一、操作系统：计算机的灵魂

操作系统是控制应用程序执行的程序（计算机管理控制程序），是应用程序和计算机间的接口。

操作系统的目标

  建立 抽象(abstraction) 让系统方便、易于使用，并提供 高性能(performance) 即 最小化系统开销(minimize the overhead)，尽可能减少额外的 时间、空间 。
  为每个应用程序间提供 保护(protection)，保证程序之间或与操作系统相互 隔离(isolation)，互不干扰的运行。由于对 可靠性(reliability)、安全性(security) 的要求，操作系统会更加复杂。力求用尽可能少的代码实现更多的功能，构建简洁可靠的操作系统是一个相当大的挑战。

如上目标，总结为以下三点：

① 方便
  使计算机更加易于使用。
② 有效
  使计算机系统资源更有效地使用。
③ 易扩展
  在妨碍服务的情况下，便于开发、测试、引入新的系统功能。

常见的操作系统

二、操作系统发展史

对于用户来说，操作系统是一个控制软件，了解操作系统的发展历程，有助于我们理解操作系统的设计。

操作系统并不是与计算机硬件一起诞生的，它是在人们使用计算机的过程中，为了满足两大需求：提高资源利用率、增强计算机系统性能，伴随着计算机技术本身及其应用的日益发展，而逐步地形成和完善起来的。

1、第一阶段：串行处理

• 20世纪40年代末至50年代中期，程序员需要直接将单个程序（被称为作业）通过输入设备（纸带、磁带、卡片阅读机）载入计算机。
• 程序出现错误时，显示对应错误的指示灯。
• 程序正常执行完成后，输出结果出现在打印机中。

大多数装置都使用拷贝登记表来预定时间，按照顺序依次输入相关程序，计算机按照用户放入的顺序依次执行。

如此操作模式被称为串行，用户必须按照顺序访问计算机，如若出错，必须重新从头执行。

这样就暴露除了两大问题：

• 1、调度失策：
  ① 机器提早闲置，造成资源浪费（预定2小时却在1小时内完成任务）
  ② 机器终止未完成任务，造成任务的不完整（预定30分钟，却未能执行完任务，可能实际需要更长的时间）
• 2、准备耗时：
  程序会向内存中加载编译器和高级语言程序（源程序），保存编译好的程序（目标程序），然后加载目标程序和公共函数进行链接。每个步骤都要准备磁带 / 卡片组，需耗费大量的时间。

2、第二阶段：简单批处理系统

由于饱受诟病的调度问题与准备耗时长，加之早期计算机的昂贵，因此如何最大限度利用处理器，被提上了日程。

为提高利用率，人们尝试开发一种名为 批处理操作系统 的管理软件，其本质是一种监控程序（monitor）。

用户不再直接与访问硬件，而是将作业提交给计算机操作员，他将作业按顺序组织，并由监控程序使用，程序执行完成后，控制权 返回至 监控程序，监控程序 自动加载下一个程序，这种计算模式被称为批处理(batch processing)，而这时的操作系统也只是一组常用的函数库，简单的完成相应的工作而已。

两角度分析问题：

监控程序角度	处理器角度
监控程序常驻于内存并可执行（常驻监控程序 resident monitor）	处理器执行内存中存储监控程序中的指令，这些指令读入下一个作业并存储值内存中的另一部分。

• 控制权交给作业：处理器执读取、执行用户程序中的指令。
• 控制权返回监控程序：处理器读取、执行监控程序中的指令。‘

由此，得出结论，批处理操作系统（监控程序），本质上只是一个简单程序。它依赖于处理器可以对内存的不同部分取指令的能力，交替 获取 / 释放控制权。而监控程序的调度依靠作业控制语言(Job Control Language)，用于为监控程序提供指令。

• 而这种只有一个单独程序执行的情况，我们称为单道程序设计(uniprogramming)。

3、第三阶段：多道批处理系统

简单批处理操作系统提供的自动作业序列，处理器仍然经常处于空闲状态，问题在于 I/O 设备（输入输出设备）相对于处理器而言太慢。

• 若内存空间可容纳 操作系统 及 若干个用户程序，那么处理器可在等待I/O操作时，在程序间进行切换，这种处理称为多道程序设计(multiprogramming)和多任务处理(multitasking)，这种设计减少了等待的时间，提高了运行速度，也引入了并发(concurrent)问题。
• 因需多个作业需保存在内存中，因此引入了内存管理的概念，何时运行哪个程序，则依靠于特定的调度算法。

操作系统内存管理的5项职责：

职责	说明
进程隔离	操作系统必须保护独立进程，防止互相干扰各自的存储空间（数据、指令）
自动分配和管理	程序应更具需要在内存中自动动态分配空间
支持模块化程序设计	程序员能定义程序模块，并动态创建、销毁模块，动态改变模块大小
保护和访问控制	程序不可随意访问内存，应避免分享所导致程序访问其他程序或操作系统的内存空间
长期存储	保证部分数据写入磁盘，长时间存储

4、第四阶段：分时系统

使用多道程序设计，可使批处理(batch processing)更加有效，但许多作业需要提供一种用户直接于计算机交互的模式。

• 多道程序设计允许处理器同时处理多个批作业，而处理多个交互作业（即多个用户分享处理器时间），该技术称为分时(time sharing)。

在分时系统中，多个用户可以通过终端同时访问系统 ，由操作系统控制每个用户程序在很短的时间交替运行。

• 比如，系统时钟以约0.2s一个的速度产生中断，在每个时钟时钟中断处，操作系统恢复控制权，并将处理器分配给另一个用户进程。

因此，在固定的时间间隔内，当前用户进程被抢占(preempted)，另一个用户进程被载入，这项技术称为时间片(time slice)技术，每个进程公平竞争，下一步究竟选择哪个进程取决于短期调度器或分派器。

• 常用的策略是，依次给队列中的每个进程分配一定的时间，这称为时间片轮转(round-robin)技术，时间片轮转技术使用了一个环形队列。除此以外，还有按照优先级调度的策略。

三、现代操作系统特征

1、微内核体系

微内核设计，即尽可能将内核功能转移到用户空间，学术界存在一种　更加极端的架构外核(exokernel)。

• 时至今日，大多操作系统都只有一个单体内核(monolithic kernel)，操作系统大多数功能都由它来提供。

• 而微内核体系结构(microkernel architecture)只给内核分配一些最基本的功能，包括地址空间、进程间通信(Inter Process Communication , IPC)、基本调度，其余服务均运行于运行模式。

2、多线程

多线程技术(multithreading)：将执行一个应用程序的进程，划分为可以同时运行的多个线程。

• 线程(Thread)：可分配的工作单元，也称为轻量级进程(Light Weight Process)。
• 进程(Process)：一个 / 多个线程和相关系统资源。

多线程对执行许多本质上独立、不需要串行处理的应用程序很有帮助。且线程切换开销远小于进程切换。

• 线程应用：监听、处理很多客户请求数据的服务器（为每个客户分配线程）

3、对称多处理

对称多处理（Symmetric MultiProcessing, SMP），可调度进程 / 线程 到所有的处理器上运行。

对称多处理体系结构优势：

优势	说明
性能	性能更佳，多个进程可分别在不同的处理器上同时运行。
可用性	所有处理器可执行相同功能，单个处理器失效，降低部分性能，系统可继续运行。
增量增长	用户可添加额外处理器增强功能。
可扩展性	根据系统配置处理器数量，提供不同产品。

• 多线程 与 对称多处理 为两个独立的概念，它们相辅相成，一起使用更加有效。

4、分布式操作系统

分布式操作系统（distributed operating system），使用户产生错觉，仿佛具有单一的内存、外存。

5、面向对象设计

面向对象设计（object-orient design），用于给小内核增加模块化的扩展。在操作系统一级，基于对象的结构可使程序员定制操作系统，而不会破坏系统的完整性。