第二课：操作系统的发展史
一句话目标：理解操作系统为什么会越来越复杂。
先告诉你一个结论：
操作系统的发展，本质上就是不断解决"CPU浪费"的问题。
记住这句话，以后所有知识都会围绕它展开。
第一阶段：人工操作（没有操作系统）
时间大约是20世纪40~50年代。
那个时候，计算机长这样：
6
它不是电脑。
而是一整个房间。
那时候怎么运行程序？
假设你写了一个程序：
计算1+2
不是双击运行。
而是：
第一步
把程序写到纸带（后来是打孔卡）上。
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□■□□■■□□□
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一张卡只能存一点点程序。
第二步
工作人员把纸带送到机器旁。
第三步
把纸带插进去。
第四步
等待CPU计算。
第五步
打印结果。
例如：
结果：
3
然后：
工作人员再换下一张纸带。
最大的问题是什么？
假设：
程序真正计算：
需要1秒
但是：
工作人员：
走过去
装纸带
按按钮
拿结果
花了5分钟
于是：
CPU工作：
1秒
CPU等待：
299秒
CPU一直在发呆。
所以：
CPU利用率≈0%
这是最大的浪费。
第二阶段：单道批处理系统
科学家开始想：
能不能不要每运行一次程序，都让工作人员来一次？
于是出现了：
批处理（Batch Processing）
什么意思？
就是：
一次交很多程序。
例如：
程序A
程序B
程序C
程序D
全部交给计算机。
计算机自己：
A结束
↓
自动运行B
↓
自动运行C
↓
自动运行D
工作人员不用一直守着。
好处
例如：
以前：
A
等5分钟
B
等5分钟
C
现在：
A
↓
B
↓
C
↓
D
CPU等待时间大大减少。
为什么叫"单道"？
因为：
内存里：
只有一个程序。
例如：
CPU
↓
程序A
A结束以后。
才把B装进去。
所以：
一次只能运行一个程序。
缺点
假设：
程序A：
读取磁盘
需要3秒
CPU怎么办？
其实：
CPU什么都不用干。
它可以去干别的。
但是：
没有别的程序。
于是：
CPU：
等待……
又浪费了。
第三阶段：多道批处理系统（重点）
科学家又想：
CPU为什么不能趁A等待的时候去做B？
于是：
把多个程序：
一起放进内存。
例如：
内存：
程序A
程序B
程序C
CPU：
先运行A。
突然：
A读取磁盘。
需要等待。
CPU立刻：
切换
↓
运行B
B也等待。
再切：
运行C
这就是：
多道程序设计。
举一个真实例子
假设：
三个程序：
A：
计算1秒
等待IO4秒
计算1秒
B：
计算2秒
等待IO3秒
计算1秒
C：
一直计算。
如果只有一个程序：
CPU：
计算
等待
等待
等待
等待
如果三个一起：
A等待
↓
CPU跑B
↓
B等待
↓
CPU跑C
CPU几乎不停。
所以：
CPU利用率暴涨。
这里诞生了一个新概念
以后会学：
进程（Process）
为什么？
因为：
现在：
多个程序都在内存。
操作系统必须知道：
A运行到哪里？
B运行到哪里？
C运行到哪里？
所以：
每个程序都有：
身份证
以后这张身份证就叫：
PCB（进程控制块）
这是后面重点。
第四阶段：分时系统（非常重要）
注意！
到目前为止。
虽然：
多个程序一起运行。
但是：
用户仍然不能直接操作电脑。
为什么？
因为：
还是：
交程序
↓
等结果
↓
拿结果
没有键盘交互。
后来：
很多人都想用电脑。
怎么办？
例如：
学校：
老师A
老师B
老师C
老师D
只有一台计算机。
于是：
出现：
分时系统（Time Sharing）
什么叫分时？
CPU：
不是一直运行一个程序。
而是：
A运行10ms
↓
B运行10ms
↓
C运行10ms
↓
D运行10ms
↓
A再运行10ms
因为：
CPU速度太快。
例如：
10ms=0.01秒
人根本感觉不到切换。
于是：
每个人都觉得：
"电脑一直在响应我。"
其实：
CPU一直在快速轮流服务大家。
生活中的例子
想象一个老师：
面对40个学生。
老师：
回答A同学10秒
↓
回答B同学10秒
↓
回答C同学10秒
↓
……
↓
回来回答A
如果速度足够快。
每个人都会觉得：
老师一直在关注自己。
这就是：
分时。
分时系统特点
必须：
- 多用户
- 快速响应
- 时间片轮转
以后：
时间片调度就是从这里来的。
第五阶段：实时系统
有些场景：
不能慢。
例如：
飞机。
高铁。
医院。
机器人。
自动驾驶。
这些系统：
必须：
规定时间内完成。
例如：
汽车：
发现障碍物
↓
0.01秒内必须刹车
如果：
2秒以后再刹车
已经撞了。
所以：
实时系统追求：
不是：
吞吐量。
而是：
截止时间（Deadline）一定满足。
五个发展阶段总结
把它们连起来，你就能看到整个演化逻辑：
人工操作
│
├─ 特点：人工装程序
├─ 缺点：CPU大量空闲
│
▼
单道批处理
│
├─ 特点：自动连续执行
├─ 缺点：I/O等待时CPU仍空闲
│
▼
多道批处理
│
├─ 特点：多个程序驻留内存
├─ 优点：CPU可切换执行，提高利用率
│
▼
分时系统
│
├─ 特点：多个用户共享CPU
├─ 优点：交互性强、响应快
│
▼
实时系统
│
└─ 特点：严格满足时间要求
一张图理解所有发展
CPU利用率越来越高
────────────────────────▶
人工操作
↓
单道批处理
↓
多道批处理
↓
分时系统
↓
实时系统
交互能力越来越强
────────────────────────▶
