早期的計算機系統(tǒng)其實是沒有操作系統(tǒng)的，因為操作系統(tǒng)本身也是靠計算機硬件執(zhí)行的一種程序。因此，操作系統(tǒng)就是一種可以提供給其他程序編寫并運行的程序。由程序來運行程序，而不是由程序自己來運行，這是操作系統(tǒng)提供的一種虛擬化表現(xiàn)。

　　1.早期計算機單任務(wù)模式

　　早期計算機只允許同一時間執(zhí)行一個任務(wù)。比如開機，從軟盤或者其他介質(zhì)上執(zhí)行程序，直到執(zhí)行完畢或者人為中斷。執(zhí)行完后拿出介質(zhì)，再插入另一張介質(zhì)，重新載入執(zhí)行另一個新的程序。在執(zhí)行程序的過程中，一旦意外終止，就要重新運行。

　　如果有10個人要用一臺計算機來執(zhí)行程序，第一個人拿著他的軟盤，上面有一個數(shù)學(xué)題計算程序，他插入軟盤，然后靛啟機器，掃描器從軟盤特定的扇區(qū)載入程序代碼執(zhí)行。結(jié)果顯示在顯示器上，比如這個程序2個小時運行完畢，第一個人從顯示器上抄下結(jié)果.走了。后面有9個人在排隊等待用計算機。然后第二個人同樣拿著他的軟盤，插入軟驅(qū)，重啟……每次更換程序，都需要重新啟動機器，簡直就是夢魘。再者，如果某個程序運行期間。會有空閑狀態(tài)，則其他程序也仍然需要等待，CPU只能在那里空振蕩。

　　2.操作系統(tǒng)的多任務(wù)模式

　　操作系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這兩個問題。操作系統(tǒng)本身也是一段程序,計算機加電之后，首先運行操作系統(tǒng)，隨時可以載入其他程序執(zhí)行，也就是說它可以隨時從軟盤上讀取其他程序的代碼，并切換到這段代碼上讓CPU執(zhí)行，執(zhí)行完畢后則立即切換回操作系統(tǒng)本身。但是每次也總是要等待這個程序執(zhí)行完畢，才能接著載入下一個程序執(zhí)行。當(dāng)被載入的程序執(zhí)行的時候，不能做任何其他的事情，包括操作系統(tǒng)本身的程序模塊，任何產(chǎn)生中斷的事件，都會中斷正在運行的程序。

　　程序執(zhí)行完畢之后，會將CPU使用權(quán)歸還操作系統(tǒng)，從而繼續(xù)操作系統(tǒng)本身的運行。這種操作系統(tǒng)稱為單任務(wù)操作系統(tǒng)，典型代表就是DOS。

　　一絲在 DOS中載入一個程序執(zhí)行，如果沒有任何中斷事件發(fā)生，則這個程序就獨占CPU，執(zhí)行完畢之后，回到DOS操作系統(tǒng)，接著可以繼續(xù)執(zhí)行另外一個程序。經(jīng)過這樣的解決，執(zhí)行多個程序，期間就再也不用重新啟動機器了。

　　在這個基礎(chǔ)上，操作系統(tǒng)又將多個程序一個接一個的排列起來，成批的執(zhí)行，中途省掉了人為載入程序的過程，這個叫做批處理。批處理操作系統(tǒng)，相對于單任務(wù)操作系統(tǒng)來說，可以順序的、無須人上千預(yù)的批量執(zhí)行程序，比簡單的單任務(wù)操作系統(tǒng)又進了一步，但是其本質(zhì)還是單任務(wù)性，即一段時間之內(nèi)，仍然只會觀察到一個應(yīng)用程序在運行，仍然只是一個程序獨占資源。

　　再后來，操作系統(tǒng)針對系統(tǒng)時鐘中斷，開發(fā)了專門的中斷服務(wù)程序，也就是多任務(wù)操作系統(tǒng)中的調(diào)度程序。時鐘中斷到來的時候，CPU根據(jù)中斷向量表的內(nèi)容，指向調(diào)度程序所在的內(nèi)存地址入口，執(zhí)行調(diào)度程序的代碼，調(diào)度程序所作的就是將CPU的執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到各個應(yīng)用程序所在的內(nèi)存地址入口。每次中斷，調(diào)度程序以一定的優(yōu)先級，指向不同程序的入口。這樣就能做到極細粒度的應(yīng)用程序入口切換，如果遇到某個程序還沒有執(zhí)行完畢就被切出了，則操作系統(tǒng)會自動將這個程序的運行狀態(tài)保存起來，待下次輪到的時候，提取出來繼續(xù)執(zhí)行。比如每10ms中斷一次，那么也就是說每個應(yīng)用程序，，可以運行10ms的時間。然后CPU運行下一個程序，這樣依次輪回。微觀上，每個程序運行的時候，還是獨占CPU,但是這個獨占的時間非常小，通常10ms,那么一秒就可以在宏觀上同時運行100個程序。這就是多任務(wù)操作系統(tǒng)。多任務(wù)操作系統(tǒng)的關(guān)鍵，就是具有多任務(wù)調(diào)度程序。

　　通過這樣的虛擬化，運行在操作系統(tǒng)之上的所有程序都會認為自己是獨占一臺計算機的硬件運行。

　　3.虛擬化的好處

　　上面說了計算機硬件以及操作系統(tǒng)，其實計算機系統(tǒng)從誕生的那一天開始，就在不斷地進行著虛擬化過程，時至今日，計算機虛擬化進程依然在壇快發(fā)展著。

　　硬件邏輯被虛擬化成匯編語句，匯編語句再次被封裝，虛擬化成高級語言的語句。高級語言的語句，再次被封裝，形成一個特定目的的程序，或者稱為函數(shù)，然后這些函數(shù)，再通過互相調(diào)用，生成更復(fù)雜的函數(shù)，再將這些函數(shù)組合起來，就形成了最終的應(yīng)用程序。程序再被操作系統(tǒng)虛擬成一個可執(zhí)行文件。其實這個文件代表廠什么呢?到了底層，其實就是一次一次的對CPU的電路信號刺激。也就是說，硬件電路邏輯，一層層的被虛擬化，最終虛擬成一個程序。程序就是對底層電路上下文邏輯的另種表達形式。

　　虛擬化的好處顯而易見，虛擬化將下層的復(fù)雜邏輯，轉(zhuǎn)變?yōu)樯蠈拥暮唵芜壿�，方便人類讀懂，也就是說“科技。以人為本”。任何技術(shù)，部是為了將上層邏輯變得更加簡單，而不是越變越復(fù)雜。當(dāng)然使上層越簡單，下層就要做更多的工作，就越復(fù)雜。

　　整個計算機技術(shù)，從開始到現(xiàn)在，就是一個不斷的抽象、封裝、虛擬、映射的過程，一直到現(xiàn)在還在不斷抽象封裝著，比如Java等比C抽象封裝度更高的高級語言，當(dāng)然使用起來也比C方便和簡單多了，但是隨之而來的，其下層就要復(fù)雜一些，所以Java代碼一般運行速度慢，耗費資源也大，但是對于現(xiàn)在飛速發(fā)展的硬件能力，是不成問題的。

　　同樣，CPU也不僅僅只是一味地增加晶體管數(shù)量這么簡單。CPU制造者也在想盡辦法將一些功能封裝到CPU的邏輯電路中，從而出現(xiàn)了更多的指令集，這些指令集就像程序函數(shù)一樣，不必理解它內(nèi)部到底怎么實現(xiàn)的，只需要發(fā)給CPU, CPU就會啟動邏輯電路計算。所以CPU的設(shè)計除了提高主頻之外，更重要的是內(nèi)部邏輯的優(yōu)化，集成度的提高，更多的抽象和封裝。

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本文標(biāo)題：操作系統(tǒng)與虛擬化

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