操作系统学习笔记（一）操作系统的特征与发展分类
最近从头认真看操作系统了，感觉大学的时候啥都没干，全程像在看新的知识。
看了一部分了，感觉只是能形成一点体系，有了一点感悟了，在这里稍微总结下， 这应该会是一个系列。
操作系统的基本概念
在操作系统的逻辑中，计算机系统自下而上大致分为四个部分，硬件，操作系统，应用程序和用户。
操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理组织和调度计算机的工作和资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。
操作系统的特征
并发
操作系统中同时存在多个程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。引入进程的目的就是为了使程序可以并发。
并发指的是多个程序在同一时间间隔，而并行指的是同一时刻多个程序。
在多道程序环境中，一段时间内，宏观上有多道程序在同时执行，而在每个时刻，单处理机情况下实际仅仅有一道程序在执行。
这里注意，多道指的是可以多个程序并发，而不是有多个处理器核心
共享
共享，即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
互斥共享方式：系统中的某些资源，如打印机，虽然可以供多个程序交替使用，但是为了打印的结果不会混淆，应规定一段时间内只允许一个进程访问，也就是在并发进程的进程可以交替使用CPU但是，不可以交替使用某些临界资源。这种互斥不是并行的互斥，而是并发的互斥。
同时访问方式：某些资源可以被并行地程序交替访问。
虚拟
虚拟是把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，虚拟则是虚的，是概念上的。用于实现虚拟的技术，成为虚拟技术。操作系统中利用了多种虚拟技术来实现虚拟的处理机，虚拟内存，虚拟网卡，虚拟外部设备等。
比如我们常见的四核八线程，其实四核从并发上将，只能有四线程，也就是一个核心一个线程，之所以说是一个核心两个线程，指的是并行意义上的，把一个核心虚拟成了两个。
虚拟技术可以分为两种：时分复用技术，如处理器的分时共享；空分复用技术，如虚拟存储器。
异步
多道程序环境允许多个程序并发，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，这就导致了进程会以不可知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
异步性使得操作系统运行在一种随机的环境下，这就可能导致进程产生与时间相关的错误，然后只要运行环境相同，就必须保证执行结果相同，而保证这一结果的手段，就是我们后面要主要讨论的进程的调度，同步和互斥等。
操作系统的功能
为了给多道程序提供良好的运行环境，操作系统应该具有：处理机管理，存储器管理，设备管理和文件管理。
也就是说，如果不是为了处理多道，其实根本没这么事。
为了方便用户的使用，必须向用户提供接口。
最后，可以随时扩充机器，提供更方便的服务，更高的资源利用率。
计算机系统资源的管理者
这部分可以说是操作系统的大纲了。
处理机管理：多道程序环境下（单道程序环境不需要管理处理机，一个简单的队列就好），处理机的分配和运行都以进程为基本单位，因而对处理机的管理可以归结为对进程的管理。并发指的是计算机内同时运行多个进程，因此进程何时创建，何时撤销，如何管理，如何避免冲突，合理共享就是对进程管理最主要的任务。进程管理主要功能包括，进程控制，进程同步，进程通信，死锁处理，处理机调度等。
存储器管理：为了给多道程序提供良好的环境，方便用户以及提高内存的利用率，主要包括内存的分配与回收，地址映射，内存保护与共享和内存扩充等功能。
文件管理：计算机中的信息都是以文件形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统，文件管理包括了文件存储空间的管理，目录管理及文件读写管理和保护。
设备管理：设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备。主要包括缓冲管理，设备分配，设备处理和虚拟设备等功能。
操作系统作为用户和计算机硬件系统之间的接口
操作系统接口分为两种，一种是命令接口，用户利用这些命令来组织和控制作业的执行（这里注意作业，这个概念和进程并不相同，后面会仔细说，你可以简单把它想象成cmd的命令行），一种是程序接口，编程人员可以用来请求系统服务。
- 命令接口
使用命令接口进行作业控制的方式主要有两种，即联机控制方式和脱机控制方式。按作业控制方式的不同，可将命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口。
联机命令接口又称为交互式命令接口，适用于分时或实时系统（这是后面会提到的两种不同类型的操作系统，这里先留个印象）。
它由一组键盘操作命令组成，用户通过控制台或终端输入操作命令，向系统提出各种服务要求，用户每输入一条命令，控制权就交给系统去解析命令并执行。
脱机命令接口又称为批处理命令接口，适用于批处理操作系统（这又是一类操作系统）。它由一组作业控制命令组成。用户一旦输入批处理命令，就不能中途干涉作业运行。系统接到这一批命令，会依次执行。
这里要注意，这个脱机命令接口属于命令接口，与我们平时写的程序不同。
- 程序接口
程序接口由一组系统调用（广义指令）组成，用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其服务，如使用各种外设，申请分配内存
当前最流行的是图形用户接口（GUI），即图形接口，比如windows的那些按钮。严格来说，图形接口不是操作系统的一部分，但是图形接口会调用系统接口。
作为扩充机器
我们把没有任何软件支持的计算机称为裸机，覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。
操作系统的发展与分类
手工操作阶段（无操作系统）
用户在计算机上的所有操作都要人工干预，如程序的装入，运行，结果的输出等。
有两个突出缺点：用户独占全机，资源利用率低；CPU等待手工操作，利用不充分。
批处理阶段
为了解决上面说的缺点，解决人机矛盾以及CPU和I/O之间速度不匹配，出现了批处理系统。
按照是否并发，分为单道批处理和多道批处理，也就是，批处理指的是可以输入一批作业，而不是并发。
- 单道批处理系统
系统对作业的处理时成批的，但是内存中只有一道作业，单道批处理系统的特点如下：
- 自动性：顺利的情况下，磁带上的一批作业能够自动逐个运行，无需人工干预。
- 顺序性：各作业顺序进入内存，然后按顺序完成。
- 单道性：内存中只有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一个作业进入内存运行。
单道批处理面临的问题是，内存中只存在一道作业，如果它在等待I/O的时候，CPU是空闲的，这就降低了CPU的利用率。
为了解决这个问题，就引入了多道处理，也就是并发，也就是操作系统如此复杂的万恶之源。
- 多道批处理系统
首先要提一点，多道指的不是并发，而是多道引入了并发，或者说不并发，多道没有意义。
多道指的是多个程序可以同时进入内存，如果同时进入内存后，没法并发执行，还不如不仅不进入内存。
之所以区分这一点，是为了区分，作业调度和进程调度，选择什么作业进入内存是作业调度，而多个作业在内存中如何并发的是进程调度。
多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存，并允许他们交替进行，这些程序共享系统中的各种软硬件资源。。
多道程序涉及的特点是多道，宏观上并行，微观上串行（单核）：
- 多道；内存中同时存放多道相互独立的程序。
- 宏观上并行：同时进入系统的多到程序都处于运行状态，即他们先后开始各自的运行，但都未运行完毕。
- 微观上串行：内存中的多道程序在CPU轮流执行。
优点是提高了资源利用率，缺点是，用户响应时间长，且不提供人机交互能力，用户输入了一串作业命令后，就只能等结果。
分时操作系统
为了解决上面多道批处理作业的问题，创造了分时技术，指的是把处理器的运行时间分为很短的时间片，按时间片轮流把处理器分给各联机作业使用，若某个作业在分配给他的时间片中没有运行完成，则暂停改作业的执行，把处理器让给其他作业使用，等待下一轮。由于计算机运算速度快，作业轮转也快，因此给每个用户的感觉是自己独占了一台计算机。
可以粗浅的解释下，分时操作系统就是在多道操作系统的基础上，提供了基于时间片的进程调度。
分时操作系统是指多个用户通过终端同时共享一台主机，用户可以同时与主机进行交互而互不干扰。
实现分时操作系统的关键，是如何使用户可以和作业进行交互，即当用户在终端上键入命令时，系统能及时接受并处理该命令，然后将结果返回给用户。
分时操作系统支持多道，但是不同于多道的是，分时操作系统提供人机交互。这也使得，分时操作系统有了以下特征：
- 同时性：又名多路性，值多个终端用户同时使用一台主机。
- 交互性：用户通过终端采用人机对话的方式直接控制程序运行。
- 独立性：多个用户彼此独立。
- 及时性：用户请求能在很短的时间内得到响应。
而这些，都基于时间片调度，再次重申，时间片调度是进程调度。
实时操作系统
为了能够在某个规定时间内完成而不必等时间片排队，诞生了实时操作系统。
分为两种，一种是硬实时系统，如飞机的飞行自动控制系统，某个特定的动作必须在规定时间完成。而能够接受偶尔违反时间规定且不会引起永久性伤害的，是软实时系统。
主要特点是及时性和可靠性。
这里为了实现这个，就引入了优先级和抢占式进程调度等。
网络操作系统和分布式操作系统
网络操作系统把计算机网络中各台计算机有机结合，提供统一的经济有效的使用各台计算机的方法，实现计算机之间的数据相互传送。主要特点是网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信。
分布式计算机系统指的是由多台计算机组成并满足以下条件的系统：系统中任意两台计算机通过通信方式交换信息；每台计算机具有同等地位；每台计算机上资源所有用户共享；系统中任意台计算机可以构成一个子系统并且可以重构；任何工作都可以分布在几台计算机上，并由他们并行工作，协同完成。主要特点就是分不幸和并行性。
分布式和网络操作系统本质不同是：分布式操作系统中的若干计算机可以相互协同。