作業系統極簡入門
- 2019 年 10 月 4 日
- 筆記
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01
"作業系統"誕生
1940,1950 年代的電腦，每次只能運行一個程式，程式設計師在打孔紙卡上寫程式，然後拿到一個電腦房間, 交給操作員。等電腦空下來了，操作員會把程式放入，然後運行，輸出結果，停機。以前電腦慢，這種手動做法可以接受，運行一個程式通常要幾小時，幾天甚至幾周。但上節說過，電腦越來越快，越來越快，指數級增長。
很快，放程式的時間 比程式運行時間還長，我們需要一種方式 讓電腦自動運作，於是"作業系統"誕生了。
作業系統，簡稱 OS，其實也是程式，但它有操作硬體的特殊許可權，可以運行和管理其它程式。作業系統一般是開機第一個啟動的程式，其他所有程式都由作業系統啟動。
02
"作業系統"發展
作業系統開始於 1950 年代那時電腦開始變得更強大更流行。第一個作業系統加強了程式載入方式，之前只能一次給一個程式，現在可以一次多個。當電腦運行完一個程式，會自動運行下一個程式，這樣就不會浪費時間，找下一個程式的紙卡，這叫批處理。
電腦變得更快更便宜，開始在出現在世界各地，特別是大學和政府辦公室。很快，人們開始分享軟體，但有一個問題，在哈佛1號和 ENIAC 那個時代，計算都是一次性的，程式設計師只需要給那"一台"機器寫程式碼，處理器，讀卡器，印表機都是已知的。但隨著電腦越來越普遍，電腦配置並不總是相同的，比如電腦可能有相同 CPU，但不同的印表機。這對程式設計師很痛苦。
不僅要擔心寫程式，還要擔心程式怎麼和不同型號印表機交互，以及電腦連著的其他設備，這些統稱"外部設備"。和早期的外部設備交互，是非常底層的，程式設計師要了解設備的硬體細節。加重問題的是，程式設計師很少能拿到所有型號的設備來測程式碼，所以一般是閱讀手冊來寫程式碼，祈禱能正常運行。現在是"即插即用"，以前是"祈禱能用"。
這很糟糕，所以為了程式設計師寫軟體更容易，作業系統充當軟體和硬體之間的媒介，更具體地說，作業系統提供 API 來抽象硬體，叫"設備驅動程式"。程式設計師可以用標準化機制和輸入輸出硬體（I/O）交互。比如，程式設計師只需調用 print(highscore)，作業系統會處理輸到紙上的具體細節。
到 1950 年代尾聲，電腦已經非常快了，處理器經常閑著，等待慢的機械設備（比如印表機和讀卡器）程式阻塞在 I/O 上，而昂貴的處理器則在度假，就是放鬆啥也不做。50年代後期，英國曼徹斯特大學 開始研發世界上第一台超級電腦—Atlas，他們知道機器會超級快，所以需要一種方式來最大限度的利用它。
他們的解決方案是一個程式叫 Atlas Supervisor於1962年完成。這個作業系統不僅像更早期的批處理系統那樣，能自動載入程式，還能在單個 CPU 上同時運行幾個程式，它通過調度來做到這一點。假設 Atlas 上有一個遊戲在運行，並且我們調用一個函數 print(highscore)，它讓 Atlas 列印一個叫 highscore 的變數值，讓朋友知道我是最高分冠軍。print 函數運行需要一點時間，大概上千個時鐘周期，但因為印表機比 CPU 慢，與其等著它完成操作，Atlas 會把程式休眠，運行另一個程式，最終, 印表機會告訴 Atlas, 列印已完成。
Atlas 會把程式標記成可繼續運行，之後在某時刻會安排給 CPU 運行，並繼續 print 語句之後的下一行程式碼，這樣, Atlas 可以在 CPU 上運行一個程式，同時另一個程式在列印數據，同時另一個程式讀數據。Atlas 的工程師做的還要多，配了4台紙帶讀取器，4台紙帶打孔機，多達8個磁帶驅動器，使多個程式可以同時運行，在單個 CPU 上共享時間，作業系統的這種能力叫"多任務處理"。
03
記憶體虛擬化
同時運行多個程式有個問題，每個程式都會佔一些記憶體當切換到另一個程式時，我們不能丟失數據，解決辦法是給每個程式分配專屬記憶體塊。舉個例子，假設電腦一共有 10000 個記憶體位置，程式 A 分配到記憶體地址 0 到 999，而程式 B 分配到記憶體地址 1000 到 1999，以此類推。如果一個程式請求更多記憶體，作業系統會決定是否同意，如果一個程式請求更多記憶體，作業系統會決定是否同意，如果同意，分配哪些記憶體塊。這種靈活性很好，但帶來一個奇怪的後果，程式 A 可能會分配到非連續的記憶體塊，比如記憶體地址 0 到 999，以及 2000 到 2999。
這只是個簡單例子，真正的程式可能會分配到記憶體中數十個地方，你可能想到了，這對程式設計師來說很難跟蹤。也許記憶體里有一長串銷售額，每天下班後要算銷售總額，但列表存在一堆不連續的記憶體塊里。為了隱藏這種複雜性，作業系統會把記憶體地址進行 "虛擬化"，這叫 "虛擬記憶體"。程式可以假定記憶體總是從地址0開始，簡單又一致，而實際物理位置被作業系統隱藏和抽象了，一層新的抽象。
04
動態記憶體分配
用程式 B 來舉例它被分配了記憶體地址 1000 到 1999，對程式 B 而言，它看到的地址是 0 到 999，作業系統會自動處理虛擬記憶體和物理記憶體之間的映射。如果程式 B 要地址 42，實際上是物理地址 1042。
這種記憶體地址的虛擬化 對程式 A 甚至更有用。在例子中，A 被分配了兩塊隔開的記憶體，程式 A 不知道這點，以 A 的視角，它有 2000 個連續地址，當程式 A 讀記憶體地址 999 時，會剛好映射到物理記憶體地址 999，但如果程式 A 讀下一個地址 1000，會映射到物理地址 2000。這種機制使程式的記憶體大小可以靈活增減叫"動態記憶體分配"
05
記憶體保護
對程式來說，記憶體看起來是連續的，它簡化了一切，為作業系統同時運行多個程式，提供了極大的靈活性。 給程式分配專用的記憶體範圍，另一個好處是 這樣隔離起來會更好，如果一個程式出錯，開始寫亂七八糟的數據，它只能搗亂自己的記憶體，不會影響到其它程式，這叫 "記憶體保護"。
防止惡意軟體（如病毒）也很有用。
例如，我們不希望其他程式有能力，讀或改郵件程式的記憶體。如果有這種許可權惡意軟體可能以你的名義發郵件，甚至竊取個人資訊，一點都不好。
Atlas 既有"虛擬記憶體"也有"記憶體保護"，是第一台支援這些功能的電腦和作業系統！
06
多個用戶用"終端"來訪問電腦
到 1970 年代，電腦足夠快且便宜，大學會買電腦讓學生用，電腦不僅能同時運行多個程式，還能讓多用戶能同時訪問，多個用戶用"終端"來訪問電腦。"終端"只是鍵盤+螢幕，連到主電腦終端本身沒有處理能力。
冰箱大小的電腦可能有50個終端，能讓50個用戶使用，這時作業系統不但要處理多個程式，還要處理多個用戶，為了確保其中一個人 不會佔滿電腦資源，開發了分時作業系統。意思是 每個用戶只能用一小部分處理器，記憶體等。
因為電腦很快，即使拿到 1/50 的資源也足以完成許多任務，早期分時作業系統中，最有影響力的是Multics（多任務資訊與計算系統），於 1969 年發布。
Multics 是第一個，從設計時就考慮到安全的作業系統，開發人員不希望惡意用戶 訪問不該訪問的數據。比如學生假裝成教授，訪問期末考試的文件，這導致 Multics 的複雜度超過當時的平均水準，作業系統會佔大約 1 Mb 記憶體，這在當時很多！可能是記憶體的一半，只拿來運行作業系統。
Multics 的研究人員之一 Dennis Ritchie 曾說過，"阻礙 Multics 獲得商業成功的一個明顯問題是從某種方面來說，它被過度設計了，功能太多了"。
07
Unix
所以 Dennis 和另一個 Multics 研究員Ken Thompson 聯手打造新的作業系統叫 Unix。他們想把作業系統分成兩部分：
1.首先是作業系統的核心功能，如記憶體管理，多任務和輸入/輸出處理這叫"內核"。
2.第二部分是一堆有用的工具，但它們不是內核的一部分（比如程式和運行庫）。
緊湊的內核意味著功能沒有那麼全面，Multics 的另一個開發者 Tom Van Vleck 回憶說："我對 Dennis 說，我在 Multics 寫的一半程式碼都是錯誤恢復程式碼"，他說:"Unix 不會有這些東西，如果有錯誤發生，我們就讓內核"恐慌"（panic），當調用它時，機器會崩潰，你得在走廊里大喊，"嘿，重啟電腦"。
你可能聽過 "內核恐慌"（kernel panic），這就是這個詞的來源，內核如果崩潰，沒有辦法恢復，所以調用一個叫"恐慌"（panic）的函數。起初只是列印"恐慌"一詞，然後無限循環。這種簡單性意味著 Unix 可以在更便宜更多的硬體上運行。使 Unix 在 Dennis 和 Ken 工作的貝爾實驗室大受歡迎，越來越多開發人員用 Unix 寫程式和運行程式。工具數量日益增長。
1971 年發布後不久，就有人寫了不同程式語言的編譯器甚至文字處理器，使得 Unix 迅速成為1970~80年代最流行的作業系統之一。
08
個人電腦
到 1980 年代早期，電腦的價格降到普通人買得起這些叫"個人電腦"或"家庭電腦"。這些電腦比大型主機簡單得多 主機一般在大學，公司和政府，因此作業系統也得簡單。
舉例，微軟的磁碟作業系統（MS-DOS）只有 160 kB一張磁碟就可以容納，於 1981 年發布，成為早期家用電腦最受歡迎的作業系統，雖然缺少"多任務"和"保護記憶體"這樣功能，意味著程式經常使系統崩潰。雖然很討厭但還可以接受，因為用戶可以重啟。
哪怕是微軟 1985 年發布的早期 Windows雖然在 90 年代很流行，但卻缺乏"記憶體保護"，當程式行為不當時，就會"藍屏"，代表程式崩潰的非常嚴重，把系統也帶崩潰了。幸運的是，新版Windows有更好的保護，不會經常崩潰。
如今的電腦 有現代作業系統比如 Mac OS X，Windows 10，Linux，iOS和Android，雖然大部分設備只有一個人使用。作業系統依然有"多任務, "虛擬記憶體", "記憶體保護"，因此可以同時運行多個程式：一邊在瀏覽器看 YouTube，一邊在 Photoshop 修圖，用 Spotify 放音樂，同步 Dropbox。
如果沒有作業系統這幾十年的發展，這些都不可能，當然，我們也需要地方放程式，我們將在下一節講。
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