一、什么是操作系统
可能很多人都会说，我们平时装的windows7 windows10都是操作系统，没错，他们都是操作系统。
那除了这些还有没有其他的？
想想我们使用的手机，Google公司的Android系统，Apple公司笔记本上的的MacOSX、IPhone的IOS，他们都是操作系统。
操作系统(Operating System, OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。
我们买来电脑的后第一件事情就是安装操作系统，有的电脑则在我们买来的时候已经安装好了操作系统，比如说品牌机（Dell、HP、lenovo）。
我们可以在操作系统上通过安装程序来看视频，听音乐，玩游戏、浏览网页，还可以弹出移动硬盘和U 盘、管理我们硬盘中的文件等等；
我们通过操作系统来和计算机交互，系统协调我们安排给计算机的各种任务。
精简的说的话，操作系统就是一个协调、管理和控制计算机硬件资源和软件资源的控制程序。
操作系统位于计算机硬件与应用软件之间，本质也是一个软件，在计算机系统中承上启下的地位：向下封装硬件，向上提供操作接口。
操作系统由操作系统的内核（运行于内核态，管理硬件资源）以及系统调用（运行于用户态，为应用程序员写的应用程序提供系统调用接口）两部分组成。
操作系统所处的位置如图：
细说的话，操作系统应该分成两部分功能：
1、隐藏了硬件调用接口，为应用程序员提供调用硬件资源的更好，更简单，更清晰的模型（系统调用接口）。
应用程序员有了这些接口后，就不用再考虑操作硬件的细节，专心开发自己的应用程序即可。
例如：操作系统提供了文件这个抽象概念，对文件的操作就是对磁盘的操作，有了文件我们无需再去考虑关于磁盘的读写控制（比如控制磁盘转动，移动磁头读写数据等细节）。
2、将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化。
例如：很多应用软件其实是共享一套计算机硬件，比方说有可能有三个应用程序同时需要申请打印机来输出内容，那么a程序竞争到了打印机资源就打印，然后可能是b竞争到打印机资源，也可能是c，这就导致了无序，打印机可能打印一段a的内容然后又去打印c...,操作系统的一个功能就是将这种无序变得有序。
二、为什么要有操作系统
现代的计算机系统主要是由处理器，主存，硬盘，键盘，鼠标，显示器，打印机，网络接口及其它输入输出设备组成。
一般而言，现代计算机系统是一个复杂的系统。
对于一个程序而言，它为了保障自己的程序运行流畅，势必就会要求自己分配到的资源越多越好，但是计算机的资源总是有限的，大家都自顾自抢资源的话，要么就是大家一起跑不动，要么就是某几个程序把别的程序的资源都挤占掉。
更麻烦的是，由于程序设计者不可能预测到自己的程序会和什么样的别的程序同时在一个电脑中运行，所以很有可能出现某个程序的临时数据恰好和另一个程序关键数据很相似的情况，于是就会发生这个程序破坏了那个程序数据之类的问题。
程序员无法把所有的硬件操作细节都了解到，管理这些硬件并且加以优化使用是非常繁琐的工作。
因此，我们需要操作程序来作为一个协调者——操作系统(Operation System，OS)。
一方面，操作系统提供一系列底层接口和上层标准，“抹平”不同电脑之间的硬件差异，这样只要操作系统相同，硬件能达到软件运行的最低标准，理论上这个软件就能互通。
此外，操作系统可以为所有程序分配资源，一切程序要调用计算机资源都需要向操作系统申请权限，这样就能最大程度利用计算机资源同时让各种程序不互相冲突。
这个繁琐的工作交给了操作系统来干，有了他，程序员就从这些繁琐的工作中解脱了出来，只需要考虑自己的应用软件的编写就可以了，应用软件直接使用操作系统提供的功能来间接使用硬件。
三、操作系统与普通软件的区别
1、主要区别是：你不想用暴风影音了你可以选择用迅雷播放器或者干脆自己写一个，但是你无法写一个属于操作系统一部分的程序（时钟中断处理程序），操作系统由硬件保护，不能被用户修改。
2、操作系统与用户程序的差异并不在于二者所处的地位，特别地，操作系统是一个大型、复杂、长寿的软件。
大型：linux或windows的源代码有五百万行数量级。
按照每页50行共1000行的书来算，五百万行要有100卷，要用一整个书架子来摆置，这还仅仅是内核部分。
用户程序，如GUI，库以及基本应用软件（如windows Explorer等），很容易就能达到这个数量的10倍或者20倍之多。
长寿：操作系统很难编写，如此大的代码量，一旦完成，操作系统所有者便不会轻易扔掉，再写一个，而是在原有的基础上进行改进。
（基本上可以把windows95/98/Me看出一个操作系统，而windows NT/2000/XP/Vista则是两位一个操作系统，对于用户来说它们十分相似。
还有UNIX以及它的变体和克隆版本也演化了多年，如System V版，Solaris以及FreeBSD等都是Unix的原始版，不过尽管linux非常依照UNIX模式而仿制，并且与UNIX高度兼容，但是linux具有全新的代码基础）
四、操作系统发展史
第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片
产生背景：
第一代之前人类是想用机械取代人力，第一代计算机的产生是计算机由机械时代进入电子时代的标志，从Babbage失败之后一直到第二次世界大战，数字计算机的建造几乎没有什么进展，第二次世界大战刺激了有关计算机研究的爆炸性进展。
lowa州立大学的john Atanasoff教授和他的学生Clifford Berry建造了据认为是第一台可工作的数字计算机，该机器使用300个真空管。
大约在同时，Konrad Zuse在柏林用继电器构建了Z3计算机，英格兰布莱切利园的一个小组在1944年构建了Colossus，Howard Aiken在哈佛大学建造了Mark 1，宾夕法尼亚大学的William Mauchley和他的学生J.Presper Eckert建造了ENIAC。
这些机器有的是二进制的，有的使用真空管，有的是可编程的，但都非常原始，设置需要花费数秒钟时间才能完成最简单的运算。
在这个时期，同一个小组里的工程师们，设计、建造、编程、操作及维护同一台机器，所有的程序设计是用纯粹的机器语言编写的，甚至更糟糕，需要通过成千上万根电缆接到插件板上连成电路来控制机器的基本功能。
当时没有程序设计语言（汇编也没有），操作系统则是从来都没听说过，使用机器的过程更加原始。
特点：
没有操作系统的概念
所有的程序设计都是直接操控硬件
工作过程：
程序员在墙上的机时表预约一段时间，然后程序员拿着他的插件版到机房里，将自己的插件板接到计算机里，这几个小时内他独享整个计算机资源，后面的一批人都得等着(两万多个真空管经常会有被烧坏的情况出现)。
后来出现了穿孔卡片，可以将程序写在卡片上，然后读入机而不用插件板。
程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行；计算完毕，打印机输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机。
优点：
程序员在申请的时间段内独享整个资源，可以即时地调试自己的程序（有bug可以立刻处理）
缺点：
用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。
CPU 等待手工操作。CPU的利用不充分。
第二代计算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统
产生背景：
由于当时的计算机非常昂贵，自认很自然的想办法较少机时的浪费。
通常采用的方法就是批处理系统。
批处理系统
批处理系统：加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业（这作业包括程序、数据和命令）。
联机批处理系统
首先出现的是联机批处理系统，即作业的输入/输出由CPU来处理。
脱机批处理系统
为克服与缓解高速主机与慢速外设的矛盾，提高CPU的利用率，又引入了脱机批处理系统，即输入/输出脱离主机控制。
这种方式的显著特征是：增加一台不与主机直接相连而专门用于与输入/输出设备打交道的卫星机。
其功能是：
（1）从输入机上读取用户作业并放到输入磁带上。
（2）从输出磁带上读取执行结果并传给输出机。
这样，主机不是直接与慢速的输入/输出设备打交道，而是与速度相对较快的磁带机发生关系，有效缓解了主机与设备的矛盾。
主机与卫星机可并行工作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计算能力。
特点：
设计人员、生产人员、操作人员、程序人员和维护人员直接有了明确的分工，计算机被锁在专用空调房间中，由专业操作人员运行，这便是‘大型机’。
有了操作系统的概念。
有了程序设计语言：FORTRAN语言或汇编语言，写到纸上，然后穿孔打成卡片，再讲卡片盒带到输入室，交给操作员，然后喝着咖啡等待输出接口。
工作过程：
主机与输入机之间增加一个存储设备——磁带，在运行于主机上的监督程序的自动控制下，计算机可自动完成：成批地把输入机上的用户作业读入磁带，依次把磁带上的用户作业读入主机内存并执行并把计算结果向输出机输出。
完成了上一批作业后，监督程序又从输入机上输入另一批作业，保存在磁带上，并按上述步骤重复处理。
监督程序不停地处理各个作业，从而实现了作业到作业的自动转接，减少了作业建立时间和手工操作时间，有效克服了人机矛盾，提高了计算机的利用率。
20世纪60年代脱机批处理系统应用十分广泛，它极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。
IBM-7090/7094：配备的监督程序就是脱机批处理系统，是现代操作系统的原型。
第二代如何解决第一代的问题/缺点：
1.把一堆人的输入攒成一大波输入，
2.然后顺序计算（这是有问题的，但是第二代计算也没有解决）
3.把一堆人的输出攒成一大波输出
优点：
批处理，节省了机时
缺点：
1.整个流程需要人参与控制，将磁带搬来搬去
2.计算的过程仍然是顺序计算——>串行
3.程序员原来独享一段时间的计算机，现在必须被统一规划到一批作业中，等待结果和重新调试的过程都需要等同批次的其他程序都运作完才可以（这极大的影响了程序的开发效率，无法及时调试程序）
4.在作业输入和结果输出时，主机的高速CPU仍处于空闲状态，等待慢速的输入/输出设备完成工作：主机处于“忙等”状态
第三代计算机（1965~1980）：集成电路芯片和多道程序设计
第三代计算机的产生背景：
20世纪60年代初期，大多数计算机厂商都有两条完全不兼容的生产线。
一条是面向字的：大型的科学计算机，如IBM 7094，见上图，主要用于科学计算和工程计算
另外一条是面向字符的：商用计算机，如IBM 1401，见上图，主要用于银行和保险公司从事磁带归档和打印服务
开发和维护完全不同的产品是昂贵的，同时不同的用户对计算机的用途不同。
IBM公司试图通过引入system/360系列来同时满足科学计算和商业计算，360系列低档机与1401相当，高档机比7094功能强很多，不同的性能卖不同的价格
360是第一个采用了（小规模）芯片（集成电路）的主流机型，与采用晶体管的第二代计算机相比，性价比有了很大的提高。这些计算机的后代仍在大型的计算机中心里使用，此乃现在服务器的前身，这些服务器每秒处理不小于千次的请求。
如何解决第二代计算机的问题：
卡片被拿到机房后能够很快的将作业从卡片读入磁盘，于是任何时刻当一个作业结束时，操作系统就能将一个作业从磁带读出，装进空出来的内存区域运行，这种技术叫做同时的外部设备联机操作：SPOOLING，该技术同时用于输出。
当采用了这种技术后，就不在需要IBM1401机了，也不必将磁带搬来搬去了。
第三代计算机的操作系统广泛应用了第二代计算机的操作系统没有的关键技术：多道技术
cpu在执行一个任务的过程中，若需要操作硬盘，则发送操作硬盘的指令，指令一旦发出，硬盘上的机械手臂滑动读取数据到内存中，这一段时间，cpu需要等待，时间可能很短，但对于cpu来说已经很长很长，长到可以让cpu做很多其他的任务，如果我们让cpu在这段时间内切换到去做其他的任务，这样cpu不就充分利用了吗，这正是多道技术产生的技术背景。
多道程序设计技术
所谓多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入内存并运行。
即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。
当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。
多道技术中的多道指的是多个程序，多道技术的实现是为了解决多个程序竞争或者说共享同一个资源（比如cpu）的有序调度问题，解决方式即多路复用，多路复用分为时间上的复用和空间上的复用。
空间上的复用：将内存分为几部分，每个部分放入一个程序，这样，同一时间内存中就有了多道程序。
空间上的复用最大的问题是：
程序之间的内存必须分割，这种分割需要在硬件层面实现，由操作系统控制。
如果内存彼此不分割，则一个程序可以访问另外一个程序的内存。
首先丧失的是安全性，比如你的qq程序可以访问操作系统的内存，这意味着你的qq可以拿到操作系统的所有权限。
其次丧失的是稳定性，某个程序崩溃时有可能把别的程序的内存也给回收了，比方说把操作系统的内存给回收了，则操作系统崩溃。
时间上的复用：当一个程序在等待I/O时，另一个程序可以使用cpu，如果内存中可以同时存放足够多的作业，则cpu的利用率可以接近100%，类似于我们小学数学所学的统筹方法。
操作系统采用了多道技术后，可以控制进程的切换，或者说进程之间去争抢cpu的执行权限。
这种切换不仅会在一个进程遇到io时进行，一个进程占用cpu时间过长也会切换，或者说被操作系统夺走cpu的执行权限。
单道程序的运行过程：
在A程序计算时，I/O空闲， A程序I/O操作时，CPU空闲（B程序也是同样）；必须A工作完成后，B才能进入内存中开始工作，两者是串行的，全部完成共需时间=T1+T2。
多道程序的运行过程：
将A、B两道程序同时存放在内存中，它们在系统的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上运行：当A程序因请求I/O操作而放弃CPU时，B程序就可占用CPU运行，这样 CPU不再空闲，而正进行A I/O操作的I/O设备也不空闲。
显然，CPU和I/O设备都处于“忙”状态，大大提高了资源的利用率，从而也提高了系统的效率，A、B全部完成所需时间<<T1+T2。
第三代计算机的操作系统仍然是批处理
许多程序员怀念第一代独享的计算机，可以即时调试自己的程序。
为了满足程序员们很快可以得到响应，出现了分时操作系统。
分时系统
由于CPU速度不断提高和采用分时技术，一台计算机可同时连接多个用户终端，而每个用户可在自己的终端上联机使用计算机，好象自己独占机器一样。
分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。
若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。
由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是，好象他独占了一台计算机。
而每个用户可以通过自己的终端向系统发出各种操作控制命令，在充分的人机交互情况下，完成作业的运行。
具有上述特征的计算机系统称为分时系统，它允许多个用户同时联机使用计算机。
特点：
（1）多路性。
若干个用户同时使用一台计算机。
微观上看是各用户轮流使用计算机；宏观上看是各用户并行工作。
（2）交互性。
用户可根据系统对请求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。
这种能使用户与系统进行人机对话的工作方式，明显地有别于批处理系统，因而，分时系统又被称为交互式系统。
（3）独立性。
用户之间可以相互独立操作，互不干扰。
系统保证各用户程序运行的完整性，不会发生相互混淆或破坏现象。
（4）及时性。
系统可对用户的输入及时作出响应。
分时系统性能的主要指标之一是响应时间，它是指：从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。
分时系统的主要目标：对用户响应的及时性，即不至于用户等待每一个命令的处理时间过长。
多用户分时系统是当今计算机操作系统中最普遍使用的一类操作系统。
实时系统
虽然多道批处理系统和分时系统能获得较令人满意的资源利用率和系统响应时间，但却不能满足实时控制与实时信息处理两个应用领域的需求。
于是就产生了实时系统，即系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。
实时系统在一个特定的应用中常作为一种控制设备来使用。
实时系统可分成两类：
（1）实时控制系统。
当用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时，要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，及时地对飞机或导弹进行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。
当用于轧钢、石化等工业生产过程控制时，也要求计算机能及时处理由各类传感器送来的数据，然后控制相应的执行机构。
（2）实时信息处理系统。
当用于预定飞机票、查询有关航班、航线、票价等事宜时，或当用于银行系统、情报检索系统时，都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。此类对响应及时性的要求稍弱于第一类。
实时操作系统的主要特点：
（1）及时响应。
每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在严格的时间限制内完成。
（2）高可靠性。
需采取冗余措施，双机系统前后台工作，也包括必要的保密措施等。
操作系统发展图谱
