程序员都应该了解的操作系统知识

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一、什么是操作系统

操作系统很难有一个精确的定义，因为它是一个复杂的软件，其外延边界并不固定，但是我们可以从功能的角度来理解操作系统。操作系统其实是站在管理者的角度，来为应用程序和底层的硬件提供相应的管理、控制、服务的功能。可以从对上和对下两个层面来理解。

1.1 向上理解

• 从用户角度讲，操作系统是一个控制程序。
  可以控制计算机系统中的应用程序如何运行；同时，限制不同的应用程序占用不同的资源。
• 操作系统可以①管理应用程序、②为应用程序提供各种服务、③杀死应用程序。
  如IO服务、声卡，网卡的访问等。

下图是站在用户角度看到的Windows10系统界面，提供了很方便的图形界面。

1.2 向下理解

• 对内部资源来讲，操作系统是一个资源分配器。
  在计算机系统中，有各种资源，例如，cpu是资源，内存是资源，外设也是资源。操作系统需要协调好各种资源，使资源的利用率和计算机的效率得到保障。

下图是操作系统把cpu、磁盘、内存三部分物理资源分别抽象为进程、文件、地址空间，从而给应用程序使用。

1.3 承上启下

• 操作系统处于硬件之上、应用程序之下。
  操作系统是一种特殊的软件，被称之为系统软件。是直接面向硬件的，向下直接管理硬件资源，向上提供抽象的接口。

• 操作系统位于应用程序之下，为应用程序提供服务支持。

操作系统对外的接口叫做(外壳Shell)，对内的接口叫做(内核Kernel)，操作系统这门课更加关注的是操作系统的内部，即Kernel。

二、OS-Kernel操作系统内核

2.1 操作系统内部组件

操作系统内部组件，包括：

• CPU调度器
• 物理内存管理
• 虚拟内存管理
• 文件系统管理
• 中断处理与设备驱动

操作系统是管理硬件资源的，计算机最重要的三大硬件资源分别是：CPU、内存、磁盘。

①CPU的管理涉及：CPU的调度、进程线程的管理、

②内存的管理涉及：物理内存、虚拟内存。

③磁盘的管理涉及：disk是以磁盘块为基本单位读写单位，抽象出文件系统，以文件的形式为应用程序提供存储、访问的环境。

除了这三块，和底层打交道的还有④中断处理和IO设备驱动。

2.2 OS-Kernel的特征

(1) 并发

计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度。

注意，并发的并行的区别：

• 并发指的是，在一段时间内，多个程序可以运行；
• 并行指的是，在一个时间点上，多个程序可以同时执行。

能够并行执行的程序，一般要求计算机系统存在多个CPU，若计算机只有一个CPU则无法完成并行的工作。

(2) 共享

"同时"访问，实际上是互斥共享。

操作系统是一个资源管理器，它需要有效的让资源共享给不同的应用程序。

表面上看可以同时访问内存、IO等，但其实在操作系统的内部，这种“同时”是一种互斥共享访问，又称为“分时”访问。即在一个时间点上只有一个程序可以访问一个资源。

比如说，有一块内存，那么在一个时间点上，对于某一个内存单元只能有一个程序来访问。但是，如果把一块内存分为相互隔离的两半，那么就可以同时让两个程序同时访问不同的内存单元。

(3) 虚拟

• 利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务。

操作系统直接面对的是硬件，但是操作系统把硬件虚拟化了。例如，把CPU虚拟化为进程；把磁盘虚拟化为文件；把内存虚拟化为地址空间。这样就使得每一个应用程序(或者用户)感觉到自己独占一台计算机。

这也是多到程序设计中常见的方式：把一台物理机器，虚拟成多台机器，在操作系统支持之下，就可以完成相应的功能。

(4) 异步

• 程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可预知。
• 但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果相同。

如果只有一个CPU，在任何一个时刻只能有一个程序在跑。下一个程序什么时候跑，取决于操作系统的调度。

三、操作系统实例

当前市面上有各种各样的操作系统，有面向桌面的、面向服务器的、面向移动终端的、面向工控领域等，下面介绍一些经典的操作系统实例。

1. UNIX家族

UNIX是在60年代，由肯•汤普森（Ken Thompson）和丹尼斯•里奇（Dennis Ritchie）(C语言之父)，完成的基于C语言的操作系统，从而改变了世界。

BSD是在UNIX操作系统之上，做了进一步改进和扩展，特别是在网络协议站上有独到之处，形成了UNIX-BSD(伯克利发行版)。随后，出现了各种版本的 UNIX-BSD 系统。

2. Linux家族

Linux是仿UNIX的操作系统，1991年由一个学生Linus发明。如今，Linux在智能终端领域得到了很大的发展，Google推出的Android操作系统也使用了Linux OS内核，当前Linux内核占据了最大的比例，远超苹果的IOS。

3. Windows家族

微软公司(microsoft)在90年代设计了WindowsOS，其前身是80年代DOS，在桌面领域，Windows占据绝对统治地位。但在服务器和终端领域，更多的是Linux操作系统。

Windows操作系统的出现，对计算机推广到千家万户起到了很大的作用。

四、操作系统的发展历史

• 早期计算机使用纸带传输程序和数据，操作系统只起到加载作用。

CPU等硬件快速发展，计算机速度得到提升，性能未得到充分利用。

• 批处理阶段

内存容量越来越大，可以存放多个程序，CPU执行多个程序。

• 多道程序设计阶段

为了更好的利用计算机资源，更好的和用户交互，出现了分时系统。

• 分时调度阶段

• 个人电脑操作系统

如今，操作系统有两大热门发展方向：

①集成电路发展：一个CPU中可以集成多个CPU核，多核多处理。

②网速发展：出现分布式 操作系统。

随着物联网，大数据，云计算的发展。可以预见，将来一个人周围会有大量的嵌入式设备来提供感知，计算，服务。从早期的一群人围着一台计算机服务，逐步的发展演化到一群计算机为一个人服务。