计算机操作系统基础 (一)--- 操作系统概览

引言

计算机基础知识的重要性是不言而喻的，现在的技术可以说是按秒的速度在更新，可是基础的东西却几十年不会变一次。本文为第一篇，操作系统概览，熟悉一下整个计算机操作系统中都有些什么，也是后边系列文章中会深入学习的知识



一、计算机操作系统发展的三个阶段

1、无操作系统阶段

在这个阶段，计算机都是人工的去操作的，并且操作的时候，每个用户都会独占这台计算机，而且计算机的CPU是等待人工去操作的，当用户进行输入和输出的时候，内存和CPU都是空闲的。因此，在没有操作系统的时代，计算机资源的利用率很低



2、批处理系统阶段

在这个阶段，计算机就无须再等待人工的输入了。因为这个时候用户会批量的导入任务，这样子，用户在导入任务之后就可以离开，计算机就可以自动的去工作。所以，在这个阶段，计算机的利用率大幅度的提升，同时，在这个阶段还提出了一个非常重要的设计，叫多道程序设计。这个设计也是后来影响到我们所有操作系统的。



3、分时系统阶段

在这个阶段，最重要的设计就是人机交互的设计，因为在前边两个阶段，程序在执行的过程中，人是没有办法去干预的，在分时系统阶段，人机就可以进行交互了。并且，人可以实时的去调试程序，这个分时系统允许多个用户去共享这个计算机的资源，因此在这个阶段，计算的资源利用率大幅度提升。分时系统也是现在主流的系统



多道程序设计的概念：

早期的批处理系统每次只能处理一个任务。虽然说在这个批处理系统里面，我们可以将任务批量的输入，但是这个时候计算机只能同时运行一个任务。也就是说，虽然说任务是批处理输入的，但是计算机每次只能执行一个任务。因为有了多道程序设计使得批处理系统一次可以处理多个任务。



多道程序设计指的是在计算机内存中同时存放多个程序，并且这多个程序互相不干扰。

这里的多道程序在计算机的管理程序之下相互穿插运行，以此来提升计算机资源的利用率



因此对多道程序的管理是操作系统的重要功能。计算机操作系统对多道程序的管理以及资源的管理，可以分为五大功能：

• 进程管理

• 存储管理

• 作业管理

• 文件管理

• 设备管理



后边会真对这五个进行展开的学习：

进程管理

• 进程管理之进程实体

• 进程管理之五状态模型

• 进程管理之进程同步

• Linux的进程管理



作业管理

• 作业管理之进程调度

• 作业管理之死锁



存储管理

• 存储管理之内存分配与回收

• 存储管理之段页式存储管理

• 存储管理之虚拟内存

• Linux的存储管理



文件管理

• 操作系统的文件管理

• Linux的文件系统

• Linux文件的基本操作



设备管理

• 操作系统的设备管理



二、操作系统概览

1、什么是操作系统？为什么要使用操作系统

(1)什么是操作系统



• 操作系统是管理计算机硬件和软件资源的计算机程序。也就是说，操作系统实际上是一个计算机程序，功能是管理计算机硬件和软件资源。

• 管理配置内存、决定资源供需顺序、控制输入输出设备等。

• 操作系统提供让用户和系统交互的操作界面

• 操作系统的种类是多种多样的，不局限于计算机

• 从手机到超级计算机，操作系统可以简单也可以复杂

• 在不同的设备上，操作系统可向用户呈现多种操作手段(比如在手机上，我们可以通过手指的触摸控制手机里的硬件设备(如摄像头、声音)、而在我们普通的PC端，我们主要是通过鼠标、键盘来控制硬件)



我们平时中所能接触到的计算机操作系统：

a.比如说手机，手机分为安卓和IOS，其实我们所说的安卓就属于安卓操作系统，IOS就是指IOS操作系统。

Android里边我们经常会知道小米的MIUI、OPPO/VIVO的colorOS、魅族的Flyme等，这一些严格来说其实不属于操作系统，这些都是基于Android这个操作系统改造而来的(可能是换了UI、做了优化等，本质还是Android操作系统)



b.再比如说我们常说的电脑，Windows、Linux、MacOS等，这些都是我们生活中常见的计算机操作系统

想Linux系统有Centos、Ubuntu，他们本质上都属于Linux操作系统



下面给出计算机操作系统的终极定义：它是管理硬件、提供用户交互的软件系统



(2)为什么要使用操作系统



• 我们不可能直接的去操作计算机的硬件。比如说我需要计算机给我算1+1，不可能说我直接告诉CPU说我们要算1+1，而我们需要借助操作系统，让操作系统去告诉硬件我们要做什么事情

• 计算机发展到现在，设备种类繁多复杂，需要统一界面。操作系统提供统一的操作界面，屏蔽了不同设备之间的差异。有了操作系统我们就不需要关注不同的设备，也不需要关注不同的接口

• 操作系统的简易性使得更多人能够使用计算机。更多的人可以使用计算机就意味着解放和发展的生产力，对人类科技的提升是大有帮助的



2、操作系统的基本功能

先回顾一下我们关注的计算机中重要的一些资源：

(1)处理器资源(也就是CPU资源)

(2)存储器资源(内存、硬盘)

(3)IO设备资源(打印机、键盘、显示器)

(4)文件资源

操作系统会统一管理着计算机资源

比如说我们要操作一个文件，我们并不是直接操作这个文件存储的地方的，我们是通过操作系统去操作这个文件的

再比如说我们存储或读取一个文件的时候，我们不是直接去控制存储器里边的机械设备读取的，而是通过操作系统去读写这些信息的



有了操作系统，我们在使用这些计算机资源的时候有什么不一样呢？



用户无需面向硬件接口编程。也就是说我们无需面向存储器、IO设备这些硬件，而只需面向操作系统去编程就可以了。

举个例子，在操作系统里边有IO设备管理软件，这个软件提供了读写接口，用户在进行编程时，直接调用这个接口，并不需要具体的接触某个IO设备



操作实现了对计算机资源的抽象。这个抽象就是通过管理软件来实现的，这些管理软件屏蔽了硬件设备，并且给用户提供了逻辑设备，使得每个用户在使用的时候都是一样的，这个就是对计算机资源的抽象



操作系统提供了用户与计算机之间的接口。如：图形窗口形式（windows中通过鼠标点点点）、命令形式(Linux中通过在shell终端中输入命令的方式)、系统调用形式(主要是编程的时候，比如打开文件、读取数据这些操作，都是通过系统调用来完成的)

如果给硬件、操作系统和用户画一个层次的话，接口就相当于下边红色部分的层次：



3、操作系统相关概念

主要是有四个相关概念需要重点理解：

• 并发性

• 共享性

• 虚拟性

• 异步性



(1)并发性

并发性是后边三种特性的前提，理解了并发性才好理解后边三个特性。

了解并发，我们要结合并行这个概念一起来理解

• 并行是指两个或多个事件可以在同一时刻发生

• 并发是指两个或多个事件可以在同一时间间隔刻发生

那么并行和并发在计算机里边是如何体现的呢？

我们联想一下前边说道的多道程序设计的概念，它是并发和并行的基础

(a)对于单个处理器来说，程序主要是并发的执行的，假设蓝色的是程序A、黄色的是程序B，在某一个时刻，只能有一个程序占用CPU，那么这两个程序就是交替运行的（多道程序交替运行），这样子在单处理器里边就是并发的执行的

(b)对于双处理器，每一个处理器上的程序都是交替运行的，但是对两个处理器来说，某一个时刻，是有两个程序在同时运行的



这个就是并行个并发在计算机里边的体现

(2)共享性

• 共享性表现为操作系统中的资源可供多个并发的程序共同使用

• 这种共同使用的形式称之为资源共享

举个例子：

假设有一块系统中的内存，假设红色部分被程序A使用了，绿色的被程序B使用了，虽然说A和B使用了主存中的不同部分，那么我们还是说这块主存被共享了，程序A和程序B都可以使用这块主存



资源共享根据属性可以分为两种方式：

• 互斥共享形式

• 同时访问形式

互斥共享：

当资源被程序A占用时，其它想使用的话只能等待，只有等进程A使用完以后，其它进程才可以使用该资源。

比如说打印机被某一个程序A所使用了，那么其它想打印的程序，只能等待程序A打印完成之后才能使用打印机。

同时访问：

某一个资源在一段时间内并发地被多个程序访问，这种“同时”是宏观的，从宏观去看该资源可以被同时访问

比如说我们在使用硬盘的时候，假设有程序A和程序B都想往磁盘里边写数据，因为这个悬臂只有一个，那么当程序A往里写的时候，程序B是不能往里写的，但是由于写数据比较快，如果我们在一段时间内去观察它的话，我们就可以认为它是可以被同时访问的，如果我们强调的是一段时间内并发的去适用，那么其实就是共享性的同时访问的形式

(3)虚拟性

虚拟性表现为把一个物理实体转变为若干个逻辑实体，物理实体是真实存在的(可能是计算机中的某一个设备)，逻辑实体是虚拟的。虚拟的技术主要有时分复用技术和*空分复用技术*。

a、时分复用技术

指的是资源在时间上进行复用，不用程序并发使用，多道程序分时的去使用计算机的硬件资源(比如多道程序交替的使用CPU的资源)

十分复用技术中有虚拟处理器技术、虚拟设备技术。

虚拟处理器技术：

• 借助多道程序的技术

• 为每到程序建立进程

• 多个程序分时复用处理器

虚拟设备技术：

• 物理设备虚拟为多个逻辑设备

• 每个程序占用一个逻辑设备

• 多个程序通过逻辑设备并发访问

b、空分复用技术

用来实现虚拟磁盘、虚拟内存，用以提高资源利用率和编程的效率

虚拟磁盘技术：

将物理磁盘虚拟为多个逻辑磁盘(比如说我们的硬盘可以虚拟为C盘、D盘、E盘)，使用起来更加安全和方便(比如我们在C盘破坏某些文件的时候不会影响其它的盘)

虚拟内存技术：

在逻辑上扩大了程序的存储容量，这样程序就可以使用比实际内存更大的容量，大大提升了编程的效率(当进程运行时，先将其中一部分装入内存，另一部分暂留在磁盘，当要执行的指令或访问的数据不在内存时，由操作系统自动完成将他们从磁盘调入内存的工作)

(4)异步性

异步性表现为在多道程序环境下，允许多个程序并发的执行，进程在使用资源时可能需要等待或放弃，进程的执行并不是一气呵成的，而是以走走停停的形势推进的(假设某一个进程在运行到某一个时刻时，需要使用某一个资源，如果这个资源被占用的话，可能这个进程就会停止或者是等待资源被释放)



上边的红线为一个时间推进的时间轴，有A、B、C三个程序在交替的运行，假设在某一个时刻，A释放了打印机的资源，同时，B和C都需要使用这个打印机的资源，那么B和C就会发生竞争，假设C成功的抢占了打印机的资源，那么在剩下的时间轴里边主要就是C在运行了，另外一种可能就是B抢占到了打印机的资源，此时B就会运行一段时间，然后才到C来运行。所以在这里边，因为我们不知道是B抢占到了打印机还是C抢占到了，所以，进程是以不可预知的速度向前推进的，不知道程序何时执行、何时暂停、何时完成，这么多的不可预知的事情，就导致了程序的异步性



在快速变化的技术中寻找不变，才是一个技术人的核心竞争力。知行合一，理论结合实践



站在了巨人的肩膀上学习，向前辈致敬

参考：https://coding.imooc.com/class/355.html