博客为参考《程序是怎样跑起来的》一书，自己所做的读书笔记。
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1.操作系统功能的历史
👉第9章热身问答：
- 监控程序的主要功能是什么？
- 程序的加载和运行。监控程序也可以说是操作系统的原型。
- 在操作系统上运行的程序称为什么？
- 应用或应用程序。
- 调用操作系统功能称为什么？
- 系统调用（system call）。应用通过系统调用（system call）间接控制硬件。
- Windows Vista是多少位的操作系统？
- 32位（也有64位的版本）。
- GUI是什么的缩写？
- Graphical User Interface（图形用户界面）。
- WYSIWYG是什么的缩写？
- What You See Is What Your Get（所见即所得）。WYSIWYG是指可以直接将显示器中显示的内容在打印机上打印出来。这也是Windows的特征之一。
在计算机中尚不存在操作系统的年代，完全没有任何程序，因此程序员就需要编写出处理相关的所有程序。用机器语言编写程序，然后再使用开关将程序输入，这一过程非常麻烦。于是，有人开发出了仅具有加载和运行功能的监控程序，这就是操作系统的原型。通过事先启动监控程序，程序员就可以根据需要将各种程序加载到内存中运行。虽然依旧比较麻烦，但比起在没有任何程序的状态下进行开发，工作量得到了很大的缓解（图9-1）。
随着时代的发展，人们在利用监控程序编写程序的过程中，发现很多程序都有共通的部分。例如，通过键盘输入文字数据、往显示器输出文字数据等。这些处理，在任何程序下都是一样的。而如果每编写一个新的程序都要记述相同的处理的话，那真的是太浪费时间了。因此，基本的输入输出部分的程序就被追加到了监控程序中。初期的操作系统就这样诞生了（图9-2）。
之后，随着时代的进一步发展，开始有更多的功能被追加到监控程序中，比如，为了方便程序员的硬件控制程序、编程语言处理器（汇编、编译、解析）以及各种实用程序等，结果就形成了和现在相差不大的操作系统。因此，操作系统本身并不是单独的程序，而是多个程序的集合体（图9-3）。
2.要意识到操作系统的存在
代码清单9-1表示的是，在Windows操作系统下，用C语言制作一个具有表示当前时间功能的应用。time()是用来取得当前日期和时间的函数，printf()是用来在显示器上显示字符串的函数。程序的运行结果如图9-4所示。
在操作系统这个运行环境下，应用并不是直接控制硬件，而是通过操作系统来间接控制硬件的。变量定义中涉及的内存的申请分配，以及time()和printf()这些函数的运行结果，都不是面向硬件而是面向操作系统的。操作系统收到应用发出的指令后，首先会对该指令进行解释，然后会对时钟IC（实时时钟$^1$）和显示器用的I/O进行控制。
- 计算机中都安装有保存日期和时间的实时时钟（Real-time clock）。
3.系统调用和高级编程语言的移植性
操作系统的硬件控制功能，通常是通过一些小的函数集合体的形式来提供的。这些函数及调用函数的行为统称为系统调用（system call），也就是应用对操作系统（system）的功能进行调用（call）的意思。在前面的程序中用到了time()和printf()等函数，这些函数内部也都使用了系统调用。这里之所以用“内部”这个词，是因为在Windows操作系统中，提供返回当前日期和时刻，以及在显示器中显示字符串等功能的系统调用的函数名，并不是time()和printf()。系统调用是在time()和printf()函数的内部执行的。
C语言等高级编程语言并不依存于特定的操作系统。这是因为人们希望不管是Windows还是Linux，都能使用几乎相同的源代码。因此，高级编程语言的机制就是，使用独自的函数名，然后再在编译时将其转换成相应操作系统的系统调用（也有可能是多个系统调用的组合）。也就是说，用高级编程语言编写的应用在编译后，就转换成了利用系统调用的本地代码（图9-6）。
在高级编程语言中，也存在可以直接调用系统调用的编程语言。不过，利用这种方式做成的应用，移植性并不友好（也俗称为有恶意行为的应用）。例如，直接调用Windows系统调用的应用，在Linux上显然是无法运行的。
4.操作系统和高级编程语言使硬件抽象化
通过使用操作系统提供的系统调用，程序员就没必要编写直接控制硬件的程序了。而且，通过使用高级编程语言，有时甚至也无需考虑系统调用的存在。
5.Windows操作系统的特征
Windows操作系统的主要特征如下所示：
- 32位操作系统（也有64位版本）。
- 通过API函数集来提供系统调用。
- 提供采用了图形用户界面的用户界面。
- 通过WYSIWYG实现打印输出。
- 提供多任务功能。
- 提供网络功能及数据库功能。
- 通过即插即用实现设备驱动的自动设定。
👉（1）32位操作系统。
这里的32位表示的是处理效率最高的数据大小。Windows处理数据的基本单位是32位。
👉（2）通过API函数集来提供系统调用。
Windows是通过名为API的函数集来提供系统调用的。API是联系作成应用的程序员和操作系统之间的接口。所以称为API（Application Programming Interface，应用程序接口）。
32位版Windows API也称为Win32 API。64位版就是Win64 API。在Win32 API中，各函数的参数及返回值的数据大小，基本上都是32位。
API通过多个DLL文件来提供。各API的实体都是用C语言编写的函数。因而，C语言程序的情况下，API的使用更加容易。
👉（3）提供采用了GUI的用户界面。
👉（4）通过WYSIWYG实现打印输出。
WYSIWYG指的是显示器上显示的内容可以直接通过打印机打印输出。
👉（5）提供多任务功能。
多任务指的是同时运行多个程序的功能。Windows是通过时钟分割技术来实现多任务功能的。
时钟分割指的是在短时间间隔内，多个程序切换运行的方式。在用户看来，就是多个程序在同时运行。也就是说，Windows会自动切换多个程序的运行（图9-9）。此外，Windows中还具有以程序中的函数为单位来进行时钟分割的多线程功能。
👉（6）提供网络功能及数据库功能。
网络功能和数据库功能，虽并不是操作系统本身不可欠缺的功能，但因为它们和操作系统很接近，所以被统称为中间件而不是应用。意思是处于操作系统和应用的中间（middle）。操作系统和中间件合在一起，也称为系统软件。应用不仅可以利用操作系统，也可以利用中间件的功能（图9-10）。
相对于操作系统一旦安装就不能轻易替换，中间件则可以根据需要进行任意的替换。不过，大多数情况下，中间件变更后应用往往也需要变更。
👉（7）通过即插即用实现设备驱动的自动设定。
即插即用（Plug-and-Play）指的是新的设备连接（Plug）后立刻就可以使用（Play）的机制。新的设备连接到计算机后，系统就会自动安装和设定用来控制该设备的设备驱动程序。
设备驱动是操作系统的一部分，提供了同硬件进行基本的输入输出的功能。键盘、鼠标、显示器、磁盘装置等，这些计算机中必备的硬件的设备驱动，一般都是随操作系统一起安装的。如果之后再追加新的网卡（NIC$^1$）等硬件的话，就需要向操作系统追加该硬件专用的设备驱动。大家购买的新的硬件设备中，通常都会附带着软盘或CD-ROM，里面通常都收录着该硬件的设备驱动。
- NIC（Network Interface Card）是计算机连接网络（LAN）时使用的设备。也称为网卡或者LAN卡。
有时DLL文件也会同设备驱动文件一起安装。这些DLL文件中存储着用来利用该新追加硬件的API（函数集）。通过API，可以制作出运用该新硬件的应用。
