什么是操作系统？

用户通过用户界面 (UI) 与操作系统进行交互，用户界面以操作系统能够理解的语言发出命令。用户界面可以是图形用户界面（GUI），也可以是命令行界面（CLI）。数十亿人依赖操作系统作为底层管理系统，用于发送电子邮件、浏览互联网、玩电子游戏等任务。

所有计算机系统（从大型机到台式机再到移动设备）都需要至少一个操作系统来执行任务、运行应用程序和与硬件交互。

根据 Statista 的一份报告，Microsoft Windows 是全球使用最广泛的操作系统，占据台式机、平板电脑和游戏机操作系统市场 67% 的份额。¹Apple macOS 在这一类别中排名第二。

在移动操作系统类别中，Android 以约 72.04% 的市场份额处于领先地位，而 Apple 的 iOS 则以 27.49% 的市场份额排名第二。²

在开源软件领域，Linux 是最受欢迎的，因其灵活性和安全性而受到组织和个人的广泛青睐。

操作系统 (OS) 的历史始于需要定制系统软件进行任务管理的早期计算机。最初的操作系统简单且以批处理为导向，随着硬件和软件的进步，操作系统逐渐发展以支持多任务处理和交互式界面。

20 世纪 50 年代集成电路 (IC) 的发明催生了微芯片，微芯片提高了处理能力并减小了计算机体积，使得更复杂的任务成为可能。1964 年，IBM 为其 IBM System/360 引入了依赖汇编编程语言的 OS/360。OS/360 在其大型机上实现了软件的标准化，影响了未来操作系统的设计。此外，OS/360 还是第一个多道程序操作系统，它能够在单处理器机器上同时运行多个程序。

随着时间的推移，OS/360 逐渐演变为 z/OS，即面向 IBM 大型机的现代操作系统。（如今的 IBM z 系列大型机也可在 Linux 和 z/TPF 上运行，一台大型机通常可以同时运行多个操作系统。）

20 世纪 60 和 70 年代，分时操作系统 Unix 的开发为现代操作系统开创了重要先例，引入了多任务、可移植性和分层文件系统等概念；这些概念是当今系统的基础。

20 世纪 80 年代末和 90 年代，图形处理单元 (GPU) 被引入以处理图形处理。随着 GPU 发展到支持通用计算，尤其是在 21 世纪初，包括 Apple 和 Microsoft 在内的公司开始将 GPU 更深入地集成到自己的操作系统中。如今，GPU 已成为大多数计算系统的标准特性，为从游戏、多媒体、科学计算到机器学习 (ML) 的一切功能提供支持。

随着对更高效率和可扩展性需求的增长，特别是在云计算领域，诸如虚拟化和容器化之类的创新技术应运而生。虚拟化允许在一台物理机上运行多个虚拟机 (VM)。虚拟机监控程序管理这些虚拟机，它就像一个轻量级操作系统，通过处理资源管理和内存分配来管理虚拟机，而无需完整的操作系统支持。VMware 被认为是虚拟化和虚拟机监控程序市场的领导者。

容器化技术在虚拟化的基础上进一步发展，提供了一种更轻量级的方法来运行隔离的应用程序。与 VM 不同， 容器 并不包含操作系统的完整副本。相反，容器运行时引擎（例如 Docker）安装在主机系统的操作系统上，充当所有容器共享同一操作系统的接口。这种能力使得容器能够虚拟化操作系统，让应用程序及其依赖项能够在单个操作系统上独立运行，从而提高了资源效率。

在单用户和企业环境中，操作系统 (OS) 负责管理和协调硬件和软件，为用户提供可以有效交互的环境。在企业设置中，操作系统支持更大规模的运营，以支持整个组织的多个用户、进程和服务，包括以下内容：

• 进程管理：操作系统管理多个进程和线程的执行，包括进程间的调度、同步和通信等任务。用户应用程序通过系统调用与操作系统进行交互，以创建、管理和终止进程，并辅助进程间通信。例如，在以集成为中心的业务流程管理 (BPM) 中，操作系统在保证各个软件系统之间的顺畅交互方面发挥着关键作用。当 IT 团队或系统操作员将 CRM 系统与其他企业应用程序集成时，该操作系统可以管理 API，分配资源并保护数据流，从而在最少的人为干预下实现流程自动化。

• 内存管理：操作系统分配和控制计算机内存。它确保程序有足够的资源来运行而不会干扰其他程序。它能有效地处理主内存 (RAM) 和辅助存储（硬盘驱动器、固态硬盘），根据需要使用分页和交换功能在它们之间移动数据。

• 文件系统管理：操作系统负责组织和检索文件，管理目录、文件命名和权限。它通过数据验证、校验和以及纠错码等机制确保数据完整性。

• 设备管理：操作系统管理输入/输出 (I/O) 设备（例如键盘、磁盘驱动器、打印机、显示器），并为软件提供与硬件组件交互的接口。在虚拟环境中，这包括虚拟机、虚拟交换机等。

• 安全和访问控制：操作系统执行安全协议，包括身份验证、加密和设置用户权限，确保只有经过授权的人才能访问计算机资源。

• 网络功能：操作系统管理网络，使计算机能够通过局域网或互联网进行通信，并处理 TCP/IP 等协议。

• 错误检测与处理：操作系统会监控与软件和硬件相关的错误，并提供报告和从中恢复的机制。

• 资源分配：操作系统会有效地分配中央处理器 (CPU) 时间、内存和 I/O 设备等资源，以便实现最佳系统性能。

• 系统性能监控：操作系统会追踪系统性能（例如，内存使用情况、正在运行的进程、系统日志），并通过调整进程或资源来提高效率。

操作系统由多个核心组件组成，它们共同作用以确保系统的功能和效率：

• 内核

• 流程调度程序

• 内存管理器

• 输入/输出管理器

• 文件系统管理器

• 用户界面

根据操作系统所具备的特征、功能以及与不同硬件和软件应用程序的兼容性，操作系统可以分为多种类型。其中包括：

• 嵌入式操作系统

• 分布式操作系统

• 实时操作系统

• 网络操作系统

• 集群操作系统

嵌入式操作系统是专为管理智能手机、汽车系统和家用电器等专用设备中的硬件资源而设计的。与通用操作系统不同，嵌入式操作系统针对资源受限环境下的性能效率与可靠性进行了优化。嵌入式操作系统通常体积小巧，用户界面极简，并且被设计为能够持续或实时地运行特定应用程序。

分布式作系统协调多台独立的计算机，以作为一个统一的系统协同工作。它允许共享不同机器上的资源，为用户和应用程序提供单一、透明的界面。操作系统管理各个节点之间的通信、数据共享和任务同步，确保用户可以与系统交互，而无需担心资源的物理分布。

例如，Google File System (GFS) 是 Google 分布式系统架构的一部分，它可使数据分布在众多服务器上，并确保高可用性和容错能力。

实时操作系统 (RTOS) 旨在处理具有精确定时约束的时间敏感型任务。在 RTOS 中，系统保证关键流程在特定时间范围内完成，确保可预测性和稳定性。

此类操作系统被应用于工业自动化、机器人技术和医疗设备等领域，这些领域依赖于控制系统，而任何延迟或故障都可能带来严重后果。VxWorks 等实时操作系统常被用于航空航天和国防领域的嵌入式系统中，因为在这些领域，实时响应对于安全性和性能至关重要。

网络操作系统 (NOS) 是管理和协调网络中连接的多台计算机的硬件和软件资源的软件。它支持设备间通信、跨网络的文件共享和资源管理。

网络操作系统 (NOS) 通常具备网络安全性、用户认证和集中化管理等功能，使系统管理员能够控制所有连接设备的访问权限并配置相关设置。网络操作系统的示例包括 Microsoft Windows Server、Cisco IOS 和 macOS Server。

集群操作系统管理一组互连的计算机（节点），这些计算机（节点）像单个系统一样协同工作以执行任务。这些系统通常用于高性能计算 (HPC) 环境（如网络托管、科学研究），在节点之间提供负载均衡、容错和性能共享。集群操作系统允许用户通过组合多台机器来扩展计算能力，从而提高整体系统可靠性和性能。

市面上存在数百种操作系统，它们服务于从个人计算和移动设备到企业和云环境等广泛的目的。以下是一些最为常见的操作系统：

• Linux

• macOs

• iOS

• Android

Linux 是一种开源操作系统，广泛应用于台式机、服务器和嵌入式系统中。它在服务器管理、云基础设施和软件开发方面尤其受欢迎。

Red Hat Enterprise Linux (RHEL) 和 SUSE Linux Enterprise Server (SLES) 等著名的企业版本因其稳定性和支持而通常用于商业环境。

此外，还有许多 Linux 发行版适用于各种用例，包括 Ubuntu、Fedora 和 Debian。这些发行版使 Linux 具有高度的通用性，适合个人计算机的使用、开发和专门化应用程序。

Microsoft Windows 是全球个人和企业使用最广泛的操作系统之一。它以用户友好的界面和多功能性而闻名，支持各种软件应用程序，从 Microsoft Office 等生产力工具到游戏、工程和设计专用程序。

macOS（以前称为 OS X）是一种类 Unix 的专有操作系统，专为在苹果的台式机、笔记本电脑和工作站（例如 iMac、MacBook、MacBook Pro）上运行而设计。MacOS 在创意产业的专业人士中尤其受欢迎，因为它在图形设计、视频编辑、音乐制作和软件开发等领域表现出色。

Apple iOS 是是一种专有的移动操作系统，运行在 Apple 的移动设备上，如 iPhone 和 iPad。

Android 是由 Google 开发的一款开源移动操作系统，广泛用于个人和企业智能手机设备。

AI 操作系统市场正迎来显著增长。根据 Knowledge Sourcing Intelligence 的研究预测，该市场规模将从 2024 年的 124.96 亿美元增长至 2029 年的 292.97 亿美元，年复合增长率为 18.58%。³

在企业环境中，人工智能驱动的操作系统利用机器学习和自动化技术来预测用户行为、优化资源分配，并实时适应不断变化的工作负载。自修复功能通过自动检测和解决问题来减少停机时间，而人工智能驱动的安全系统则能够识别并缓解网络威胁，确保企业数据得到保护。

Windows 和 macOS 等领先操作系统采用 AI 来优化资源管理，增强安全性（例如 Windows Defender Face ID）并提供个性化的用户体验。