我们每天都在使用操作系统。Windows、Linux、安卓、iOS，都是非常经典的操作系统。有了它们，我们才能够更好地使用电脑、手机这样的硬件终端设备。

那么，操作系统的本质是什么？到底具有哪些功能和特性？我们常说的进程、线程、内核、中断、GUI、CLI……又是什么意思？

接下来，我们一起寻找答案。

什么是操作系统

从本质来看，操作系统其实就是一套软件。它也是代码写出来的，像我们现在普遍使用的Windows10，主要就是C/C++写的。

操作系统属于软件，但又是非常特别的软件。

在整个计算机架构中，它距离硬件最近，是最重要、最基础的软件。它负责控制和管理整个计算机系统的资源，并进行合理组织、调度和分配。

对于用户（user）和上层应用软件（application）来说，操作系统把很多底层的细节都封装隐藏起来了，通过标准接口以供调用，大大简化了上层应用软件的开发。

与此同时，它又提供了很多辅助性的工具和功能，让用户可以更好地掌控计算机的运行状态。

换句话说，操作系统就是一个超级大管家。它什么都管，为用户服务，向用户负责。

操作系统的核心功能

我们可以把操作系统的核心功能分为以下几个方面：

进程管理

进程（Process）和线程（Thread），是操作系统里非常重要的两个概念。
进程是资源分配的基本单位。进程的创建、终止、调度、同步以及进程间的通信，都是由操作系统负责的。应用程序的运行，包括操作系统本身核心功能的运行，都是以进程的形式存在。

每个进程都包括程序的代码、数据、状态，以及操作系统为该程序分配的资源（如内存空间、文件句柄、网络端口等）。操作系统通过进程管理，来确保各个进程能够高效、安全地共享CPU时间。
我们使用“Ctrl+Alt+Del”快捷键调出Windows的任务管理器，就可以看到很多的进程：

线程，则是操作系统进行运算调度的最小单位。

线程比进程更低一级，是进程内的一个可以独立调度和指派的执行单元。

一个进程中可以有多个线程，共享相同的内存空间和资源，可以更容易地进行通信和数据共享。

例如你启动了一个浏览器程序，那么，操作系统就会开启一个相应的进程。这个进程里面，又会有多个线程，如HTTP请求线程、事件响应线程、渲染线程等。

如果你关闭这个浏览器程序，从任务管理器可以看到，这个进程和对应的线程都没有了。当然，你也可以在任务管理器里，直接右键关闭某个进程，程序也就强制退出了。Linux里干掉一个进程，用的命令就是“kill（杀掉）”。

线程是操作系统发展到后期才引入的。它进一步提供了程序执行的并发性，提高了系统的效率。

需要注意的是，一个程序可以对应一个或多个进程。

白话举例：

小明（操作系统）创办了一家互联网小公司，因为准备同时开发A与B两个软件，所以小明请了两个开发团队来做这件事情，分别是小王开发团队与小李开发团队，可是公司特别小，只有一个房间（CPU），而且房间（CPU）只能容纳一个开发团队，为了能让两个软件能同时开发，小明（操作系统）决定，上午小王团队开发，下午小李团队开发（这个过程称为调度）。

小李（进程）与小王（进程）身为团队负责人，他们要操心的事情比较多，需要对软件进行分析整理，做架构设计，最后再把任务细化分配给团队的每个开发人员（线程），在团队交换房间的时候，还需要把整个软件开发进度记录下来，方便下次接着开发，相比开发人员就轻松多了，每个人只负责一小块，需要记录的也只有一小块。

通过这个小故事，大伙也看出来了，一个进程管理着多个线程，就像团队负责人（进程）管理着多个开发人员（线程）一样。

内存管理

你在windows上安装了qq软件，此时qq的所有代码、数据、图片等都只存在于你的硬盘里，你只有登录了qq,qq的代码、数据、图片才会被加载到内存中去，此时才会占用你的内存空间。你关闭qq后，操作系统系统就会收回qq所占用的内存空间，并把你的聊天记录回写到硬盘，以确保不会丢失数据。

程序要从硬盘到内存，才能够被运算器（CPU）处理。每个程序都有足够的内存空间，才能够确保正常运行。

运行之后，内存也需要被及时释放，才能让别的程序能够继续占用。
内存的分配和回收，也是操作系统负责的。

除了内存分配之外，操作系统还要负责进行内存保护（确保每道程序都只在自己的内存区中运行，进程间不会互相干扰）。

设备管理

操作系统设备管理的首要任务是识别和管理系统中的所有硬件设备。每一个硬件设备在系统启动时都需要被识别、初始化和配置。这一过程通常通过设备驱动程序来完成。设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁，它允许操作系统通过标准接口与硬件设备进行通信。设备管理模块会维护一个设备列表，记录每个设备的状态、类型和配置信息。设备列表的准确性和完整性直接影响到系统的运行效率和稳定性。

如果你的windows系统没有安装显卡驱动程序，则你的桌面显示肯定不会流畅，当你刷新桌面时，会看到瀑布一样的流，整个刷新过程是很缓慢的。

文件系统管理

文件系统通过名字就可以知道，他是管理文件的创建、存储、复制、删除等功能的一个软件。我们在windows上创建、复制、删除、移动文件时，底层都是通过windows的ntfs这个文件系统实现的。

文件系统是操作系统中负责管理持久数据的子系统，说简单点，就是负责把用户的文件存到磁盘硬件中，因为即使计算机断电了，磁盘里的数据并不会丢失，所以可以持久化的保存文件。

文件系统的基本数据单位是文件，它的目的是对磁盘上的文件进行组织管理，那组织的方式不同，就会形成不同的文件系统。比如windows的ntfs、fat,linux上的ext3、ext4等。

安全和权限管理

有了硬件和软件资源，我们还要指定到底谁能够使用他们。

操作系统提供了完善的安全机制，确保用户数据的安全性和完整性，包括用户身份验证、访问控制和加密等。

交互界面

操作系统是用户使用计算机的一个工具。我们想要让计算机工作，就需要一个好的交互界面，以便下达命令、查询结果和状态。

操作系统提供图形用户界面（GUI，Graphical User Interface）或命令行界面（CLI，Command Line Interface），让用户能够方便地与计算机交互。这是计算机在社会全面普及的一个前提条件。

很多人都用过“cmd”调出来的命令行界面，那种叫做联机命令接口，也叫交互式命令接口。

值得一提的是，图形界面和命令行外，操作系统还提供了程序接口。

程序接口由一组系统调用（system call）组成，允许应用程序间接调用资源。

操作系统的主要特性

除了上面说的六大功能之外，操作系统还有四个特性，分别是：并发、共享、异步和虚拟。

并发（concurrency）

并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统具有并发特性，是指其具有处理和调度多个程序同时执行的能力。

并发和并行（parallellism）是有区别的。并行是两个或多个事件在同一时刻内发生。举例来说，一边吃苹果一边看电视，是并行。在1分钟之内，吃掉苹果、香蕉和橘子，就是并发。

很显然，并发从宏观上看是同时发生的，但从微观上看是分时交替发生的。并发考验的是资源调度的能力，而并行需要硬件的支持，例如采用多核处理器。

共享（sharing）

共享，是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。它分为两种方式，互斥共享和同时共享。

互斥共享，顾名思义，就是不能同时用。仅当某一进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。这类资源称为临界资源或独占资源。计算机系统中的大多数物理设备，都属于临界资源。

同时共享，就是能够多个进程同时用。最典型的设备，就是硬盘。

异步（asynchronous）

说的到异步，就不能不讲同步

白话解释同步与异步：
同步
我给你打个电话, 请你帮忙做件事。
我不挂电话, 站着不动, 一直等你把事情做完。
等你做完了我才挂电话, 然后再做我的事。
你做事时我必须等, 你做完了我才能动。
我只有一个电话, 每次只能打一个电话。

**
异步**

我给你打个电话, 请你帮忙做件事, 但不等你，我挂了电话做自己的事儿 (不被阻塞)。
你做完了你可以通知我，此时我可以做其他的事。

说白了就是，同步操作系统需要等待程序处理完才能做其他事。异步就是让程序做事，不需要等待他完成，现在操作系统去做其他事。

可以看出，同步的效率很低，而异步的效率很高，可以同时做几件事。

操作系统的常见分类

随着技术的发展，现代操作系统已经经历了数十年的演变。

计算机硬件不断升级，用户需求不断增加，系统功能不断迭代，最终导致整个操作系统的架构变得越来越复杂，代码体积也越来越庞大。

以前的操作系统只有几MB，一个软盘就能装得下。现在的操作系统，动辄几个GB，甚至几十GB，DVD光盘都装不下。

针对不同的设备终端类型，以及不同的应用场景，操作系统也出现了细化分的趋势，演变出很多类别。

通常来说，操作系统大致可以分为桌面操作系统、服务器操作系统、移动终端操作系统、嵌入式操作系统、物联网操作系统等类别。

总结

操作系统的核心功能：

• 进程管理
• 内存管理
• 设备管理
• 文件系统管理
• 安全和权限管理
• 交互界面

操作系统的主要特性：

• 并发
• 共享
• 异步

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