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操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出装置、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让使用者与系统互动的操作界面。 操作系统的型态非常多样，不同机器安装的操作系统可从简单到复杂，可从非智能手机的嵌入式系统到超级电脑的大型操作系统。许多操作系统制造者对它涵盖范畴的定义也不尽一致，例如有些操作系统整合了图形用户界面，而有些仅使用命令行界面，而将图形用户界面视为一种非必要的应用程序。 操作系统理论在计算机科学中，为历史悠久而又活跃的分支；而操作系统的设计与实现则是软件工业的基础与内核。 操作系统位于底层硬件与用户之间，是两者沟通的桥梁。用户可以通过操作系统的用户界面，输入命令。操作系统则对命令进行解释，驱动硬件设备，实现用户要求。以现代标准而言，一个标准PC的操作系统应该提供以下的功能： 进程管理（Processing management）不管是常驻程式或者应用程序，他们都以行程为标准执行单位。当年运用冯·诺伊曼结构建造电脑时，每个中央处理器最多只能同时执行一个行程。早期的操作系统（例如DOS）也不允许任何程式打破这个限制，且DOS同时只有执行一个进程（虽然DOS自己宣称他们拥有终止并等待驻留能力，可以部分且艰难地解决这问题）。现代的操作系统，即使只拥有一个CPU，也可以利用多进程（multitask）功能同时执行多个进程。进程管理指的是操作系统调整多个行程的功能。 由于大部分的电脑只包含一颗中央处理器，在单内核（Core）的情况下多行程只是简单迅速地切换各行程，让每个行程都能够执行，在多内核或多处理器的情况下，所有行程透过许多协同技术在各处理器或内核上转换。越多行程同时执行，每个行程能分配到的时间比率就越小。很多操作系统在遇到此问题时会出现诸如音效断续或鼠标跳格的情况（称做崩溃（Thrashing），一种操作系统只能不停执行自己的管理程式并耗尽系统资源的状态，其他用户或硬件的程式皆无法执行）。行程管理通常实践了分时的概念，大部分的操作系统可以利用指定不同的特权等级（priority），为每个行程改变所占的分时比例。特权越高的行程，执行优先级越高，单位时间内占的比例也越高。互动式操作系统也提供某种程度的回馈机制，让直接与用户互动的行程拥有较高的特权值。 除了行程管理之外，操作系统尚有担负起行程间通信（IPC）、行程异常终止处理以及死锁（Dead Lock）侦测及处理等较为艰深的问题。在行程之下尚有执行绪的问题，但是大部分的操作系统并不会处理执行绪所遭遇的问题，通常操作系统仅止于提供一组API让用户自行操作或透过虚拟机器的管理机制控制执行绪之间的互动。 内存管理（Memory management）根据帕金森定律：“你给程序再多内存，程序也会想尽办法耗光”，因此程序员通常希望系统给他无限量且无限快的内存。大部分的现代电脑内存架构都是阶层式的，最快且数量最少的暂存器为首，然后是快取、内存以及最慢的磁盘储存装置。而操作系统的内存管理提供寻找可用的记忆空间、配置与释放记忆空间以及交换内存和低速储存装置的内含物……等功能。此类又被称做虚拟内存管理的功能大幅增加每个行程可获得的记忆空间（通常是4GB，即使实际上RAM的数量远少于这数目）。然而这也带来了微幅降低执行效率的缺点，严重时甚至也会导致行程崩溃。 内存管理的另一个重点活动就是借由CPU的帮助来管理虚拟位置。如果同时有许多行程储存于记忆装置上，操作系统必须防止它们互相干扰对方的内存内容（除非透过某些协定在可控制的范围下操作，并限制可存取的内存范围）。分割内存空间可以达成目标。每个行程只会看到整个内存空间（从0到内存空间的最大上限）被配置给它自己（当然，有些位置被操作系统保留而禁止存取）。CPU事先存了几个表以比对虚拟位置与实际内存位置，这种方法称为分页配置。 借由对每个行程产生分开独立的位置空间，操作系统也可以轻易地一次释放某行程所占据的所有内存。如果这个行程不释放内存，操作系统可以结束行程并将内存自动释放。 文件系统（File system）所谓的档案系统，通常指称管理磁盘资料的系统，可将资料以目录或档案的型式储存。每个档案系统都有自己的特殊格式与功能，例如日志管理或不需磁盘重整。 操作系统拥有许多种内建档案系统。例如Linux拥有非常广泛的内建档案系统，如ext2、ext3、ext4、ReiserFS、Reiser4、GFS、GFS2、OCFS、OCFS2、NILFS与Google档案系统。Linux也支援非原生档案系统，例如XFS、JFS、FAT家族与NTFS。另一方面，Windows能支援的档案系统衹有FAT12、FAT16、FAT32、EXFAT与NTFS。NTFS系统是Windows上最可靠与最有效率的档案系统。其他的FAT家族都比NTFS老旧，且对于档案长度与分割磁盘能力都有很大限制，因此造成很多问题。而UNIX的档案系统多半是UFS，而UNIX中的一个分支Solaris最近则开始支援一种新式的ZFS。 大部分上述的档案系统都有两种建置方法。系统可以以日志式或非日志式建置。日志式档案系统可以以较安全的手法执行系统回复。如果一个没有日志式建置的档案系统遇上突然的系统崩溃，导致资料建立在一半时停顿，则此系统需要特殊的档案系统检查工具才能复原；日志式则可自动回复。微软的NTFS与Linux的ext3、ext4、reiserFS与JFS都是日志式档案系统。 每个档案系统都实作相似的目录／子目录架构，但在相似之下也有许多不同点。微软使用“\”符号以建立目录／子目录关系，且档案名称忽略其大小写差异；UNIX系统则是以“/”建立目录架构，且档案名称大小写有差异。 网络通信（Networking）许多现代的操作系统都具备操作主流网络通信协定TCP/IP的能力。也就是说这样的操作系统可以进入网络世界，并且与其他系统分享诸如档案、打印机与扫描器等资源。 许多操作系统也支援多个过去网络启蒙时代的各路网络通信协定，例如IBM建立的系统网络架构、DEC在它所生产的系统所设定的DECnet架构与微软为Windows制作的特殊通信协定。还有许多为了特殊功能而研发的通信协定，例如可以在网络上提供档案存取功能的NFS系统。现今大量用于影音串流（Streaming media）及游戏讯息传送的UDP协定等。 安全机制（Security）大多数操作系统都含有某种程度的资讯安全机制。资讯安全机制主要基于两大理念： 操作系统提供外界直接或间接存取数种资源的管道，例如本地端磁盘机的档案、受保护的特权系统呼叫、用户的隐私资料与系统执行的程式所提供的服务。 操作系统有能力认证资源存取的请求。允许通过认证的请求并拒绝无法通过的非法请求，并将适当的权力授权（Authorization）给此请求。有些系统的认证机制仅简略地把资源分为特权或非特权，且每个请求都有独特的身份辨识号码，例如用户名称。资源请求通常分成两大种类： 内部来源：通常是一个正在执行的程式发出的资源请求。在某些系统上，一个程式一旦可执行就可做任何事情（例如DOS时代的病毒），但通常操作系统会给程式一个识别代号，并且在此程式发出请求时，检查其代号与所需资源的存取权限关系。 外部来源：从非本地端电脑而来的资源请求，例如远端登入本机电脑或某些网络连线请求（FTP或HTTP）。为了识别这些外部请求，系统也许会对此请求提出认证要求。通常是请求输入用户名称以及相对应的密码。系统有时也会应用诸如磁卡或生物识别资料的它种认证方法。在某些例子，例如网络通信上，通常不需通过认证即可存取资源（例如匿名存取的FTP服务器或P2P服务）。 [用户界面（User interface）今日大部分的操作系统都包含图形用户界面（GUI）。有几类较旧的操作系统将图形化用户界面与内核紧密结合，例如最早的Windows与Mac OS实作产品。此种手法可提供较快速的图形回应能力，且实作时不需切割模组因而较为省工，但是会有强烈副作用，例如图形系统崩溃将导致整个系统崩溃，例如蓝屏死机。许多近代的操作系统已模组化，将图形界面的副系统与内核分开（已知Linux与Mac OS X原先就是如此设计，而某些扩充版本的Windows终于也采用此手法）。 许多操作系统允许用户安装或创造任何他们喜欢的图形用户界面。大部分的Unix与Unix衍生系统（BSD、Linux与Minix）通常会安装X Window系统配合GNOME或KDE桌面环境。而某些操作系统就没有这么弹性的图形化用户界面，例如Windows。这类的操作系统只能透过外加的程式来改变其图形化用户界面，甚至根本只能改变诸如选单风格或颜色配置等部分。 图形化用户界面与时并进，例如Windows在每次新版本上市时就会将其图形化用户界面改头换面，而Mac OS的GUI也在Mac OS X上市时出现重大转变。 驱动程序（Device drivers）所谓的驱动程式（Device driver）是指某类设计来与硬件互动的电脑软件。通常是一设计完善的装置互动界面，利用与此硬件连接的电脑汇排流或通信子系统，提供对此装置下令与接收资讯的功能；以及最终目的，将讯息提供给操作系统或应用程序。驱动程式是针对特定硬件与特定操作系统设计的软件，通常以操作系统内核模组、应用软件包或普通计算机程序的形式在操作系统内核底下执行，以达到通透顺畅地与硬件互动的效果，且提供硬件在处理异步的时间依赖性界面（asynchronous time-dependent hardware interface）时所需的中断处理常式。 系统发展史手工操作1946年第一台计算机诞生--20世纪50年代中期，还未出现操作系统，计算机工作采用手工操作方式。  手工操作手工操作方式两个特点： （1）用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。 （2）CPU 等待手工操作。CPU的利用不充分。 20世纪50年代后期，出现人机矛盾：手工操作的慢速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾，手工操作方式已严重损害了系统资源的利用率（使资源利用率降为百分之几，甚至更低），不能容忍。唯一的解决办法：只有摆脱人的手工操作，实现作业的自动过渡。这样就出现了成批处理。 批处理系统批处理系统：加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业（这作业包括程序、数据和命令）。 联机批处理系统 首先出现的是联机批处理系统，即作业的输入/输出由CPU来处理。  监督程序不停地处理各个作业，从而实现了作业到作业的自动转接，减少了作业建立时间和手工操作时间，有效克服了人机矛盾，提高了计算机的利用率。 但是，在作业输入和结果输出时，主机的高速CPU仍处于空闲状态，等待慢速的输入/输出设备完成工作： 主机处于“忙等”状态。 脱机批处理系统 为克服与缓解：高速主机与慢速外设的矛盾，提高CPU的利用率，又引入了脱机批处理系统，即输入/输出脱离主机控制。  其功能是： （1）从输入机上读取用户作业并放到输入磁带上。 （2）从输出磁带上读取执行结果并传给输出机。 这样，主机不是直接与慢速的输入/输出设备打交道，而是与速度相对较快的磁带机发生关系，有效缓解了主机与设备的矛盾。主机与卫星机可并行工作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计算能力。 脱机批处理系统:20世纪60年代应用十分广泛，它极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。IBM-7090/7094：配备的监督程序就是脱机批处理系统，是现代操作系统的原型。 不足：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲。 为改善CPU的利用率，又引入了多道程序系统。 多道程序系统多道程序设计技术 所谓多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。 单道程序的运行过程：  多道程序的运行过程：  多道程序设计技术不仅使CPU得到充分利用，同时改善I/O设备和内存的利用率，从而提高了整个系统的资源利用率和系统吞吐量（单位时间内处理作业（程序）的个数），最终提高了整个系统的效率。 单处理机系统中多道程序运行时的特点： （1）多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序； （2）宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕； （3）微观上串行：实际上，各道程序轮流地用CPU，并交替运行。 多道程序系统的出现，标志着操作系统渐趋成熟的阶段，先后出现了作业调度管理、处理机管理、存储器管理、外部设备管理、文件系统管理等功能。 多道批处理系统 20世纪60年代中期，在前述的批处理系统中，引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统（简称：批处理系统）。 它有两个特点： （1）多道：系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中，组成一个后备队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行，运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。 （2）成批：在系统运行过程中，不允许用户与其作业发生交互作用，即：作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行。 批处理系统的追求目标：提高系统资源利用率和系统吞吐量，以及作业流程的自动化。 批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。 虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。 一种新的追求目标：既能保证计算机效率，又能方便用户使用计算机。 20世纪60年代中期，计算机技术和软件技术的发展使这种追求成为可能。 分时系统由于CPU速度不断提高和采用分时技术，一台计算机可同时连接多个用户终端，而每个用户可在自己的终端上联机使用计算机，好象自己独占机器一样。  若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是，好象他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己的终端向系统发出各种操作控制命令，在充分的人机交互情况下，完成作业的运行。 具有上述特征的计算机系统称为分时系统，它允许多个用户同时联机使用计算机。 特点： （1）多路性。若干个用户同时使用一台计算机。微观上看是各用户轮流使用计算机；宏观上看是各用户并行工作。 （2）交互性。用户可根据系统对请求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。这种能使用户与系统进行人机对话的工作方式，明显地有别于批处理系统，因而，分时系统又被称为交互式系统。 （3）独立性。用户之间可以相互独立操作，互不干扰。系统保证各用户程序运行的完整性，不会发生相互混淆或破坏现象。 （4）及时性。系统可对用户的输入及时作出响应。分时系统性能的主要指标之一是响应时间，它是指：从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。 分时系统的主要目标：对用户响应的及时性，即不至于用户等待每一个命令的处理时间过长。 分时系统可以同时接纳数十个甚至上百个用户，由于内存空间有限，往往采用对换（又称交换）方式的存储方法。即将未“轮到”的作业放入磁盘，一旦“轮到”，再将其调入内存；而时间片用完后，又将作业存回磁盘（俗称“滚进”、“滚出“法），使同一存储区域轮流为多个用户服务。 多用户分时系统是当今计算机操作系统中最普遍使用的一类操作系统。 实时系统虽然多道批处理系统和分时系统能获得较令人满意的资源利用率和系统响应时间，但却不能满足实时控制与实时信息处理两个应用领域的需求。于是就产生了实时系统，即系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。 实时系统在一个特定的应用中常作为一种控制设备来使用。 实时系统可分成两类： （1）实时控制系统。当用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时，要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，及时地对飞机或导弹进行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。当用于轧钢、石化等工业生产过程控制时，也要求计算机能及时处理由各类传感器送来的数据，然后控制相应的执行机构。 （2）实时信息处理系统。当用于预定飞机票、查询有关航班、航线、票价等事宜时，或当用于银行系统、情报检索系统时，都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。此类对响应及时性的要求稍弱于第一类。 实时操作系统的主要特点： （1）及时响应。每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在严格的时间限制内完成。 （2）高可靠性。需采取冗余措施，双机系统前后台工作，也包括必要的保密措施等。 通用操作系统操作系统的三种基本类型：多道批处理系统、分时系统、实时系统。 通用操作系统：具有多种类型操作特征的操作系统。可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。 例如：实时处理+批处理=实时批处理系统。首先保证优先处理实时任务，插空进行批处理作业。常把实时任务称为前台作业，批作业称为后台作业。 再如：分时处理+批处理=分时批处理系统。即：时间要求不强的作业放入“后台”（批处理）处理，需频繁交互的作业在“前台”（分时）处理，处理机优先运行“前台”作业。 从上世纪60年代中期，国际上开始研制一些大型的通用操作系统。这些系统试图达到功能齐全、可适应各种应用范围和操作方式变化多端的环境的目标。但是，这些系统过于复杂和庞大，不仅付出了巨大的代价，且在解决其可靠性、可维护性和可理解性方面都遇到很大的困难。 相比之下，UNIX操作系统却是一个例外。这是一个通用的多用户分时交互型的操作系统。它首先建立的是一个精干的核心，而其功能却足以与许多大型的操作系统相媲美，在核心层以外，可以支持庞大的软件系统。它很快得到应用和推广，并不断完善，对现代操作系统有着重大的影响。 至此，操作系统的基本概念、功能、基本结构和组成都已形成并渐趋完善。 系统发展 进入20世纪80年代，大规模集成电路工艺技术的飞跃发展，微处理机的出现和发展，掀起了计算机大发展大普及的浪潮。一方面迎来了个人计算机的时代，同时又向计算机网络、分布式处理、巨型计算机和智能化方向发展。于是，操作系统有了进一步的发展，如：个人计算机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统等。 个人计算机操作系统 个人计算机上的操作系统是联机交互的单用户操作系统，它提供的联机交互功能与通用分时系统提供的功能很相似。 由于是个人专用，因此一些功能会简单得多。然而，由于个人计算机的应用普及，对于提供更方便友好的用户接口和丰富功能的文件系统的要求会愈来愈迫切。 网络操作系统 计算机网络：通过通信设施，将地理上分散的、具有自治功能的多个计算机系统互连起来，实现信息交换、资源共享、互操作和协作处理的系统。 网络操作系统：在原来各自计算机操作系统上，按照网络体系结构的各个协议标准增加网络管理模块，其中包括：通信、资源共享、系统安全和各种网络应用服务。 分布式操作系统 表面上看，分布式系统与计算机网络系统没有多大区别。分布式操作系统也是通过通信网络，将地理上分散的具有自治功能的数据处理系统或计算机系统互连起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。——硬件连接相同。 但有如下一些明显的区别： （1）分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性。 （2）分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源，它负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输和控制协调工作，并为用户提供一个统一的界面。 （3）用户通过这一界面，实现所需要的操作和使用系统资源，至于操作定在哪一台计算机上执行，或使用哪台计算机的资源，则是操作系统完成的，用户不必知道，此谓：系统的透明性。 （4）分布式系统更强调分布式计算和处理，因此对于多机合作和系统重构、坚强性和容错能力有更高的要求，希望系统有：更短的响应时间、高吞吐量和高可靠性。
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