操作系统介绍type
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冯·诺依曼（Von Neumann）计算模型：处理器从内存中获取（fetch）一条指令，对其进行解码（decode），然后执行（execute）它。完成这条指令后，处理器继续执行下一条指令，依此类推，直到程序最终完成
在现代的操作系统设计中（考虑多程序同时运行），程序并不直接访问硬件（需要保护硬件资源），这时就需要一个软件来协调二者：通过受保护的方式分配资源给各个程序，允许程序共享内存，让程序能够与设备交互。
这一软件就是操作系统（Operating System，OS），因此操作系统也可以看作硬件与应用程序间的抽象层。
如何将资源虚拟化?
操作系统主要利用一种通用的技术——虚拟化（virtualization），将物理资源（如处理器、内存或磁盘）转换为更通用、更
强大且更易于使用的虚拟形式。因此，有时将操作系统称为虚拟机（virtual machine）。
为了让用户可以告诉操作系统做什么，从而利用虚拟机的功能（如运行程序、分配内存或访问文件），操作系统提供了一些接口（API），供调用。由于操作系统提供这些调用来运行程序、访问内存和设备，甚进行其他相关操作，我们有时也会说操作系统为应用程序提供了一个标准库（standard library）。
因为虚拟化让许多程序运行（从而共享CPU），让许多程序可以同时访问自己的指令和数据（从而共享内存），让许多程序访问设备（从而共享磁盘等），所以操作系统有时被称为资源操理器（resource manager）。每个CPU、内存和磁盘都是系统的资源（resource），操作系统扮演的主要角色就是管理这些资源。
三大话题
操作系统的三大话题是：虚拟化（virtualization）、并发（concurrency）、和持久性（persistence）；细分下来，分别对应了操作系统中的数个组件（或技术）。
三大话题 | 对应技术 - 抽象 | 技术目标 |
虚拟化（virtualization） | CPU虚拟化- 进程 | 对每个程序提供“该系统拥有无限数量的CPU”的假象 |
虚拟化（virtualization） | 内存虚拟化 - 地址空间 | 对每个程序提供“该程序独占系统的所有内存空间”的假象 |
并发（concurrency） | 多线程并发 - 同步机制 | 让多个同时进行的程序以预期的顺序执行并得到预期的结果 |
持久性（persistency） | 单机数据持久 - 文件系统 | 保持存储的数据长期稳定安全 |
持久性（persistency） | 联机数据持久 - 分布式文件系统 | 使用不可靠的机器提供可靠的文件系统服务 |
虚拟化cpu
调用
Spin()函数，该函数会反复检查时间应运行一秒后返回。然后，打印出用户在命令行传入的字符串，一直重复下去系统开始运行程序时，会重复检查时间，直到一秒钟过去。一秒钟过去后，现码打印用户传入的字符串
让同一程序运行多个实例：
在单核CPU的情况下也会打印以上结果。 单个CPU看似无限数量CPU，从而让程序同时运行，即所谓的虚拟化
虚拟化内存
现现机器提供的物理内存（physical memory）模型非常简单。内存就是一个字节数组。要读取（read）内存，必须指定一个地址（address），才能访问存储在那里的数据。要写入（write）或更新（update）内存，还必须指定要写入给定地址的数据。程序运行时，一直要访问内存。程序将所有数据结构保存在内存中，甚通过各种指令来访问它们，例如加载和保存，或利用其他明确的指令，在工作时访问内存。不要忘记，程序的每个指令都在内存中，因此每一读取指令都会访问内存。
现代机器提供的物理内存模型非常简单。内存就是一个字节数组。要读取内存，必须指定一个地址，才能访问存储在那里的数据。要写入或更新内存，还需要指定要写入给定地址的数据。
程序运行时，一直要访问内存。程序将所有数据结构保存在内存中，并通过各种指令来访问它们，例如加载和保存，或利用其它明确指令，在工作时访问内存。不要忘记，程序的每个指令都在内存中，因此每次读取指令都会访问内存。
看一个程序通过调用malloc来分配内存
程序首先分配了一些内存。然后，打印出内存的地址，然后将数字0 放入新分配的内存的第一个空位中。最后，程序循环，延迟一秒钟甚递增p中保存的地址值。在每个打印语句中，它还会打印出所谓的正在运行程序的进程标识符（PID）。该PID 对每个运行进程是唯一的。
运行同一个程序的多个实例：
每个进程访问自己的私有虚拟地址空间（有时称地址空间） ，操作系统以某种方式映射到机器的物理内存上。一个正在运行的程序中的内存引用不会影响其他进程（或操作系统本身）的地址空间。对于正在运行的程序，它完全拥有自己的物理内存。
并发
一个多线程程序的例子：
主程序利用
Pthread_create()创建了两个线程。 每个线程在worker()函数中运行，该函数为递增计数器，循环loops次。 下面运行这个程序，将变量loops的输入值设置为1000：
两个线程完成时，计数器值为
2000，因为每个线程将计数增加1000次。也就是说，当loops的输入值为N时，预计程序的最终输出为2N。事实上：
一遍又一遍地使用较高的
loops值运行程序，可能会发现有时甚至可以得到正确的答案！那么为什么会这样？事实证明，这些奇怪的、不寻常的结果与指令如何执行有关，指令每次执行一条。遗憾的是，上面的程序中的关键部分是增加共享计数器的地方，它需要 3 条指令：一条将计数器的值从内存加载到寄存器，一条将其递增，另一条将其保存回内存。因为这 3 条指令并不是以原子方式（atomically）执行（所有的指令一次性执行）的，所以奇怪的事情可能会发生。
持久性
在系统内存中，数据容易丢失，因为像DRAM 这样的设备以易失（volatile）的方式存储数值。如果断电或系统崩溃，那么内存中的所有数据都会丢失。因此，我们需要硬件和软件来持久地（persistently）存储数据。
硬件以某种输入/输出（Input/Output，I/O）设备的形式出现。在现现系统中，硬盘驱动器（hard drive）是存储长期保存的信息的通用存储库，尽操固态硬盘（Solid-State Drive，SSD）正在这个领域取得领先地位。
操作系统中操理磁盘的软件通常称为文件系统（file system）。它负责以可靠和高效的方式，将用户创建的任何文件（file）存储在系统的磁盘上。
不像操作系统为CPU 和内存提供的抽象，操作系统不会为每个应用程序创建专用的虚拟磁盘。相反，它假设用户经常需要共享（share）文件中的信息。
一个进行IO的程序：
该任务向操作系统发出三个系统调用：
open打开文件并创建它
write将数据写入文件
close关闭文件，表明程序不会向它写入数据
这些系统调用（system call）被转到称为文件系统（file system）的操作系统部分，然后该系统处理这些请求，并向用户返回某种错误现码。
操作系统的开发历史
- 早期计算机使用纸带传输程序和数据，操作系统只起到加载作用。
- CPU等硬件快速发展，计算机速度得到提升（批处理阶段/离线处理）。操作系统初步形成，初步体现操作系统并发特征。
- 内存容量越来越大、CPU执行多个程序（多道程序设计）。在程序1等待I/O操作时，操作系统去执行程序2，而不是等待程序1。
- 但是多道程序设计交互性不够好。为了更好地利用计算机资源，并且更好地和用户交互，出现了分时交互系统。两个程序轮流占用资源，比如程序A占用千分之一秒，程序B接上，运行千分之一秒后，又交给A。外设（时钟）定期产生中断，帮助操作系统完成相应的分时调度。
- 个人电脑操作系统，Windows的GUI更加用户友善。
- 多核多处理普遍存在。
- 网络快速发展，出现了分布式操作系统。松耦合、紧耦合系统由分布式操作性管理。
- 未来，生活中存在大量嵌入设备。
UNIX 的重要性
在操作系统的历史中，UNIX 的重要性举足轻重。受早期系统（特别是MIT 著名的Multics 系统）的影响，UNIX 汇集了许多了不起的思想，创造了既简单又强大的系统。
最初的“贝尔实验室”UNIX 的基础是统一的原则，即构建小而强大的程序，这些程序可以连接在一起形成更大的工作流。在你输入命令的地方，shell 提供了诸如管道（pipe）之类的原语，来支持这样的元（meta-level）编程，因此很容易将程序串起来完成更大的任务。例如，要查找文本文件中包含单词“foo”的行，然后要计算存在多少行，请键入：grep foo file.txt | wc -l，从而使用grep 和wc （单词计数）程序来实现你的任务。
UNIX 环境对于程序员和开发人员都很友好，并为新的C 编程语言提供了编译器。程序员很容易编写自己的程序并分享它们，这使得UNIX 非常受欢迎。作为开放源码软件（open-source software）的早期形式，作者向所有请求的人免费提供副本，这可能帮助很大。
代码的可得性和可读性也非常重要。用C 语言编写的美丽的小内核吸引其他人摆弄内核，添加新的、很酷的功能。例如，由Bill Joy 领导的伯克利创业团队发布了一个非常棒的发行版（Berkeley SystemsDistribution，BSD），该发行版拥有先进的虚拟内存、文件系统和网络子系统。Joy 后来与朋友共同创立了Sun Microsystems。
遗憾的是，随着公司试图维护其所有权和利润，UNIX 的传播速度有所放慢，这是律师参与其中的不幸（但常见的）结果。许多公司都有自己的变种：Sun Microsystems 的SunOS、IBM 的AIX、HP 的HPUX（又名H-Pucks）以及SGI 的IRIX。AT＆T/贝尔实验室和这些其他厂商之间的法律纠纷给UNIX带来了阴影，许多人想知道它是否能够存活下来，尤其是Windows 推出后并占领了大部分PC 市场……
幸运的是，对于UNIX 来说，一位名叫Linus Torvalds 的年轻芬兰黑客决定编写他自己的UNIX 版本，该版本严重依赖最初系统背后的原则和思想，但没有借用原来的代码集，从而避免了合法性问题。他征集了世界各地许多其他人的帮助，不久，Linux 就诞生了（同时也开启了现代开源软件运动）。
随着互联网时代的到来，大多数公司（如谷歌、亚马逊、Facebook 和其他公司）选择运行Linux，因为它是免费的，可以随时修改以适应他们的需求。事实上，如果不存在这样一个系统，很难想象这些新公司的成功。随着智能手机成为占主导地位的面向用户的平台，出于许多相同的原因，Linux 也在那里找到了用武之地（通过Android）。史蒂夫·乔布斯将他的基于UNIX 的NeXTStep 操作环境带到了苹果公司，从而使得UNIX 在台式机上非常流行（尽管很多苹果技术用户可能都不知道这一事实）。因此，UNIX 今天比以往任何时候都更加重要。如果你相信有计算之神，那么应该感谢这个美妙的结果。
抽象-机制-策略
抽象，是一种展现其外观而隐藏其细节的手段。例如操作系统是一层提供接口给程序而隐藏了对硬件细节的抽象；而进程、虚拟内存、文件等这些概念则是对相应资源或者数据的抽象。
机制则一般与策略成对出现，机制作为一个解决方案里的框架，相对模糊和广泛，而策略则规定了其中有限的细节，这种关系就像是应用程序与配置文件之间的关系。例如CPU调度是一种机制，具体使用哪种方法（如轮转调度、优先级调度等）则是策略；缓存替换是一种机制，而具体替换掉哪一个（例如LRU替换、随机替换等）则是策略。