【计算机科学速成课】[40集全/文字版] - 18.操作系统

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1940、1950年代的电脑，每次只能运行一个程序，程序员在打孔纸卡上写程序，然后拿到一个计算机房间交给操作员。等计算机空下来了，操作员会把程序放入，然后运行，输出结果，停机，以前计算机慢，这种手动做法可以接受。运行一个程序通常要几小时，几天甚至几周，但上集说过，计算机越来越快，越来越快，指数级增长！

很快，放程序的时间比程序运行时间还长，我们需要一种方式让计算机自动运作，于是"操作系统"诞生了，操作系统(operating system)，简称OS，其实也是程序，但它有操作硬件的特殊权限可以运行和管理其它程序，操作系统一般是开机第一个启动的程序，其他所有程序都由操作系统启动。操作系统开始于1950年代那时计算机开始变得更强大更流行，第一个操作系统加强了程序加载方式，之前只能一次给一个程序，现在可以一次多个，当计算机运行完一个程序，会自动运行下一个程序，这样就不会浪费时间，找下一个程序的纸卡，这叫批处理

电脑变得更快更便宜，开始在出现在世界各地，特别是大学和政府办公室，很快，人们开始分享软件，但有一个问题，在哈佛1号和ENIAC那个时代，计算都是一次性的。程序员只需要给那"一台"机器写代码，处理器，读卡器，打印机都是已知的，但随着电脑越来越普遍，计算机配置并不总是相同的，比如计算机可能有相同CPU，但不同的打印机，这对程序员很痛苦。不仅要担心写程序，还要担心程序怎么和不同型号打印机交互，以及计算机连着的其他设备，这些统称"外部设备"，和早期的外部设备交互，是非常底层的，程序员要了解设备的硬件细节

加重问题的是，程序员很少能拿到所有型号的设备来测代码，所以一般是阅读手册来写代码，祈祷能正常运行，现在是"即插即用"，以前是"祈祷能用"。这很糟糕，所以为了程序员写软件更容易，操作系统充当软件和硬件之间的媒介。更具体地说，操作系统提供API来抽象硬件，叫"设备驱动程序"，程序员可以用标准化机制和输入输出硬件（I/O）交互。比如，程序员只需调用print(highscore)，操作系统会处理输到纸上的具体细节，到1950年代尾声，电脑已经非常快了，处理器经常闲着，等待慢的机械设备（比如打印机和读卡器）程序阻塞在I/O上，而昂贵的处理器则在度假，就是放松啥也不做

50年代后期，英国曼彻斯特大学开始研发世界上第一台超级计算机，Atlas，他们知道机器会超级快，所以需要一种方式来最大限度的利用它，他们的解决方案是一个程序叫AtlasSupervisor于1962年完成。这个操作系统不仅像更早期的批处理系统那样，能自动加载程序，还能在单个CPU上同时运行几个程序，它通过调度来做到这一点。假设Atlas上有一个游戏在运行，并且我们调用一个函数print(highscore)，它让Atlas打印一个叫highscore的变量值，让朋友知道我是最高分冠军

print函数运行需要一点时间，大概上千个时钟周期，但因为打印机比CPU慢，与其等着它完成操作，Atlas会把程序休眠，运行另一个程序，最终打印机会告诉Atlas打印已完成。Atlas会把程序标记成可继续运行，之后在某时刻会安排给CPU运行，并继续print语句之后的下一行代码，这样Atlas可以在CPU上运行一个程序。同时另一个程序在打印数据，同时另一个程序读数据，Atlas的工程师做的还要多，配了4台纸带读取器，4台纸带打孔机，多达8个磁带驱动器，使多个程序可以同时运行，在单个CPU上共享时间，操作系统的这种能力叫"多任务处理"

同时运行多个程序有个问题，每个程序都会占一些内存当切换到另一个程序时，我们不能丢失数据，解决办法是给每个程序分配专属内存块。举个例子，假设计算机一共有10000个内存位置，程序A分配到内存地址0到999，而程序B分配到内存地址1000到1999，以此类推。如果一个程序请求更多内存，操作系统会决定是否同意，如果同意，分配哪些内存块，这种灵活性很好，但带来一个奇怪的后果，程序A可能会分配到非连续的内存块，比如内存地址0到999，以及2000到2999，这只是个简单例子。真正的程序可能会分配到内存中数十个地方，你可能想到了，这对程序员来说很难跟踪

也许内存里有一长串销售额，每天下班后要算销售总额，但列表存在一堆不连续的内存块里，为了隐藏这种复杂性，操作系统会把内存地址进行"虚拟化"，这叫"虚拟内存"，程序可以假定内存总是从地址0开始，简单又一致。而实际物理位置被操作系统隐藏和抽象了，一层新的抽象。用程序B来举例它被分配了内存地址1000到1999，对程序B而言，它看到的地址是0到999，操作系统会自动处理虚拟内存和物理内存之间的映射，如果程序B要地址42，实际上是物理地址1042，这种内存地址的虚拟化对程序A甚至更有用，在例子中，A被分配了两块隔开的内存，程序A不知道这点。

以A的视角，它有2000个连续地址，当程序A读内存地址999时会刚好映射到物理内存地址999，但如果程序A读下一个地址1000，会映射到物理地址2000。这种机制使程序的内存大小可以灵活增减叫"动态内存分配"，对程序来说，内存看起来是连续的，它简化了一切，为操作系统同时运行多个程序提供了极大的灵活性，给程序分配专用的内存范围，另一个好处是这样隔离起来会更好，如果一个程序出错，开始写乱七八糟的数据，它只能捣乱自己的内存，不会影响到其它程序，这叫"内存保护"。防止恶意软件（如病毒）也很有用，例如，我们不希望其他程序有能力读或改邮件程序的内存，如果有这种权限恶意软件可能以你的名义发邮件，甚至窃取个人信息，一点都不好！

Atlas既有"虚拟内存"也有"内存保护"，是第一台支持这些功能的计算机和操作系统！到1970年代，计算机足够快且便宜，大学会买电脑让学生用，计算机不仅能同时运行多个程序，还能让多用户能同时访问。多个用户用"终端"来访问计算机，"终端"只是键盘+屏幕，连到主计算机终端本身没有处理能力，冰箱大小的计算机可能有50个终端，能让50个用户使用，这时操作系统不但要处理多个程序，还要处理多个用户，为了确保其中一个人不会占满计算机资源，开发了分时操作系统。意思是每个用户只能用一小部分处理器，内存等，因为电脑很快即使拿到1/50的资源也足以完成许多任务，早期分时操作系统中，最有影响力的是Multics（多任务信息与计算系统）于1969年发布，Multics是第一个，从设计时就考虑到安全的操作系统

开发人员不希望恶意用户访问不该访问的数据，比如学生假装成教授，访问期末考试的文件，这导致Multics的复杂度超过当时的平均水准。操作系统会占大约1Mb内存，这在当时很多！可能是内存的一半，只拿来运行操作系统！Multics的研究人员之一丹尼斯·里奇曾说过，"阻碍Multics获得商业成功的一个明显问题是，从某种方面来说，它被过度设计了，功能太多了"，所以丹尼斯和另一个Multics研究员肯·汤普森联手打造新的操作系统，叫Unix

他们想把操作系统分成两部分：首先是操作系统的核心功能，如内存管理，多任务和输入/输出处理这叫"内核"，第二部分是一堆有用的工具，但它们不是内核的一部分（比如程序和运行库）紧凑的内核意味着功能没有那么全面，Multics的另一个开发者TomVanVleck回忆说："我对丹尼斯说，我在Multics写的一半代码都是错误恢复代码"，他说"Unix不会有这些东西，如果有错误发生，我们就让内核"恐慌"（panic）当调用它时，机器会崩溃。你得在走廊里大喊，"嘿，重启电脑"，你可能听过"内核恐慌"（kernelpanic），这就是这个词的来源，内核如果崩溃，没有办法恢复，所以调用一个叫"恐慌"（panic）的函数，起初只是打印"恐慌"一词，然后无限循环

这种简单性意味着Unix可以在更便宜更多的硬件上运行，使Unix在丹尼斯和肯工作的贝尔实验室大受欢迎，越来越多开发人员用Unix写程序和运行程序。工具数量日益增长，1971年发布后不久，就有人写了不同编程语言的编译器甚至文字处理器，使得Unix迅速成为1970~80年代最流行的操作系统之一。到1980年代早期，计算机的价格降到普通人买得起这些叫"个人电脑"或"家庭电脑"，这些电脑比大型主机简单得多主机一般在大学，公司和政府，因此操作系统也得简单

举例，微软的磁盘操作系统（MSDOS）只有160kB一张磁盘就可以容纳，于1981年发布，成为早期家用电脑最受欢迎的操作系统，虽然缺少"多任务"和"保护内存"这样功能。意味着程序经常使系统崩溃，虽然很讨厌但还可以接受，因为用户可以重启，哪怕是微软1985年发布的早期Windows虽然在90年代很流行，但却缺乏"内存保护"。当程序行为不当时，就会"蓝屏"，代表程序崩溃的非常严重，把系统也带崩溃了，幸运的是，新版Windows有更好的保护，不会经常崩溃，如今的计算机有现代操作系统。比如MacOSX，Windows10Linux，iOS和Android，虽然大部分设备只有一个人使用，你！

操作系统依然有"多任务"虚拟内存""内存保护"，因此可以同时运行多个程序：一边在浏览器看YouTube，一边在Photoshop修图，用Spotify放音乐，同步Dropbox，如果没有操作系统这几十年的发展，这些都不可能，当然，我们也需要地方放程序