Focus on FE learning

硬件核心 => CPU
软件核心 => 操作系统（系统软件）

1. 主要目标：

方便性：在硬件（裸机）上跑程序很麻烦（得用机器语言）
有效性：
- 提高系统资源利用率：没有 OS 的时候，诸如 I/O 等设备常处于空闲状态，没有得到有效的利用
- 提高系统吞吐量：合理组织工作流程，缩短程序的运行周期
可扩充性：方便地增添新的功能和模块
开放性：遵循世界标准规范，达到彼此兼容

2. 发展过程

2.1 无操作系统：

阶段一 —— 人工操作：

独占全机的问题：一个用户搞定之后，后面的用户才有机会使用
资源利用率低的问题：
- 纸带的输入输出的速度相对于CPU 的处理速度很慢，这导致 CPU 把大量空闲时间浪费在等待输入输出上
- 人工将程序、数据存进纸带的速度相对于纸带的输入输出很慢（人机矛盾）

阶段二 —— 脱机输入/输出：

在纸带与 CPU 之间增加一个外围机，这个外围机协助将数据读入磁带，而磁带能够快速地将数据输入到内存中进行处理。

外围机上有一个监督程序负责控制输入输出的流程，这个程序就是后来操作系统的雏形。

2.2 单道批处理系统

单道批处理系统通过连续处理尽可能地减少机器的空闲等待时间，但存在 CPU 和 IO 使用忙闲不均（总有一个人没做事）的情况，仍然没有做到充分利用资源。用一个例子来说明：

假如计算机现在需要处理 J1，J2，J3 三个作业，每个作业都需要经历输入（1秒）、计算（1秒）、输出（1秒）的过程。

如果计算机是单道批处理系统，那么处理过程大概是这样的：

（图源：《王道考研》视频）

可以看到，输入设备，CPU，输出设备这三者只能串行工作，不存在其中两者并行使用的情况。虽然系统尽可能地连续处理三个作业，但是可以看到，就同一时刻而言，输入设备，CPU，输出设备中总有至少一方无事可做，而这是对资源的浪费。

2.3 多道程序批处理系统

作业存放在外存，形成“后备队列”，由作业调度程序选择若干个作业调入内存，使他们共享 CPU 和系统资源。由于有多道程序，可以及时补位 CPU 的空闲。

特点：无序性（先进入内存的作业不一定先完成）、多道性、调度性
优点：资源利用率高、系统吞吐量大
缺点：平均周转时间长、无法交互

用一个例子来说明：

假如计算机现在需要处理 J1，J2，J3 三个作业，每个作业都需要经历输入（1秒）、计算（1秒）、输出（1秒）的过程。

如果计算机是多道批处理系统，那么处理过程大概是这样的：

（图源：《王道考研》视频）

可以看到，输入设备，CPU，输出设备这三者是可以并行使用的。J1 输入完成后开始计算，此时输入设备空闲，可用于进行 J2 的输入工作，J1 计算完成后开始输出，此时 CPU 空闲，可用于 J2 的计算工作，J2 进行计算的时候，输入设备空闲，可用于 J3 的输入工作，以此类推…可以看到，多道批处理系统尽可能在同一时刻让输入设备，CPU，输出设备这三者都有事可做，将资源充分调用起来。相比单道批处理系统耗时 9 秒，完成相同的工作，多道批处理系统只需要 5 秒即可。

需求：人机交互（要能修改、能控制）、共享主机（有“独占”的感觉）

人机交互的关键：系统要及时接受并处理用户输入，所以作业不能再放在外存（磁盘），而要直接进入内存；另外，需要采用轮转运行方式。引入时间片的概念，时间片可以看作一个时间限制，每次每个作业（用户）只有一个时间片的运行时间，过了这个时间片，就必须让给其它作业（用户）运行。

特点：

多路性：一主机，多终端，多个用户按照分时原则共享一台计算机
独立性：一用户一终端，互不打扰，有一种“独占”的感觉
及时性：及时响应用户请求
交互性：用户请求系统提供某些服务

分时系统的缺点是，它对每个用户/作业都是公平的，循环地为它们执行一个时间片，不区分轻重缓急，因此不能优先处理紧急任务。

2.5 实时系统（Real time system）

实时即“及时”。这里要注意和分时系统的区别：实时系统能够及时响应外部事件的请求，指的是紧急任务可以不需要时间片的排队而优先得到处理。

实时任务：

任务是否周期性？周期性实时任务：非周期性实时任务（开始截止时间、完成截止时间）
对截止时间的要求？硬实时任务（不能错过截止时间）：软实时任务（允许错过截止时间）

特点：

多路性：系统周期性地采集多路现场信息
独立性：对信息得采集、对对象得控制，互不干扰
及时性：控制对象所要求的截止时间
交互性：仅限于某些系统特定的服务
可靠性：多级容错措施

2.6 微机操作系统

…

2.7 网络操作系统

…

PS：同时具有批处理、分时、实时处理的功能，叫做通用操作系统

3. 基本特性

3.1 并发：

提高资源利用率、增加系统吞吐量，依靠的就是程序的并发执行。

并行和并发的区别

并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。比如下图的 ABC 三个人同时吃面包，1分钟后都吃完了，无论是从微观角度（聚焦于一秒）还是从宏观角度（聚焦于几十秒），这三者都是同时执行的

图片描述
并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速地轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但实际上在微观上并不是同时执行的。比如下图的 ABC 三个人吃面包，0-10 秒 A 吃面包，10-20 秒 B 吃面包，20-30 秒 C 吃面包，那么在微观角度上（聚焦于秒级别的比较），很显然不是同时执行的；但是在宏观角度上（聚焦于整体的1分钟），不考虑更加精细的时间，这三者是同时执行的。图片描述

进程：在系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位，程序创建进程后才能并发执行

3.2 共享

多个并发进程共同使用系统资源，资源在同一个时间段内交替地被多个进程使用

互斥共享方式（例如打印机，仅当 A 进程访问完并释放系统资源后，才允许另一进程访问该资源）
同时访问方式（如磁盘设备，一段时间内是可以同时访问的。这里的同时是宏观层面上的）

PS：并发和共享互为存在条件，是 OS 最基本的特征：进程并发是资源共享的前提，对共享资源的访问保证了进程并发的顺利执行

3.3 虚拟

通过虚拟技术把一个物理上地实体变为若干个逻辑上的对应物

时分复用技术：把一个单一的大时间段分成多个时间片，交替执行各个进程。比如说虚拟处理器技术就是时分复用技术的一种 —— 单核计算机同时打开多个软件，在用户看来感觉像是多个 CPU 在跑这些软件。
空分复用技术：虚拟存储器技术就是空分复用技术的一种 —— 计算机只有 4G 内存，虽然各个运行的软件消耗的总的内存远不止 4G，但它们还是可以正常运行，在用户看来感觉像是物理内存超过了 4G。