屬性或數(shù)據(jù)在磁盤上的精確位置，諸如磁道、磁柱、扇面等。當(dāng)然，文件系統(tǒng)還可以建立在光盤和磁帶上。只是使用最為頻繁的文件 系統(tǒng)都以磁盤為介質(zhì)。

I/O 管理也稱為設(shè)備管理，就是管理輸入輸出設(shè)備。I/O 管理的目的有兩個：一是屏蔽不同設(shè)備的差異性，即用戶用同樣的方式訪問不同的設(shè)備，從而降低編程的難度，你要知道目前存在有上萬種 IO 設(shè)備，每個 IO 設(shè)備的適配都是在這里進行的，這是抽象和封裝的魅力;二是提供并發(fā)訪問，即將那些看上去并不具備共享特性的設(shè)備(如打印機等)變得可以共享。

上面三個問題，我們走進了操作系統(tǒng)的世界，了解了操作系統(tǒng)為何而來，它又在干些什么，下面還是來進入主題，操作系統(tǒng)歷史，那么操作系統(tǒng)到底經(jīng)歷了些什么呢?老規(guī)矩：一圖勝千言。

我們就從萌芽階段的狀態(tài)機系統(tǒng)來講起。

第一階段：狀態(tài)機系統(tǒng)

狀態(tài)機系統(tǒng)是計算機在萌芽階段出現(xiàn)的，也就是大概 1940 年以前。其實這種系統(tǒng)其實都不能算做操作系統(tǒng)，因為他就是一種簡單的狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序，通過特定的輸入和特定的狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換。能做的計算也非常簡單，也就僅限于加減法，也不支持命令交互等等功能。當(dāng)然，它有一個非常大的好處，沒有安全風(fēng)險，沒幾個人能接觸到它，自然就不存在安全問題了。

第二階段：單一控制系統(tǒng)

學(xué)過計算機導(dǎo)論的話，你應(yīng)該了解計算機領(lǐng)域的的經(jīng)典模型——馮若依曼體系結(jié)構(gòu)原理，它是 1945 年左右提出的，屬于這個時期，那還記得我們?nèi)澜绲牡谝慌_電子計算機是什么時候出現(xiàn)的嗎?沒錯，也是這個時期出現(xiàn)的，時間是 1946 年 2 月，誕生在美國的賓夕法尼亞大學(xué)，名稱叫做 ENIAC。

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這臺電子計算機其實沒有搭載所謂的操作系統(tǒng)，他只是提供了一些標(biāo)準(zhǔn)的命令給用戶使用，這些標(biāo)準(zhǔn)的命令集就構(gòu)成了原始的操作系統(tǒng) SOSC(System Operation Support Center)。這些 SOSC 滿足了系統(tǒng)運行的基本功能，提供人機交互功能，在這種情況下，任何時刻卻只能做一件事，不支持并發(fā)也不支持多道程序設(shè)計。在這種系統(tǒng)下的資源利用率很低很低，你輸入一個命令它就執(zhí)行一次，類似于撥一下就動一下，但是動的拿一下又全部占用計算機。這種情況，我們可以理想成只有一個程序能運行。從機器的角度出發(fā)，時時刻刻都要等著人來操作，效率真的太低了，詳細情況看看下圖更清晰。

多個人需要使用這臺計算機，指令就會斷斷續(xù)續(xù)，就會影響效率，就算是一個人輸入多個命令，相比于計算機來講，人輸入的指令速度也會很慢。

那有沒有不等人的操作讓其自己執(zhí)行呢?隨著計算機的發(fā)展那當(dāng)然有了，接下來就打破這種過于笨拙的情況，來到自動化一點的時代。

第三階段：批處理系統(tǒng)

在仔細考察了 SOSC 后，人們發(fā)現(xiàn)，SOSC 效率之所以低下，是因為計算機總是在等待人的下一步動作，而人的動作總是很慢。因此，人們覺得，如果去掉等待人輸入命令的時間，即讓所有的人先想好自己要運行的命令構(gòu)成一個程序，然后列成一個清單，打印在紙帶上，然后交給一個操作人員來一批一批地處理，效率不就提高了嗎?這樣就形成了批處理操作系統(tǒng)。這是又大大提高單一控制終端的操作系統(tǒng) SOSC 的效率。

顯然，在這種工作模式下，系統(tǒng)的功能得到了提升，必然復(fù)雜性也隨之提升，在這種系統(tǒng)下，用戶只管把程序放在磁帶上，用戶自己可以不在場而去干別的，接下里就是由操作員操作批處理系統(tǒng)來處理一個個任務(wù)，處理完了就給出結(jié)果。最早的自動化處理雛形出現(xiàn)了。但是這個時候也只能一個個任務(wù)處理，一個任務(wù)讀取 IO 的時候 CPU 就等待下來了，還是在一定程度上會影響 CPU 運行的效率，有沒有辦法再提高一些呢。這個時候就抓住了 CPU 和 I/O 設(shè)備運行時串行的這點，做了文章。

第四階段：多道批處理系統(tǒng)

先來看看單道批處理下的 CPU 與 IO 運行關(guān)系，如圖。

當(dāng) IO 操作的時候，CPU 會等待 IO 操作的結(jié)果，結(jié)果返回后才會繼續(xù)執(zhí)行程序，我們可以認為這個時候程序是串行的。由于 I/O 設(shè)備的運行速度相對于 CPU 來說實在太慢，這種讓高速設(shè)備等待低速設(shè)備的狀況無法接受。那能不能將 CPU 和 I/O 進行并發(fā)呢?即在一個程序輸入輸出時，讓另一個程序繼續(xù)執(zhí)行。換句話說，能不能將 CPU 運行和 I/O 設(shè)備的運行重疊起來而改善整個系統(tǒng)的呢?答案是肯定的，我們可以設(shè)計將多個程序同時加載到計算機內(nèi)存里，以前內(nèi)存里只有一個程序，而現(xiàn)在有多個程序在運行，從而就出現(xiàn)了多道批處理操作系統(tǒng)。這是一個劃時代的操作系統(tǒng)，開始從原來串行執(zhí)行任務(wù)，到并發(fā)執(zhí)行任務(wù)，大大提高了 CPU 的使用率，具體如圖。

這樣 CPU 就開始被任一時刻都用起來了，不會讓它再次打盹了。這兩個階段都是可以為圍繞如何提高 CPU 運行效率來優(yōu)化?？梢园l(fā)現(xiàn)，在程序 1 要讓出 CPU 的時候，那么到底是讓程序 2 執(zhí)行呢，還是程序 n 執(zhí)行呢，這就涉及到 CPU 運行時間如何分配問題，隨著發(fā)展，我們又有了分時運行的方案。

第五階段：分時系統(tǒng)

多道批處理操作系統(tǒng)的出現(xiàn)使計算機的效率(主要是吞吐率)大大提高。不過批處理系統(tǒng)這里有一個很大的問題，寫程序的人需要交給一個計算機操作人員來執(zhí)行程序，對于結(jié)果等全部執(zhí)行完了之后才知道，也不能知道執(zhí)行步驟，這顯然也是低效且很難接受的。萬一這個計算機操作人員操作失誤或者忘記了呢，所以這個時候就得提出人人都可以擁有計算機的使用權(quán)，從而去考慮 CPU 資源怎么分配，這就是分時系統(tǒng)，給每個用戶分配的時間是均等份的。即分給每個人有限的時間，只要時間到了，就換一個進程。這種時分切換下的操作系統(tǒng)就是分時操作系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)下，用戶就可以自己調(diào)試程序，這里就相當(dāng)于有多個程序并發(fā)的在執(zhí)行，只要我們將 CPU 切換的時間無限細分，那么每個用戶就會感覺獨自占有計算機資源一樣，這樣的運行模式下就是有多個程序一起執(zhí)行，也就是我們現(xiàn)代操作系統(tǒng)里的進程并發(fā)概念。詳細情況如圖。

A,B,C,D 四個程序依次在 CPU 上執(zhí)行，如果將每等分無限細分，就好像 A,B,C,D 四個程序自己一個人獨占 CPU 資源一樣，這也就出現(xiàn)了程序執(zhí)行的并發(fā)現(xiàn)象，這是一個假象，只是執(zhí)行速度太快，人類無法感知而已。

在分時系統(tǒng)下，操作系統(tǒng)的復(fù)雜性開始大大提高，還會涉及到資源互斥、進程通信死鎖、保護等問題，復(fù)雜性指數(shù)可以說是增長超快了。

那么在分時系統(tǒng)下，每個進程獲得 CPU 的執(zhí)行時間是公平的，不存在偏差，這就會導(dǎo)致一個問題，比如我輸入單詞這么一個操作，不可能等 CPU 執(zhí)行權(quán)限來到了才能執(zhí)行吧，得及時響應(yīng)，不然的話，用戶體驗極其差評!所以就出現(xiàn)了實時系統(tǒng)。

第六階段：實時系統(tǒng)

隨著計算機技術(shù)的進步，產(chǎn)生了一種需求：有一個程序需要在需要運行的時候馬上運行，而不能等到分時輪到這個進程執(zhí)行，比如現(xiàn)在的鼠標(biāo)、鍵盤等輸入性操作，在不破壞操作系統(tǒng)原有運行體系下，需要響應(yīng)這些事件。也就是計算機對這些事件必須在規(guī)定的事件內(nèi)做出響應(yīng)，這就是實時系統(tǒng)，詳細情況如下圖。

這個時候響應(yīng)事件的優(yōu)先級最高，CPU 會優(yōu)先處理這些高優(yōu)的事件，也就是有了實時被處理的感覺。

第七階段：現(xiàn)代操作系統(tǒng)

1980 之后，就開始進入現(xiàn)代操作系統(tǒng)時代了，計算機工業(yè)開始迅速騰飛，出現(xiàn)了 DOS，Windows，MacOS 主流操作系統(tǒng)，總結(jié)了前面各個階段的優(yōu)缺點，發(fā)展了現(xiàn)代操作系統(tǒng)，同期也出現(xiàn)了 PC 機，計算機算力開始大大提高，后來又出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，分布式操作系統(tǒng)又得到了發(fā)展。

在操作系統(tǒng)的歷史演進過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)基本上是圍繞如何提高 CPU 效率這個方向來進行，讓 CPU 不打盹是我們的目標(biāo)，圍繞這個點來看計算機發(fā)展史，非常能理解當(dāng)前時代出現(xiàn)了什么問題，如何去解決問題。

最后

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