文章目錄
一、什麼是操作系統
操作系統很難有一個精確的定義，因爲它是一個複雜的軟件，其外延邊界並不固定，但是我們可以從功能的角度來理解操作系統。操作系統其實是站在管理者的角度，來爲應用程序和底層的硬件提供相應的管理、控制、服務的功能。可以從對上和對下兩個層面來理解。
1.1 向上理解
- 從用戶角度講，操作系統是一個
控制程序。
可以控制計算機系統中的應用程序如何運行；同時，限制不同的應用程序佔用不同的資源。 - 操作系統可以①
管理應用程序、②爲應用程序提供各種服務、③殺死應用程序。
如IO服務、聲卡，網卡的訪問等。
下圖是站在用戶角度看到的Windows10系統界面，提供了很方便的圖形界面。
1.2 向下理解
- 對內部資源來講，操作系統是一個
資源分配器。
在計算機系統中，有各種資源，例如，cpu是資源，內存是資源，外設也是資源。操作系統需要協調好各種資源，使資源的利用率和計算機的效率得到保障。
下圖是操作系統把cpu、磁盤、內存三部分物理資源分別抽象爲進程、文件、地址空間，從而給應用程序使用。
1.3 承上啓下
-
操作系統處於硬件之上、應用程序之下。
操作系統是一種特殊的軟件，被稱之爲系統軟件。是直接面向硬件的，向下直接管理硬件資源，向上提供抽象的接口。 -
操作系統位於應用程序之下，爲應用程序提供服務支持。
操作系統對外的接口叫做(外殼Shell)，對內的接口叫做(內核Kernel)，操作系統這門課更加關注的是操作系統的內部，即Kernel。
二、OS-Kernel操作系統內核
2.1 操作系統內部組件
操作系統內部組件，包括：
- CPU調度器
- 物理內存管理
- 虛擬內存管理
- 文件系統管理
- 中斷處理與設備驅動
操作系統是管理硬件資源的，計算機最重要的三大硬件資源分別是：CPU、內存、磁盤。
①CPU的管理涉及：CPU的調度、進程線程的管理、
②內存的管理涉及：物理內存、虛擬內存。
③磁盤的管理涉及：disk是以磁盤塊爲基本單位讀寫單位，抽象出文件系統，以文件的形式爲應用程序提供存儲、訪問的環境。
除了這三塊，和底層打交道的還有④中斷處理和IO設備驅動。
2.2 OS-Kernel的特徵
(1) 併發
計算機系統中同時存在多個運行的程序，需要OS管理和調度。
注意，併發的並行的區別：
- 併發指的是，在一段時間內，多個程序可以運行；
- 並行指的是，在一個時間點上，多個程序可以同時執行。
能夠並行執行的程序，一般要求計算機系統存在多個CPU，若計算機只有一個CPU則無法完成並行的工作。
(2) 共享
"同時"訪問，實際上是互斥共享。
操作系統是一個資源管理器，它需要有效的讓資源共享給不同的應用程序。
表面上看可以同時訪問內存、IO等，但其實在操作系統的內部，這種“同時”是一種互斥共享訪問，又稱爲“分時”訪問。即在一個時間點上只有一個程序可以訪問一個資源。
比如說，有一塊內存，那麼在一個時間點上，對於某一個內存單元只能有一個程序來訪問。但是，如果把一塊內存分爲相互隔離的兩半，那麼就可以同時讓兩個程序同時訪問不同的內存單元。
(3) 虛擬
- 利用
多道程序設計技術，讓每個用戶都覺得有一個計算機專門爲他服務。
操作系統直接面對的是硬件，但是操作系統把硬件虛擬化了。例如，把CPU虛擬化爲進程；把磁盤虛擬化爲文件；把內存虛擬化爲地址空間。這樣就使得每一個應用程序(或者用戶)感覺到自己獨佔一臺計算機。
這也是多到程序設計中常見的方式：把一臺物理機器，虛擬成多臺機器，在操作系統支持之下，就可以完成相應的功能。
(4) 異步
- 程序的執行不是一貫到底，而是走走停停，向前推進的速度不可預知。
- 但只要運行環境相同，OS需要保證程序運行的結果相同。
如果只有一個CPU，在任何一個時刻只能有一個程序在跑。下一個程序什麼時候跑，取決於操作系統的調度。
三、操作系統實例
當前市面上有各種各樣的操作系統，有面向桌面的、面向服務器的、面向移動終端的、面向工控領域等，下面介紹一些經典的操作系統實例。
1. UNIX家族
UNIX是在60年代，由肯•湯普森（Ken Thompson）和丹尼斯•裏奇（Dennis Ritchie）(C語言之父)，完成的基於C語言的操作系統，從而改變了世界。
BSD是在UNIX操作系統之上，做了進一步改進和擴展，特別是在網絡協議站上有獨到之處，形成了UNIX-BSD(伯克利發行版)。隨後，出現了各種版本的 UNIX-BSD 系統。
2. Linux家族
Linux是仿UNIX的操作系統，1991年由一個學生Linus發明。如今，Linux在智能終端領域得到了很大的發展，Google推出的Android操作系統也使用了Linux OS內核，當前Linux內核佔據了最大的比例，遠超蘋果的IOS。
3. Windows家族
微軟公司(microsoft)在90年代設計了WindowsOS，其前身是80年代DOS，在桌面領域，Windows佔據絕對統治地位。但在服務器和終端領域，更多的是Linux操作系統。
Windows操作系統的出現，對計算機推廣到千家萬戶起到了很大的作用。
四、操作系統的發展歷史
- 早期計算機使用紙帶傳輸程序和數據，操作系統只起到加載作用。
CPU等硬件快速發展，計算機速度得到提升，性能未得到充分利用。
- 批處理階段
內存容量越來越大，可以存放多個程序，CPU執行多個程序。
- 多道程序設計階段
爲了更好的利用計算機資源，更好的和用戶交互，出現了分時系統。
-
分時調度階段
-
個人電腦操作系統
如今，操作系統有兩大熱門發展方向：
①集成電路發展：一個CPU中可以集成多個CPU核，多核多處理。
②網速發展：出現分佈式 操作系統。
隨着物聯網，大數據，雲計算的發展。可以預見，將來一個人周圍會有大量的嵌入式設備來提供感知，計算，服務。從早期的一羣人圍着一臺計算機服務，逐步的發展演化到一羣計算機爲一個人服務。