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操作系统

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“Operating System”的各地常用名称
中国大陆操作系统
台湾作业系统
港澳作业系统
操作系统简略架构
操作系统架构，以Linux为例

操作系统（英语：Operating System，缩写：OS）是一组主管并控制计算机操作、运用和运行硬件、软件资源和提供公共服务来组织用户交互的相互关联的系统软件程序，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、控制输入与输出设备、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用户与系统交互的操作界面。

操作系统的类型非常多样，不同机器安装的操作系统可从简单到复杂，可从移动电话的嵌入式系统到超级计算机的大型操作系统。许多操作系统制造者对它涵盖范畴的定义也不尽一致，例如有些操作系统集成了图形用户界面，而有些仅使用命令行界面，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[1]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[2]。

历史

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各类平台上操作系统的功能演化
主条目：操作系统历史

综观电脑之历史，操作系统与电脑硬件的发展息息相关。操作系统之本意原为提供简单的工作排序能力，后为辅助更新更复杂的硬件设施而渐渐演化。从最早的批量模式开始，分时机制也随之出现，在多处理器时代来临时，操作系统也随之添加多处理器协调功能，甚至是分布式系统的协调功能。其他方面的演变也类似于此。另一方面，在个人电脑上，个人电脑之操作系统因袭大型机的成长之路，在硬件越来越复杂、强大时，也逐步实践以往只有大型机才有的功能。

总而言之，操作系统的历史就是一部解决电脑系统需求与问题的历史。

1980年代前

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IBM System/360，大型主机的经典之作

第一部电脑并没有操作系统。这是由于早期电脑的建立方式（如同建造机械算盘）与性能不足以执行如此程序。但在1947年发明了晶体管，以及莫里斯·威尔克斯发明的微程序方法，使得电脑不再是机械设备，而是电子产品。系统管理工具以及简化硬件操作流程的程序很快就出现了，且成为操作系统的起源。到了1960年代早期，商用电脑制造商制造了批处理系统，此系统可将工作的建置、调度以及执行序列化。此时，厂商为每一台不同型号的电脑创造不同的操作系统，因此为某电脑而写的程序无法移植到其他电脑上执行，即使是同型号的电脑也不行。

到了1964年，IBM System/360推出了一系列用途与价位都不同的大型机，而它们都共享代号为OS/360的操作系统（而非每种产品都用量身订做的操作系统）。让单一操作系统适用于整个系列的产品是System/360成功的关键，且实际上IBM目前的大型系统便是此系统的后裔，为System/360所写的应用程序依然可以在现代的IBM机器上执行。

OS/360也包含另一个优点：永久贮存设备—硬盘的面世（IBM称为DASD）。另一个关键是分时概念的建立：将大型机珍贵的时间资源适当分配到所有用户身上。分时也让用户有独占整部机器的感觉；而Multics的分时系统是此时众多新操作系统中实践此观念最成功的。

1963年，通用电气与贝尔实验室合作以PL/I语言建立的Multics[3]，是激发1970年代众多操作系统建立的灵感来源，尤其是由AT&T贝尔实验室的丹尼斯·里奇与肯·汤普逊所建立的Unix系统，为了实践平台移植能力，此操作系统在1973年由C语言重写；另一个广为市场采用的小型电脑操作系统是VMS。

1980年代

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第一代微型计算机并不像大型机或小型电脑，没有装设操作系统的需求或能力；它们只需要最基本的操作系统，通常这种操作系统都是从ROM读取的，此种程序被称为监视程序（Monitor）。1980年代，家用电脑开始普及。通常此时的电脑拥有8-bit处理器加上64KB存储器、显示器、键盘以及低音质喇叭。而80年代早期最著名的套装电脑为使用微处理器6510（6502芯片特别版）的Commodore C64。此电脑没有操作系统，而是以一8KB只读存储器BIOS初始化彩色显示器、键盘以及软盘驱动器和打印机。它可用8KB只读存储器BASIC语言来直接操作BIOS，并依此撰写程序，大部分是游戏。此BASIC语言的解释器勉强可算是此电脑的操作系统，当然就没有内核或软硬件保护机制了。此电脑上的游戏大多跳过BIOS层次，直接控制硬件。

家用电脑C64的抽象架构
简单应用程序 机器语言
（游戏直接操作）
8k BASIC ROM
8k ROM-BIOS
硬件（中央处理器、存储设备等）

早期最著名的磁盘启动型操作系统是CP/M，它支持许多早期的微电脑。最早期的IBM PC其架构类似C64。当然它们也使用了BIOS以初始化与抽象化硬件的操作，甚至也附了一个BASIC解释器！但是它的BASIC优于其他公司产品的原因在于他有可携性，并且兼容于任何符合IBM PC架构的机器上。这样的PC可利用Intel-8088处理器（16-bit寄存器）寻址，并最多可有1MB的存储器，然而最初只有640KB。软式磁盘驱动器取代了过去的磁带机，成为新一代的存储设备，并可在它512KB的空间上读写。为了支持更进一步的文件读写概念，磁盘操作系统（Disk Operating System，DOS）因而诞生。此操作系统可以合并任意数量的扇区，因此可以在一张磁盘片上放置任意数量与大小的文件。文件之间以文件名区别。IBM并没有很在意其上的DOS，因此以向外部公司购买的方式获取操作系统。1980年微软公司获取了与IBM的合约，并且收购了一家公司出产的操作系统，在将之修改后以MS-DOS的名义出品，此操作系统可以直接让程序操作BIOS与文件系统。到了Intel-80286处理器的时代，才开始实现基本的存储设备保护措施。其后，MS-DOS成为了IBM PC上面最常用的操作系统（IBM自己也有推出DOS，称为IBM-DOS或PC-DOS）。MS-DOS的成功使得微软成为地球上最赚钱的公司之一。

MS-DOS在个人电脑上的抽象架构
普通应用程序（Shell script、文本编辑器）
MS-DOS（文件系统）
BIOS（驱动程序）
硬件（中央处理器、存储设备等）

而1980年代另一个崛起的操作系统异数是Mac OS，此操作系统紧紧与麦金塔电脑捆绑在一起。此时一位施乐帕罗奥多研究中心的员工Dominik Hagen拜访了苹果电脑的史蒂夫·乔布斯，并且向他展示了此时施乐发展的图形用户界面。苹果电脑惊为天人，并打算向施乐购买此技术，但因帕罗奥多研究中心并非商业单位而是研究单位，因此施乐回绝了这项买卖。在此之后苹果一致认为个人电脑的未来必定属于图形用户界面，因此也开始发展自己的图形化操作系统。

1990年代

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Apple I电脑，苹果电脑的第一代产品

延续1980年代的竞争，1990年代出现了许多影响未来个人电脑市场深厚的操作系统。由于图形用户界面日趋繁复，操作系统的能力也越来越复杂与巨大，因此强韧且具有弹性的操作系统就成了迫切的需求。此年代是许多套装类的个人电脑操作系统互相竞争的时代。

上一年代于市场崛起的苹果电脑，由于旧系统的设计不良，使得其后继发展不力，苹果电脑决定重新设计操作系统。经过许多失败的项目后，苹果于1997年发布新操作系统——Mac OS X的测试版，而后推出的正式版获取了巨大的成功。让原先失意离开苹果的史蒂夫·乔布斯风光再现。

除了商业主流的操作系统外，从1980年代起在开放源代码的世界中，BSD系统也发展了非常久的一段时间，但在1990年代由于与AT&T的法律争端，使得远在芬兰赫尔辛基大学的另一股开源操作系统——Linux兴起。Linux内核是一个标准POSIX内核，其血缘可算是Unix家族的一支。Linux与BSD家族都搭配GNU项目所发展的应用程序，但是由于使用的许可证以及历史因素的作弄下，Linux获取了相当可观的开源操作系统市占率，而BSD则小得多。相较于MS-DOS的架构，Linux除了拥有傲人的可移植性（相较于Linux，MS-DOS只能运行在Intel CPU上），它也是一个分时多进程内核，以及良好的存储器空间管理（普通的进程不能访问内核区域的存储器）。想要访问任何非自己的存储器空间的进程只能透过系统调用来达成。一般进程是处于用户态（User mode）底下，而执行系统调用时会被切换成内核态（Kernel mode），所有的特殊指令只能在内核态执行，此措施让内核可以完美管理系统内部与外部设备，并且拒绝无权限的进程提出的请求。因此理论上任何应用程序执行时的错误，都不可能让系统崩潰。


几乎完整的Linux架构图
用户
模式 		应用程序（sh、vi、OpenOffice.org等）
复杂函数库（KDE、glib等）
简单函数库（opendbm、sin等）
C函数库（open、fopen、socket、exec、calloc等）
内核
模式 		系统中断、调用、错误等软硬件消息
内核（驱动程序、进程、网络、内存管理等）
硬件（处理器、内存、各种设备）

另一方面，微软对于更强力的操作系统呼声的回应便是Windows NT于1993年的面世。

1983年开始微软就想要为MS-DOS建构一个图形化的操作系统应用程序，称为Windows（有人说这是比尔·盖茨被苹果的Lisa电脑上市所刺激）。一开始Windows并不是一个操作系统，只是一个应用程序，其背景还是纯MS-DOS系统，这是因为当时的BIOS设计以及MS-DOS的架构不甚良好之故。在1990年代初，微软与IBM的合作破裂，微软从OS/2（早期为命令行模式，后来成为一个技术很优秀但是曲高和寡的图形化操作系统）项目中抽身，并且在1993年7月27日推出Windows 3.1，一个以OS/2为基础的图形化操作系统。并在1995年8月15日推出Windows 95。这时的Windows系统依然是建立在MS-DOS的基础上，不过微软在这同时也在开发不依赖于DOS的NT系列Windows系统，并在后来完全放弃了DOS而转向NT作为Windows的基础。

底下的表格为Windows NT系统的架构：在硬件层次结构之上，有一个由微内核直接接触的硬件抽象层（HAL），而不同的驱动程序以模块的形式挂载在内核上执行。因此微内核可以使用诸如输入输出、文件系统、网络、信息安全机制与虚拟内存等功能。而系统服务层提供所有统一规格的函数调用库，可以统一所有子系统的实现方法。例如尽管POSIX与OS/2对于同一件服务的名称与调用方法差异甚大，它们一样可以无碍地实现于系统服务层上。在系统服务层之上的子系统，全都是用户态，因此可以避免用户程序执行非法行动。


简化版本的Windows NT抽象架构
用户
模式 		OS/2
应用程序 		Win32
应用程序 		DOS
程序 		Win16
应用程序 		POSIX
应用程序
其他DLL函数库 DOS系统 Windows模拟系统
OS/2子系统 Win32子系统 POSIX.1子系统
内核
模式 		系统服务层
输入输出管理
文件系统、网络系统 		对象管理系统 / 安全管理系统 / 进程管理 / 对象间通信管理 / 进程间通信管理 / 虚拟内存管理

微内核 		视窗管理程序
驱动程序 硬件抽象层（HAL） 图形驱动
硬件（处理器、存储器、外部设备等）


子系统架构第一个实现的子系统群当然是以前的微软系统。DOS子系统将每个DOS程序当成一进程执行，并以个别独立的MS-DOS虚拟机承载其运行环境。另外一个是Windows 3.1模拟系统，实际上是在Win32子系统下执行Win16程序。因此达到了安全掌控为MS-DOS与早期Windows系统所撰写之旧版程序的能力。然而此架构只在Intel 80386处理器及后继机型上实现。且某些会直接读取硬件的程序，例如大部分的Win16游戏，就无法套用这套系统，因此很多早期游戏便无法在Windows NT上执行。Windows NT有3.1、3.5、3.51与4.0版。Windows 2000是Windows NT的改进系列（事实上是Windows NT 5.0）、Windows XP（Windows NT 5.1）以及Windows Server 2003（Windows NT 5.2）与Windows Vista（Windows NT 6.0）也都是立基于Windows NT的架构上。

而本年代渐渐增长并越趋复杂的嵌入式设备市场也促使嵌入式操作系统的成长。

今日

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现代操作系统通常都有一个使用的绘图设备的图形用户界面（GUI），并附加如鼠标或触控面版等有别于键盘的输入设备。旧的OS或性能导向的服务器通常不会有如此亲切的接口，而是以命令行界面（CLI）加上键盘为输入设备。以上两种接口其实都是所谓的壳，其功能为接受并处理用户的指令（例如按下一按钮，或在命令提示列上键入指令）。

选择要安装的操作系统通常与其硬件架构有很大关系，只有Linux与BSD几乎可在所有硬件架构上执行，而Windows NT仅移植到了DEC Alpha与MIPS Magnum。在1990年代早期，个人电脑的选择就已被局限在Windows家族、类Unix家族以及Linux上，而以Linux及Mac OS X为最主要的另类选择，直至今日。

大型机与嵌入式系统使用很多样化的操作系统。大型主机近期有许多开始支持Java及Linux以便共享其他平台的资源。嵌入式系统近期百家争鸣，从给Sensor Networks用的Berkeley Tiny OS到可以操作Microsoft Office的Windows CE都有。

个人电脑

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个人电脑市场目前分为两大阵营，此两种架构分别有支持的操作系统：

  • Apple Macintosh - Mac OS X，Windows（仅Intel平台），Linux、BSD。
  • IBM兼容PC - Windows、Linux、BSD、Mac OS X（非正式支持）。

大型机

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最早的操作系统是针对20世纪60年代的大型主结构开发的，由于对这些系统在软件方面做了巨大投资，因此原来的计算机厂商继续开发与原来操作系统相兼容的硬件与操作系统。这些早期的操作系统是现代操作系统的先驱。现在仍被支持的大型主机操作系统包括：

现代的大型主机一般也可运行Linux或Unix变种。

嵌入式

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嵌入式系统使用非常广泛的系统（如VxWorks、eCos、Symbian OS及Palm OS）以及某些功能缩减版本的Linux或者其他操作系统。某些情况下，OS指称的是一个内置了固定应用软件的巨大泛用程序。在许多最简单的嵌入式系统中，所谓的OS就是指其上唯一的应用程序。

类Unix系统

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主条目：类Unix
Unix系统的演变
KDE SC 4桌面

所谓的类Unix家族指的是一族种类繁多的OS，此族包含了System V、BSD与Linux。由于Unix是The Open Group的注册商标，特指遵守此公司定义的行为的操作系统。而类Unix通常指的是比原先的Unix包含更多特征的OS。

类Unix系统可在非常多的处理器架构下执行，在服务器系统上有很高的使用率，例如大专院校或工程应用的工作站。

1991年，芬兰学生林纳斯·托瓦兹根据类Unix系统Minix编写并发布了Linux操作系统内核，其后在理查德·斯托曼的建议下以GNU通用公共许可证发布，成为自由软件Unix变种. Linux近来越来越受欢迎，它们也在个人桌面电脑市场上大有斩获，例如Ubuntu系统。

某些Unix变种，例如惠普的HP-UX以及IBM的AIX仅设计用于自家的硬件产品上，而SUN的Solaris可安装于自家的硬件或x86电脑上。苹果电脑的Mac OS X是一个从NeXTSTEP、Mach以及FreeBSD共同派生出来的微内核BSD系统，此OS取代了苹果电脑早期非Unix家族的Mac OS。

经历数年的披荆斩棘，自由开源的Linux系统逐渐蚕食以往专利软件的专业领域，例如以往电脑动画运算巨擘──硅谷图形公司（SGI）的IRIX系统已被Linux家族及贝尔实验室研发小组设计的九号项目与Inferno系统取代，皆用于分散表达式环境。它们并不像其他Unix系统，而是选择内置图形用户界面。九号项目原先并不普及，因为它刚推出时并非自由软件。后来改在自由及开源软件许可证Lucent Public License发布后，便开始拥有广大的用户及社群。Inferno已被售予Vita Nuova并以GPL/MIT许可证发布。

当前，计算机按照计算能力排名世界500强中全数皆使用Linux系统。[4]

微软Windows

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主条目：Microsoft Windows

Microsoft Windows系列操作系统是在微软给IBM机器设计的MS-DOS的基础上设计的图形操作系统。现在的Windows系统，如Windows 2000、Windows XP皆是建立于现代的Windows NT内核。NT内核是由OS/2和OpenVMS等系统上借用来的。Windows可以在32位和64位的Intel和AMD的处理器上运行，但是早期的版本也可以在DEC Alpha、MIPS与PowerPC架构上运行。

虽然由于人们对于开放源代码操作系统兴趣的提升，Windows的市场占有率有所下降，但是到2004年为止，Windows操作系统在世界范围内占据了桌面操作系统90%的市场。[5]

Windows系统也被用在低端和中端服务器上，并且支持网页服务的数据库服务等一些功能。最近微软花费了很大研究与开发的经费用于使Windows拥有能运行企业的大型程序的能力。

Windows XP在2001年10月25日发布，2004年8月24日发布服务包2（Service Pack 2），2008年4月21日发布最新的服务包3，但只有32位（Service Pack 3）。

Windows XP的下一代为Windows Vista（开发代码为Longhorn）于2007年1月30日发售[6]。Windows Vista增加了许多功能，尤其是系统的安全性和网络管理功能，并且其拥有接口华丽的Aero Glass。但是整体而言，其在全球市场上的口碑却并不是很好。其后继者Windows 7则是于2009年10月22日发售，Windows 7改善了Windows Vista为人诟病的性能问题，相较于Windows Vista，在同样的硬件环境下，Windows 7的表现较Windows Vista为好。

Windows 8 于2012年10月26日发售，与Windows Phone 8共享内核，取消了开始按钮，并使用了全新动态砖接口，并可使用Windows 市集购买安装App，但由于整体接口相较于前几版是很大的更改，以及为触控设计的接口，让不少键盘鼠标用户比较不习惯。微软于隔年2013年10月18日发布了Windows 8.1，并加回了开始按钮。

而最多人使用的Windows 的Windows 10则是于2015年7月29日发售。而每次大更新后就更改版本号，目前最新为21H2。会在2025年10月25日停止支持Windows 10家用版及专业版

Windows 11于2021年10月5日发行ISO等安装档，但无发售盒装版。是目前最新的Windows，也是唯一可以安装Android App与只有64位版的Windows

苹果macOS

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主条目：Mac OS和Mac OS X

macOS，前称“Mac OS X”或“OS X”，是一套运行于苹果Macintosh系列电脑上的操作系统。Mac OS是首个在商用领域成功的图形用户界面系统。Macintosh开发成员包括比尔·阿特金森（Bill Atkinson）、杰夫·拉斯金（Jef Raskin）和安迪·赫茨菲尔德（Andy Hertzfeld）。从OS X 10.8开始在名字中去掉Mac，仅保留OSX和版本号。在WWDC 2016 上，苹果公司将OS X更名为macOS，现行的最新的系统版本是macOS Sonoma。

Chrome OS

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主条目：Google Chrome OS

Google Chrome OS是一项Google的轻型电脑操作系统计划，其基于Google的浏览器Google Chrome的Linux内核。

其他

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大型主机以及嵌入式操作系统均与Unix或Windows家族关系不大，除了Android，Windows CE、Windows NT及Windows XP Embedded是Windows的血亲产品，以及数种*BSD和嵌入式Linux包为例外。

少数较旧的OS今日依然在一些需要稳定性的市场中活跃，例如IBM的OS/2、BeOS以及XTS-400。

在达康时代狂潮过后，如AmigaOS与RISC OS等少数人使用的OS依然持续建立，以满足狂热的爱好者社群与特殊专业用户。

优秀的操作系统必定要具备能让各种能力级别的用户满足各种需求的工具包可视化的高效简便程序环境，以程序来创建程序，就如立法的法律指导规范新的法案的创建。这其实是操作系统所隐含的一部分，决定了可以有多强的扩充能力。比如，某个操作系统有对应的开发者工具包集成环境程序并且是个可视化的，还能让能力不太高的人一看能懂的，用于修改某个声音合成器包含频谱显示，可要是操作系统本身不支持也没有提供可用的工具程序，就会变得很繁琐，很可能为了达到这个目标，开发者就要预备好各种相关的工具程序，甚至自己来编写一系列相关的工具程序创建专门的工具包，最后还要检查代码。若是有人想通过音乐来生成五线谱，要对类似标记语言的五线谱规则对应一下，对各种音色，音准采集并总结出一整套规律，通过声音识别可以识别出乐器的类别等，进而标出乐符完成从声音到乐谱的转换并生成。可是对人声却又更为复杂也不必要如此。若是需要用声音的波形图重现声音，没有相关的工具集是相当难实现，另外只有使用同一套声音的波形绘制规则的所生成的波形图用来再现的声音才是原来的声音。

在作为商品出售的操作系统软件的历史中常常因为其中包含的浏览器，媒体播放器在美国遭到反垄断起诉，差点使得功能上残缺不全。少数操作系统软件能够提供较为全面的App和实用工具程序。

操作系统软件的编译也需要对应的编译环境。

在同一台计算机上运行不同的操作系统软件，就能够以不同的方式来使用计算机资源。比如，在Mac上运行OS X和Windows以两种不同的技术OpenCL，Core Image:DirectX来使用图形卡实现类似的作用。

通过图像识别和声音识别来进行信息搜索。

能够满足不同需求所要求的精确程度对时间的精细划分，以及尺度细分可以互联，同步，协调原本必须由多个人协同合作才能完成的随时需要调整并相互同步的操控作业，这就必须有即时消息传送显示，可视化的用于协调同步计划任务的配置脚本，以及执行这样计划任务的完整组件。

未来

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研究与建立未来的操作系统依旧进行着。操作系统朝提供更省电、网络化、易用、华丽的用户界面的方向来改进。类UNIX OS通过和桌面环境开发者协作，正努力让自己改进使用环境。

eyeOS是一套基于PHP实现的半开源模拟云计算操作系统，但其实质只是在网络浏览器中提供一种类似无界限的类独立操作系统，其并非于任何类似虚拟化中实现的真正电脑操作系统，能提供诸如Word、PPT、Excel的在线处理功能…

GNU Hurd是一个以完全兼容Unix并加强许多功能为目标的微内核架构。微软Singularity是一个奠基于.Net并以建立较佳存储器保护机制为目标的研究项目。

功能

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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）
  • 内存管理（Memory management）
  • 文件系统（File system）
  • 网络通信（Networking）
  • 安全机制（Security）
  • 用户界面（User interface）
  • 驱动程序（Device drivers）

进程管理

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主条目：进程和线程

不管是常驻程序或者应用程序，他们都以进程为标准执行单位。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进程。早期的操作系统（例如DOS）也不允许任何程序打破这个限制，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进程的功能。

由于大部分的电脑只包含一颗中央处理器，在宏内核（Core）的情况下多进程只是简单迅速地切换各进程，让每个进程都能够执行，在多内核或多处理器的情况下，所有进程透过许多协同技术在各处理器或内核上转换。越多进程同时执行，每个进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（称做颠簸（Thrashing），一种操作系统只能不停执行自己的管理程序并耗尽系统资源的状态，其他用户或硬件的程序皆无法执行。进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），为每个进程改变所占的分时比例。特权越高的进程，执行优先级越高，单位时间内占的比例也越高。交互式操作系统也提供某种程度的反馈机制，让直接与用户交互的进程拥有较高的特权值。

除了进程管理之外，操作系统尚有担负起进程间通信（IPC）、进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。

在进程之下尚有线程的问题，但是大部分的操作系统并不会处理线程所遭遇的问题，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的管理机制控制线程之间的交互。

内存管理

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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存储器。大部分的现代存储器架构都是层次结构式的，最快且数量最少的寄存器为首，然后是缓存、存储器以及最慢的磁盘存储设备。而操作系统的存储器管理提供查找可用的记忆空间、配置与释放记忆空间以及交换存储器和低速存储设备的内含物……等功能。此类又被称做虚拟内存管理的功能大幅增加每个进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进程崩溃。

存储器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。如果同时有许多进程存储于记忆设备上，操作系统必须防止它们互相干扰对方的存储器内容（除非透过某些协议在可控制的范围下操作，并限制可访问的存储器范围）。分割存储器空间可以达成目标。每个进程只会看到整个存储器空间（从0到存储器空间的最大上限）被配置给它自己（当然，有些位置被操作系统保留而禁止访问）。CPU事先存了几个表以比对虚拟位置与实际存储器位置，这种方法称为标签页配置。

借由对每个进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进程所占据的所有存储器。如果这个进程不释放存储器，操作系统可以结束进程并将存储器自动释放。

磁盘与文件系统

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主条目：文件系统

所谓的文件系统，通常指称管理磁盘资料的系统，可将资料以目录或文件的型式存储。每个文件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置文件系统。例如Linux拥有非常广泛的内置文件系统，如ext2、ext3、ext4、ReiserFS、Reiser4、GFS、GFS2、OCFS、OCFS2、NILFS与Google文件系统。Linux也支持非原生文件系统，例如XFS、JFS、FAT家族与NTFS。另一方面，Windows能支持的文件系统只有FAT12、FAT16、FAT32、EXFAT与NTFS。NTFS系统是Windows上最可靠与最有效率的文件系统。其他的FAT家族都比NTFS老旧，且对于文件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的文件系统多半是UFS，而UNIX中的一个分支Solaris最近则开始支持一种新式的ZFS。

大部分上述的文件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。日志式文件系统可以以较安全的手法执行系统恢复。如果一个没有日志式建置的文件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文件系统检查工具才能撤销；日志式则可自动恢复。微软的NTFS与Linux的ext3、ext4、reiserFS与JFS都是日志式文件系统。

每个文件系统都实现相似的目录／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，且文件名称忽略其大小写差异；UNIX系统则是以“/”建立目录架构，且文件名称大小写有差异。(其实这是给系统调用的，"/"或"\"并不实际存在硬盘)

网络

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许多现代的操作系统都具备操作主流网络通信协议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文件、打印机与扫描仪等资源。

许多操作系统也支持多个过去网络启蒙时代的各路网络通信协议，例如IBM建立的系统网络架构、DEC在它所生产的系统所设置的DECnet（英语：DECnet）架构与微软为Windows制作的特殊通信协议。还有许多为了特殊功能而研发的通信协议，例如可以在网络上提供文件访问功能的NFS系统。现今大量用于影音流（Streaming media）及游戏消息发送的UDP协议等。

安全

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大多数操作系统都含有某种程度的信息安全机制。信息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访问数种资源的管道，例如本地端磁盘驱动器的文件、受保护的特权系统调用、用户的隐私资料与系统执行的程序所提供的服务。
  • 操作系统有能力认证资源访问的请求。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识别号码，例如用户名。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序发出的资源请求。在某些系统上，一个程序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序一个识别代号，并且在此程序发出请求时，检查其代号与所需资源的访问权限关系。
    • 外部来源：从非本地端电脑而来的资源请求，例如远程登录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访问资源（例如匿名访问的FTP服务器或P2P服务）。

除了允许／拒绝形式的安全机制，一个高安全等级的系统也会提供记录选项，允许记录各种请求对资源访问的行为（例如“谁曾经读了这个文件？”）。

肇因于军方与商业组织将敏感资料记录在电脑上，安全机制在操作系统历史上是一个被长久关注与讨论的问题。美国国防部（DoD）便创立了《可信赖之计算机系统评鉴程序（英语：Trusted Computer System Evaluation Criteria）》（TCSEC（英语：TCSEC）），此手册确立了评鉴安全机制成效的基本原则。这对操作系统作者来说非常重要，因为TCSEC是用于评鉴、分类与选拔出用于处理、存储与获取敏感或机密资料的电脑系统的标准程序。

内部通讯安全

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内部信息安全可视为防止正在执行的程序任意访问系统资源的手段。大多操作系统让普通程序可直接操作电脑的CPU，所以产生了一些问题，例如怎样把可如操作系统一样处理事务、执行同样特殊指令的程序强迫停止，毕竟在此情境下，操作系统也只是另一个平起平坐的程序。为通用操作系统所生产的CPU通常于硬件层级上实践了一定程度的特殊指令保护概念。通常特权层级较低的程序想要执行某些特殊指令时会被阻断，例如直接访问像是硬盘之类的外部设备。因此，程序必须得经由询问操作系统，让操作系统执行特殊指令来访问磁盘。因此操作系统就有机会检查此程序的识别身份，并依此接受或拒绝它的请求。

在不支持特殊指令架构的硬件上，另一个也是唯一的保护方法，则是操作系统并不直接利用CPU执行用户的程序，而是借由模拟一个CPU或提供一P-code机系统（伪代码执行机），像是Java一样让程序在虚拟机上执行。

内部安全机制在多用户电脑上特别重要：它允许每个系统用户拥有自己个人的文件与目录，且其他用户不能任意访问或删除。因为任何程序都可能绕过操作系统的监控，更有可能绕过侧录程序的监控，拥有强制力的内部安全机制在侧录启动时也非常重要。

外部通讯安全

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通常一个操作系统会为其他网络上的电脑或用户提供（主持）各种服务。这些服务通常借由端口或操作系统网络地址后的数字接入点提供。通常此服务包括提供文件共享（NFS）、打印共享、电子邮件、网页服务与文件传输协议（FTP）。外部信息安全的最前线，是诸如防火墙等的硬件设备。在操作系统内部也常设置许多种类的软件防火墙。软件防火墙可设置接受或拒绝在操作系统上执行的服务与外界的连线。因此任何人都可以安装并执行某些不安全的网络服务，例如Telnet或FTP，并且设置除了某些自用通道之外阻挡其他所有连线，以达成防堵不良连线的机制。

用户界面

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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用户界面与内核紧密结合，例如最早的Windows与Mac OS实现产品。此种手法可提供较快速的图形回应能力，且实现时不需切割模块因而较为省工，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块化，将图形接口的子系统与内核分开（已知Linux与Mac OS X原先就是如此设计，而某些扩展版本的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[7]。大部分的Unix与Unix派生系统（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用户界面，例如Windows。这类的操作系统只能透过外加的程序来改变其图形用户界面，甚至根本只能改变诸如菜单风格或颜色配置等部分[来源请求]。

图形用户界面与时并进，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

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主条目：驱动程序

所谓的驱动程序（Device driver）是指某类设计来与硬件交互的电脑软件。通常是一设计完善的设备交互接口，利用与此硬件连接的电脑汇排流或通信子系统，提供对此设备下令与接收信息的功能；以及最终目的，将消息提供给操作系统或应用程序。驱动程序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块、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交互的效果，且提供硬件在处理异步的时间依赖性接口（asynchronous time-dependent hardware interface）时所需的中断处理函数。

设计驱动程序的主要目的在于操作抽象化，任何硬件模块，即使是同一类的设备，在硬件设计面上也有巨大差异。厂商推出的较新模块通常更可靠更有效率，控制方法也会有所不同。电脑与其操作系统每每不能预期那些现有与新设备的变异之处，因此无法知道其操作方法。为解决此问题操作系统通常会主动制订每种设备该有的操作方式，而驱动程序功能则是将那些操作系统制订的行为描述，转译为可让设备了解的自定义操作手法。

理论上适合的驱动程序一旦安装，相对应的新设备就可以无误地执行。此新驱动程序可以让此设备完美地切合在操作系统中，让用户察觉不到这是操作系统原本没有的功能。

结构

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操作系统理论研究者有时把操作系统分成四大部分：

  • 驱动程序 - 最底层的、直接控制和监视各类硬件的部分，它们的职责是隐藏硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口。
  • 内核 - 操作系统之最内核部分，通常运行在最高特权级，负责提供基础性、结构性的功能。
  • 支承库 - （亦作“接口库”）是一系列特殊的程序库，它们职责在于把系统所提供的基本服务包装成应用程序所能够使用的编程接口（API），是最靠近应用程序的部分。例如，GNU C运行期库就属于此类，它把各种操作系统的内部编程接口包装成ANSI C和POSIX编程接口的形式。
  • 外围 - 所谓外围，是指操作系统中除以上三类以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高级服务的部件。例如，在微内核结构中，大部分系统服务，以及UNIX/Linux中各种守护进程都通常被划归此列。

当然，本节所提出的四部结构观也绝非放之四海皆准。例如，在早期的微软视窗操作系统中，各部分耦合程度很深，难以区分彼此。而在使用外核结构的操作系统中，则根本没有驱动程序的概念。因而，本节的讨论只适用于一般情况，具体特例需具体分析。

操作系统中四大部分的不同布局，也就形成了几种整体结构的分野。常见的结构包括：简单结构、层结构、微内核结构、垂直结构、和虚拟机结构。

分类

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操作系统的分类没有一个单一的标准，可以根据工作方式分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等；根据架构可以分为单内核操作系统等；根据运行的环境，可以分为桌面操作系统，嵌入式操作系统等；根据指令的长度分为8bit, 16bit, 32bit, 64bit的操作系统。

内核结构

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主条目：内核

内核是操作系统最内核最基础的构件，其结构往往对操作系统的外部特性以及应用领域有着一定程度的影响。尽管随着理论和实践的不断演进，操作系统高层特性与内核结构之间的耦合有日趋缩小之势，但习惯上，内核结构仍然是操作系统分类之常用标准。

内核的结构可以分为单内核、微内核、超微内核、以及外核等。

单内核结构是操作系统中各内核部件杂然混居的形态，该结构产生于1960年代（亦有1950年代初之说，尚存争议），历史最长，是操作系统内核与外围分离时的最初形态。

微内核结构是1980年代产生出来的较新的内核结构，强调结构性部件与功能性部件的分离。20世纪末，基于微内核结构，理论界中又发展出了超微内核与外内核等多种结构。尽管自1980年代起，大部分理论研究都集中在以微内核为首的“新兴”结构之上，然而，在应用领域之中，以单内核结构为基础的操作系统却一直占据着主导地位。

在众多常用操作系统之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等个别系统外，几乎全部采用单内核结构，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows（微软声称Windows NT是基于改良的微内核架构的，尽管理论界对此存有异议）。微内核和超微内核结构主要用于研究性操作系统，还有一些嵌入式系统使用外核。

基于单内核的操作系统通常有着较长的历史渊源。例如，绝大部分UNIX的家族史都可上溯至1960年代。该类操作系统多数有着相对古老的设计和实现（例如某些UNIX中存在着大量1970年代、1980年代的代码）。另外，往往在性能方面略优于同一应用领域中采用其他内核结构的操作系统（但通常认为此种性能优势不能完全归功于单内核结构）。

通用与专用、嵌入式

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通用操作系统是面向一般没有特定应用需求的操作系统。由于没有特定的应用需求，通用操作系统为了适应更广泛的应用，需要支持更多的硬件与软件，需要针对所有的用户体验，对系统进行更新。通用操作系统是一个工程量繁重的操作系统。

实时与非实时

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“实时操作系统”（Real Time OS）泛指所有据有一定实时资源调度以及通讯能力的操作系统。而所谓“实时”，不同语境中往往有着非常不同的意义。某些时候仅仅用作“高性能”的同义词。但在操作系统理论中“实时性”所指的通常是特定操作所消耗的时间（以及空间）的上限是可预知的。比如，如果说某个操作系统提供实时内存分配操作，那也就是说一个内存分配操作所用时间（及空间）无论如何也不会超出操作系统所承诺的上限。实时性在某些领域非常重要，比如在工业控制、医疗器材、影音频合成、以及军事领域，实时性都是无可或缺的特性。

常用实时操作系统有QNX、VxWorks、RTLinux等等，而Linux、多数UNIX、以及多数Windows家族成员等都属于非实时操作系统。操作系统整体的实时性通常依仗内核的实时能力，但有时也可在非实时内核上建立实时操作系统，很多在Windows上建立的实时操作系统就属于此类。

在POSIX标准中专有一系用于规范实时操作系统的API，其中包括POSIX.4、POSIX.4a、POSIX.4b（合称POSIX.4）以及POSIX.13等等。符合POSIX.4的操作系统通常被认可为实时操作系统（但实时操作系统并不需要符合POSIX.4标准）。

8位、16位、32位、64位、128位

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所谓8位、16位、32位、64位、128位等术语有时指总线宽度，有时指指令宽度（在定长指令集中），而在操作系统理论中主要是指存储器寻址的宽度。如果存储器的寻址宽度是16位，那么每一个存储器地址可以用16个二进制位来表示，也就是说可以在64KB的范围内寻址。同样道理32位的宽度对应4GB的寻址范围，64位的宽度对应16 Exabyte的寻址范围。存储器寻址范围并非仅仅是对操作系统而言的，其他类型的软件的设计有时也会被寻址范围而影响。但是在操作系统的设计与实现中，寻址范围却有着更为重要的意义。

在早期的16位操作系统中，由于64KB的寻址范围太小，大都都采用“段”加“线性地址”的二维平面地址空间的设计。分配存储器时通常需要考虑“段置换”的问题，同时，应用程序所能够使用的地址空间也往往有比较小的上限。

在32位操作系统中，4GB的寻址范围对于一般应用程序来说是绰绰有余的，因而，通常使用一维的线性地址空间，而不使用“段”。

注释

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参考文献

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引用

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  1. ^ 存档副本. sites.google.com. [2021-12-06]. （原始内容存档于2022-05-12）. 
  2. ^ 王珞：坚定走出自主可控操作系统的国产之路--理论-人民网. theory.people.com.cn. [2021-12-06]. （原始内容存档于2021-12-09）. 
  3. ^ （英文）Multicians.org and the History of Operating Systems （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Thomas Haigh, 13 September 2002
  4. ^ Top500 – List Statistics [Top500 – 列表统计]. www.top500.org. 2017-11 [2019-03-04]. （原始内容存档于2012-11-19） （英语）. 
  5. ^ Why Windows Won't Always Dominate - New devices will shrink Microsoft's OS market share, researcher predicts （页面存档备份，存于互联网档案馆）, David Legard, IDG News Service, Friday, April 23, 2004
  6. ^ （英文）微软Vista操作系统官方网站公告 （页面存档备份，存于互联网档案馆）（2007年1月10日访问）
  7. ^ 各项多采多姿的KDE／GNOME桌面快照[永久失效链接]。

来源

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参阅

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外部链接

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