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操作系統(tǒng)發(fā)展史 收藏 操作系統(tǒng)發(fā)展史譯自An Operating Systems Vade Mecu 作者:Raphael A. Finkel劉建文略譯（/keminlau ）KEY：操作系統(tǒng) 發(fā)展歷史 發(fā)展史3.1 Open shop早期的計(jì)算機(jī)體積龐大、價(jià)值昂貴，并且難以使用。計(jì)算機(jī)用戶必須是專業(yè)人員，而且用戶既是程序員，又是操作員，使用前必須先預(yù)約一段（blocks ）時(shí)間（KEMIN：意思是說時(shí)間到了沒計(jì)算完必須再次預(yù)約）。會(huì)話情形大似如下： 我們看看1964年時(shí)使用計(jì)算機(jī) IBM 1620一個(gè)會(huì)話情況，這臺(tái)計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序需要多步的編譯：首先，用戶首輪載入FORTRAN的編譯器，操作包括：通過控制臺(tái)命令按鈕清空主存； 把編譯器（用穿孔卡片保存的）放入讀卡器； 把待編譯的源程序（穿孔卡片）放在編譯器的后面，與編譯器一起讀入； 按下讀卡器的“l(fā)oad”按鈕； 首輪計(jì)算輸出的卡片叫“中間輸出（intermediate output）”。如果有任何編譯錯(cuò)誤，控制臺(tái)的燈會(huì)閃，錯(cuò)誤信息出顯示在控制臺(tái)的打字機(jī)上（typewriter）。假設(shè)一切完好，接著第二輪載入編譯器和“中間輸出”，并且成功的話輸出第二組卡片，叫“executable deck”。第三步，用戶會(huì)調(diào)整“executable deck”的順序，并與子程序庫（另一十寸長的卡片）一起載入計(jì)算機(jī)，細(xì)心觀察計(jì)算機(jī)運(yùn)行。計(jì)算的結(jié)果會(huì)輸出到卡片或打印紙上。計(jì)算結(jié)果常常是不正確的，為了調(diào)錯(cuò)，用戶一般通過直接查看主存內(nèi)容，或通過控制臺(tái)的開關(guān)（console switches）對(duì)程序進(jìn)行修改。如果時(shí)間不夠用，挫敗的用戶會(huì)把主存內(nèi)容打印出來（所謂的轉(zhuǎn)儲(chǔ) dump of store），閑暇時(shí)再分析。如果用戶在申請(qǐng)的時(shí)間段用完前提早完成了計(jì)算任務(wù)，那么計(jì)算機(jī)會(huì)一直閑置，直到下一個(gè)預(yù)約的時(shí)間段。KEMIN:這種早期的單道程序單用戶的計(jì)算機(jī)沒有操作系統(tǒng)的需要，因?yàn)橛脩舄?dú)占所有資源，無須“管理”；用戶操作原語很原始，幾乎在裸機(jī)上操作，沒有虛擬機(jī)的概念。3.2 Operator-driven shop從上面預(yù)約式單道單用戶的計(jì)算機(jī)使用方式來看，計(jì)算機(jī)的資源利用率是很低的。在用戶不同的操作階段都有部分計(jì)算機(jī)資源被閑置，如手工裝入卡片時(shí)CPU被閑置，打印機(jī)在裝卸卡片和計(jì)算過程中被閑置等。商業(yè)計(jì)算機(jī)不能容忍這種浪費(fèi)，為了提高資源利用率，一種人工提速的使用方式被提出專門雇用一位操作員負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)操作，包括加載作業(yè)（jobs）、開啟計(jì)算機(jī)和收集計(jì)算輸出等，會(huì)話情形如下： 專職的操作員在一些繁雜的操作上（如裝卸卡片或磁帶）比新舊計(jì)算用戶都要來的迅速，這樣作業(yè)或各步驟間切換的時(shí)間被降低了。如果程序出錯(cuò)，操作員代為轉(zhuǎn)儲(chǔ)主存內(nèi)容，用戶不能再直接監(jiān)視主存并對(duì)程序進(jìn)行修補(bǔ)。不過因?yàn)樽鳂I(yè)加快了，用戶可以很快的將修改好的程序提交再運(yùn)行。這種方式，每個(gè)用戶只需耗費(fèi)作業(yè)運(yùn)行所需的時(shí)間，不必預(yù)先約定一個(gè)固定時(shí)間而造成浪費(fèi)。操作員是個(gè)人，當(dāng)然要比后來的資源管理者操作系統(tǒng)一般多甚至更多的智能。例如，操作員通過批處理同類的作業(yè)來降低處理時(shí)間，如一批相似的作業(yè)只需兩輪的載入編譯器，無須一份作業(yè)兩輪；操作員也可以根據(jù)作業(yè)的優(yōu)先級(jí)或作業(yè)時(shí)間的長短來按排作業(yè)的順序，如一長時(shí)間作業(yè)可按排到晚上運(yùn)行。KEMIN:這一階段軟件硬件功能沒有改進(jìn) KEMIN: 資源管理的本質(zhì)是多道程序的引入，多道并發(fā)爭(zhēng)用資源。被雇用的操作員本身可以說是操作系統(tǒng)的始祖，因?yàn)樗缲?fù)著部分操作系統(tǒng)職責(zé)。但操作員本身不是程序。KEMIN: 換個(gè)角度看，操作系統(tǒng)的本質(zhì)是多道程序嗎？在沒有多道的計(jì)算環(huán)境還有操作系統(tǒng)的必須要嗎，直接控制資源不可以了？光提供虛擬機(jī)功能（比如子程序庫）還叫操作系統(tǒng)嗎？KEMIN:發(fā)展到這階段，如果把操作員算作操作系統(tǒng)，那么這個(gè)操作系統(tǒng)也是單道的（CPU當(dāng)前作業(yè)不可以被打斷），它只是窄取作業(yè)內(nèi)各步驟間或作業(yè)之間可能提速的空間罷了。3.3 Offline transput操作員的大部分工作都是機(jī)械化的，所以下一步的發(fā)展很自然是自動(dòng)化這些工作步驟，如下圖。首先作業(yè)的輸入被離線收集，使用一臺(tái)獨(dú)立的被稱為衛(wèi)星機(jī)的機(jī)器將卡片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到磁帶上（tape）。當(dāng)磁帶滿了后，操作員把它掛接（mount）到主計(jì)算機(jī)上。從磁帶上讀入作業(yè)比卡片快很多，這樣傳輸（transput）資源被省下很多。計(jì)算輸出也是輸出到磁帶上，然后再到衛(wèi)星機(jī)離線打印出結(jié)果。 從上圖可以看到還是有一個(gè)操作員在計(jì)算機(jī)和用戶之間，那么這時(shí)的操作員與之前的操作員有什么區(qū)別？還有磁帶在掛接入主計(jì)算后和卸下輸出磁帶進(jìn)行離線輸出前，計(jì)算機(jī)的具體計(jì)算過程如何？為了實(shí)現(xiàn)作業(yè)的自動(dòng)執(zhí)行，一段小的監(jiān)控程序會(huì)駐留在主存，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)作業(yè)的運(yùn)行，比如在一道作業(yè)執(zhí)行完后重置主存或加載另一道作業(yè)。為了分隔磁帶上的不同作業(yè)和為滿足作業(yè)的不同需要，必須建立某種監(jiān)控程序的控制約定（conventions），這些約定就是命令語言的雛形（rudiments）。比如約定在卡片的第一列標(biāo)有星號(hào)的是控制卡片，用以與數(shù)據(jù)卡片進(jìn)行區(qū)分。參考一下如下摘自現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一幅圖： 監(jiān)控程序有以下一些職責(zé)或功能：解釋命令語言 記錄日記 提供設(shè)備獨(dú)立的輸入輸出功能（用卡片代替磁帶作輸入） 被執(zhí)行的程序本身可直接處理輸入輸出，但是為了方便性，輸入輸出功能轉(zhuǎn)移到監(jiān)控程序，這也是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的始祖。KEMIN:發(fā)展到脫機(jī)批處理階段，監(jiān)控程序可以說是名正言順的操作系統(tǒng)始祖。但是它不是現(xiàn)代意思的操作系統(tǒng)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)主存內(nèi)還是單道程序的，監(jiān)控程序只接管大部分由操作員管理的工作，把單道步驟的時(shí)間壓縮到了極限（看當(dāng)時(shí)的硬件速度）。 KEMIN:這一階段軟件引入了監(jiān)控程序，加快了單道各步驟間的速度；硬件引入了磁帶機(jī)，加快了數(shù)據(jù)的輸入速度。 3.4 Spooling systems發(fā)展的下一階段聯(lián)機(jī)系統(tǒng)Spooling systems，功能改進(jìn)包括中斷的引入，輸入輸出單元被設(shè)計(jì)成與計(jì)算機(jī)同時(shí)間運(yùn)行。輸入輸出單元在完成讀寫操作后向主機(jī)發(fā)一個(gè)中斷信號(hào)，主機(jī)接到信號(hào)后會(huì)保存一些重要信息（比如當(dāng)前作業(yè)的程序計(jì)數(shù)器），并且跳轉(zhuǎn)指定位置設(shè)備服務(wù)程序進(jìn)行對(duì)中斷處理。設(shè)備服務(wù)程序就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它被集成入監(jiān)控程序，用以處理中斷請(qǐng)求。 這一階段有了磁盤用作計(jì)算機(jī)的輔助存儲(chǔ)介質(zhì)。這時(shí)候的計(jì)算機(jī)可以一邊計(jì)算一道作業(yè)，一邊把第二道個(gè)作業(yè)讀入磁盤，還可以同時(shí)打印保存在磁盤的第三道作業(yè)的計(jì)算結(jié)果。不像磁帶，磁盤是隨機(jī)訪問的，作業(yè)數(shù)據(jù)可以放在磁盤的任意位置，因此計(jì)算機(jī)無需按照作業(yè)載入的順序執(zhí)行任務(wù)。這個(gè)階段的監(jiān)控程序還集成了一個(gè)功能很原始的調(diào)度程序（scheduler），調(diào)度的根據(jù)是作業(yè)的優(yōu)先級(jí)和執(zhí)行時(shí)間，兩個(gè)參數(shù)都是通過控制卡片指定的。這個(gè)階段的操作員還需參與部分管理工作：掛接磁帶，載入作業(yè)數(shù)據(jù)； 對(duì)作業(yè)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分配等策略決定； 監(jiān)控程序意外死機(jī)時(shí)重啟機(jī)器。 這種運(yùn)行模式的計(jì)算工被稱為“spooling system”，這它的監(jiān)控程序是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的開端。Spooling systems是共享式的計(jì)算機(jī)，沒有為用戶單獨(dú)提供調(diào)試程序的機(jī)會(huì)，這也是下步發(fā)展的需求。KEMIN: Spooling systems引了中斷概念，實(shí)現(xiàn)了一定并發(fā)功能，提高資源的使用率，但是Spooling systems依然是單道的，主存一份作業(yè)獨(dú)占。Spooling systems的監(jiān)控程序雖然說是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的開端，但它的更像是一個(gè)功能不多的自動(dòng)機(jī)。體系結(jié)構(gòu)有了一項(xiàng)重大的改變引入中斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的異步操作功能；還有隨機(jī)訪問的磁盤的發(fā)明增強(qiáng)計(jì)算機(jī)的功能。個(gè)人認(rèn)為Spooling systems更多的是功能量的變化，沒多少質(zhì)的變化。 KEMIN:這一階段軟件改進(jìn) 3.5 Batch multiprogrammingSpooling systems并沒有發(fā)揮計(jì)算機(jī)所有資源的最大效率。并不是所有單道作業(yè)需要占用全部主存。作業(yè)在進(jìn)行輸入輸出時(shí)，CPU依然是閑置的。多道技術(shù)是下一步自然的發(fā)展。如下圖（圓圈代表作業(yè)）。當(dāng)一道作業(yè)在等待輸入輸出時(shí)，另一道作業(yè)可進(jìn)行計(jì)算。由于作業(yè)的性質(zhì)不一，多道技術(shù)還會(huì)有一些問題需要特別處理的。比如，計(jì)算集中的作業(yè)可能一直占用CPU，迫使數(shù)據(jù)處理集中的作業(yè)等好久而沒法前進(jìn)。時(shí)間資源的爭(zhēng)奪和分配策略是進(jìn)程管理一章的主要內(nèi)容。 多道技術(shù)也會(huì)引發(fā)空間資源的競(jìng)爭(zhēng)。計(jì)算機(jī)一次能運(yùn)行幾道作業(yè)程序取決于主存容量和硬件劃分空間的能力。此外，必須引入某種保護(hù)機(jī)制防止作業(yè)程序間相互影響。在第三章的內(nèi)存管理，我們將討論空間分配策略和安全機(jī)制。在主存內(nèi)的各道程序基本上是互相獨(dú)立的，監(jiān)控程序能區(qū)分它們并對(duì)它們獨(dú)立地應(yīng)用策略（比如調(diào)度策略）。每道程序都有自己的時(shí)間、空間和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆＿M(jìn)程的概念被引入用以代替作業(yè)的單一步驟的概念。操作系統(tǒng)（用以代替監(jiān)控程序的稱呼）負(fù)責(zé)跟蹤控制進(jìn)程活動(dòng)。這一階段的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)里，進(jìn)程已經(jīng)不可以直接控制輸入輸出設(shè)備了，進(jìn)程必須向操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，輸入輸出也是競(jìng)爭(zhēng)的資源。為進(jìn)程分配資源并不是一件簡單的工作。因?yàn)檫M(jìn)程會(huì)在運(yùn)行過程的不同階段申請(qǐng)各種資源，這是沒法預(yù)測(cè)的。如果資源不可用，進(jìn)程會(huì)被阻塞，之后又如何處理呢？這是第四章的內(nèi)容。隨著多道技術(shù)的發(fā)展，操作系統(tǒng)發(fā)展出內(nèi)核結(jié)構(gòu)的思想。操作系統(tǒng)內(nèi)核由一組管理子例程組成，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)時(shí)間、空間和信息傳送資源。管理的一種理解是對(duì)進(jìn)程的各種資源請(qǐng)求作出響應(yīng)。如上圖中，來自上層的進(jìn)程對(duì)服務(wù)的請(qǐng)求和下層的設(shè)備中斷處理請(qǐng)求。內(nèi)核的各種不同活動(dòng)會(huì)共享一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不能被修改，必須保持前后一致性。并發(fā)控制的機(jī)制被添加到操作系統(tǒng)，防止這些活動(dòng)互相干擾。第八章介紹互斥鎖和同步問題。（KEMIN:并發(fā)控制只對(duì)內(nèi)核活動(dòng)嗎？）3.6 Interactive multiprogramming操作系統(tǒng)發(fā)展的下一階段是交互式多道（interactive multiprogramming）。如下圖。面向用戶的主要傳輸設(shè)備改用交互式終端，代替過去的卡片或磁帶機(jī)。現(xiàn)在用戶可直接與程序交互，輸入任何程序需要的數(shù)據(jù)，不像過去只能在程序運(yùn)行之前打包好所有數(shù)據(jù)。 交互式計(jì)算常常是被添加到現(xiàn)有的批處理多道環(huán)境。比如，TSO（timesharing option）是 OS/360 操作系統(tǒng)的擴(kuò)展模塊。另一方面，批處理則被添加到現(xiàn)有的交互式環(huán)境。比如，Unix 操作系統(tǒng)就提供批處理服務(wù)。交互式計(jì)算（也稱為分時(shí)計(jì)算）對(duì)計(jì)算機(jī)的使用方式的改變是革命性的。計(jì)算機(jī)從數(shù)字?jǐn)囁闄C(jī)演變成了真正的信息處理機(jī)。用戶可以通過交互式文本編輯軟件在線的編纂數(shù)據(jù)文件。這些文件可以是程序、文檔或純數(shù)據(jù)。作業(yè)或作業(yè)步驟的概念沒有了，取而代之是互交式會(huì)話（sessions ），會(huì)話是指從登錄（通過終端鏈接到主機(jī)）到登出（斷開主機(jī)的鏈接）的一段時(shí)間。在登錄的時(shí)候，用戶一般需要提供用戶名和密碼。這些數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)用戶標(biāo)識(shí)，用戶標(biāo)識(shí)用來關(guān)聯(lián)主機(jī)上所有用戶開的進(jìn)程和創(chuàng)建的文件。用戶標(biāo)識(shí)也用于操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)一些控制功能，比如判定是否有權(quán)修改文件。在