外甥上大一了，起初我還非常擔心他，擔心主要有兩方面的原因：
從小一直是校草，長的太帥，會不會天天談戀愛去了 擔心在大學沒能做好自己的規劃
於是經常和他視訊聊天，外甥小我沒幾歲，我們經常以兄弟相稱，聊起來自然和諧
從我這幾次和他聊天可以看出，我的擔憂有些太過了
他好像從沒刻意他的帥氣，而是不斷的充實自己的才華，籃球打得好、街舞跳的好、還去參加各種志願者活動
關鍵是最近還對計算機產生了強烈的興趣。
唉，帥就算了，還這麼認真，這年輕人不講武德啊
上週末打電話，竟然問我什麼是作業系統？ 為什麼要有作業系統？
於是就有了這篇文章，也準備把我外甥的計算機相關疑問全部承包了，喜歡我記得關注我 公號 龍躍十二
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什麼是作業系統？
說實話很難有一個準確的定義去描述作業系統，看了多本關於作業系統的書中是這樣說的。
作業系統是一個執行在核心態的軟體，該軟體對底層各種硬體資源做了抽象和管理，並提供統一的API介面供應用程式去呼叫這些資源。
這句話涵蓋了好幾個知識點
作業系統是一個軟體 作業系統軟體執行在核心狀態下的軟體，不在使用者態下，應用開發者開發的各種系統軟體都是在使用者態下執行的
撒是使用者態，撒是核心態？你很喜歡剖根問底，這個後面再說
對各種底層硬體資源進行了抽象和管理
抽象了處理器、儲存器、時鐘、磁碟、網路介面、外設等底層硬體資源，把各種資源都抽象為一個個的檔案描述符
設想一下，多核情況下，多個應用程式同時使用一種資源，就會造成混亂局面，此時作業系統就會扮演一個管理者去管理這些資源的使用者。
提供統一對外訪問的介面
作業系統處在中間層，上面有各種系統應用程式、開發人員、使用者，下面有各種計算機硬體資源。
怎麼腦海中浮現了 上下為難 的表情包，哈哈哈有內味了
作業系統設計者和硬體程式設計人員可以直接去操作硬體資源
作業系統設計者這不用解釋了，都懂的，都在設計作業系統了，總不至於不能操作硬體資源吧
硬體程式設計人員這個大家可能稍微陌生點，有一類開發人員是直接對硬體進行操作的，如果是你是學習電子資訊相關專業的，應該很熟悉燒程式。
大學做實驗的時候龍叔就經常把寫好的彙編程式或者C語言程式編譯完成了直接燒到計算機硬體上，這叫燒程式。
我寫的程式裡面有對硬體資源進行操作，比如操作某某管腳、某個串列埠等等
所以沒有作業系統也是可以直接操作計算機硬體資源，也是可以跑程式的
那為啥還要作業系統呢？
為什麼要有作業系統？
上面已經說了，沒有作業系統是可以操作計算機硬體資源的，那為什麼要有呢？
1）最早期計算機是沒有作業系統的，每次要變更一下功能，都要手動去調整硬體，費時費力。
2）隨著電子管技術的發展，各種硬體資源可以做成通用的，此時就急切需要一個作業系統去控制這些資源，每次改功能，只需要修改輸入的訊號即可。
3）提升計算機的功能性和靈活性
作業系統的演變
序列處理
20世紀40-50年代，電子管技術得到了發展，誕生了第一臺電子管計算機
由於零件的整合度太低，一臺計算機必須用一個大house來放置
而且這臺機器當時數百萬美元的標價，價格是真的貴，一般人用不起，都是一些豪橫的組織才用得起
早期的計算機是沒有作業系統的，操作人員直接和計算機硬體互動，類似下面這樣
所有的操作在控制檯上進行，控制檯上有顯示燈、觸發器、輸入輸出裝置
每次作業都需要有專門的的人員來操作，使用匯編語言寫程式到紙片上，再穿孔成卡片，再將這些卡片交給專門的操作人員去操作，再花費時間等操作結果。
計算機成本高，操作過程複雜，時間還長
人們很自然就想到減少機器時間的浪費，於是就誕生了批處理系統。
批處理系統
到了20世紀50年代General Motors開發了批處理系統，那時候被稱為 監控系統
監控系統是常住在記憶體中的，他做的事情就是
載入使用者程式到使用者程式段 把控制權交給使用者程式 讀取使用者程式指令交給處理器 將處理器的執行結果輸出到裝置 使用者程式完成後交回控制權 進行下一個迴圈
總結一下，監控程式主要主要完成排程功能，一批作業排隊等待，處理器儘可能的被充分利用，不讓他有任何空閒時間。
監控程式很大程度上提高了處理器的利用率，減少了處理器空閒時間
多道系統
批處理系統已經提高了程式的利用率，但還是沒最大化壓榨
監控程式和使用者程式需要來回切換轉換控制權，這部分時間處理器閒置
監控程式在做IO操作時，由於IO是比較慢的，磁碟讀寫很慢的，此時處理器需要等待
為了更好的利用處理器的計算效能，大佬們搞出了多道系統
多道系統就是同時載入多個使用者程式，當其中一個使用者程式需要IO等待時，切換到另一個不在等待IO的使用者程式進行處理。
這就很好的減少處理器資源的浪費，同時提高了程式處理的效率。
多道系統會比單道系統複雜很多，比如 所有程式都在記憶體中，涉及到 記憶體管理
多個使用者程式需要執行處理器先執行誰？ 這涉及到 排程演算法
當然 別慌張，這些知識都會在後面的文章中講到。
分時系統
多道系統已經解決了處理器資源合理且高效利用問題，但是隨著計算機的發展，人們對於計算機又有了新的需求 互動式處理。
計算機需要具備多個使用者同時訪問、操作和處理使用者程式，此時 分時系統 就應運而生了。
舉個例子：程式A是一個非常消耗處理器資源的程式一般執行一次需要10分鐘，程式B是一個簡單計算程式，執行一次只需要1分鐘。
在多道系統裡，只能是程式A處理完了才能處理B，但是這B等著著急啊
於是就有了分時系統，CPU資源對使用者程式是公平的，每一個使用者擁有的資源是公平的
利用上下文資訊，去切換CPU執行的時間，做到儘可能讓每個使用者都平等擁有資源
在這個過程中，處理器的效能並沒有提升，反而會因為排程切換降低利用率，但是對使用者來說提高了使用者程式響應效率。
分散式系統
隨機計算機的發展，終於到了個人電腦的出現，這時候計算機又增加了新的需求，多個計算機之間網路互連、多核利用等等
於是就誕生了分散式系統，分散式系統就是在網路的幫助下實現實時的計算和協同處理
作業系統的體系結構
作業系統是一種系統軟體，在理解這個層次結構時可以結合軟體設計的層次結構。
單體系統
整個作業系統在核心以單一程式的方式執行
早期MS_DOS系統簡單結構如上圖所示，作業系統和應用程式以及裝置驅動都可以操作硬體。
可以看出來沒有很好的模組劃分和分離，這種方式的好處是任意呼叫都比較高效，缺點是程式大並且複雜的呼叫會讓作業系統變得笨拙且難以理解。
再來看看早起UNIX系統結構
可以看到早期Unix系統結構也是有限的結構化，主要是早期受到硬體限制
早期考慮作業系統設計的核心要素是 在最小的空間裡面提供最多的功能
特別像網際網路公司初期的系統架構，全部單體應用，所有服務在一起，隨著業務複雜、併發增加
漸漸這種單體應用的優勢會完全被覆蓋，公司不得不進行架構升級
層次式系統
單體結構的缺點在硬體不斷髮展和使用者需求激增下越來越明顯
類似公司規模不斷增大，早期架構的一點點優勢越來越敵不過缺點了，不得不進行架構升級
層次化結構的原則是：每一層只能使用下一層提供的服務
最早的層次化結構系統是Dijkstra大佬設計出來的，叫THE OS，他把整個系統分為了6層
這種層次化結構的顯著優點：
底層和高層 甚至於每層只要按照規則 都可以分別實現，便於擴充 上層的錯誤不會影響下層，便於除錯、功能的增刪改 呼叫關係清楚，上層對下層的單向依賴，避免遞迴呼叫，保證了設計和實現的正確性 可移植性非常好
當然也有顯著的缺點：
系統中所有程式的控制轉移、通訊等任務都交給系統的核心去管理，代價較大 層次的劃分和安排，要保證不出現雙向依賴關係
微核心
微核心體現在一個微字， 怎麼樣來達到這個微呢？
通過劃分系統程式和使用者程式，把所有不必要的部分移除核心，形成一個小核心 微核心提供最少量的程式管理、儲存管理、以及通訊功能
整個作業系統由兩部分組成，執行在核心態的核心和執行在使用者態的並且以C/S模式提供服務
Windows NT就是以這種架構方式
微核心的顯著優點：
核心精巧，核心提供核心功能 程式管理、儲存管理、以及通訊功能
面向多處理機和分散式系統，基於微核心的系統在核心中引入了多處理機排程和管理機制，並且引入了執行緒，有了執行緒就有了並行執行，這可不得了啊。
基於C/S體系結構 微核心的任務通訊機制和訊息機制採用CS模式向使用者提供服務
現代作業系統的體系結構就是微核心與層次式結構的結合體
以上就是本期的主要內容，基本回答了外甥的問題，也希望能解答大家的疑惑。
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我是龍su，一個傾慕外甥帥氣容顏的舅舅，一個半吊子架構師，我們下期見。