操作系统是什么？

打开一个文本编辑器，按下一个键。键盘发出一个电信号，操作系统里的驱动程序读取这个信号。操作系统判断出当前哪个窗口在最前面，把这个按键交给那个程序，编辑器再把字母画出来。编辑器从头到尾都没有和键盘直接打交道。保存文件、播放声音、加载网页也是一样：程序提出请求，操作系统去和硬件完成实际的工作。

操作系统做什么

操作系统有几项主要工作，电脑上的每个程序都依赖这些工作：

• 运行程序（进程管理）。 一台 8 核 CPU 的笔记本电脑上，可能同时运行着几百个程序和后台服务。操作系统的调度器让每个程序轮流在某个核心上运行一小段时间，每秒切换很多次，所以它们看起来像是同时在运行。
• 管理内存。 每个程序都有自己私有的地址空间。程序一旦读取不属于自己的内存，操作系统就会把它停下来；在 C 语言里，这就是著名的段错误。
• 存储文件。 磁盘只能存储编了号的字节块，操作系统把它们组织成文件夹和有名字的文件，这是抽象的典型例子。这种组织格式叫作文件系统：Windows 上是 NTFS，macOS 上是 APFS，大多数 Linux 系统上是 ext4。
• 和硬件通信。 驱动程序在操作系统和每个设备之间做翻译：显卡、Wi-Fi 芯片、打印机、摄像头。
• 网络。 操作系统实现了 TCP/IP，所以程序不需要了解网卡的任何细节，就能和服务器建立连接。
• 安全和用户。 账号、密码和文件权限决定了谁能读取或修改什么。
• 用户界面。 桌面、窗口和任务栏，或者 Bash、PowerShell 这样的文本 shell。

内核和系统调用

操作系统的核心是内核。内核拥有对硬件的完全控制权，而普通程序运行在受限模式下，不能直接操作设备。程序需要什么的时候，就发起一次系统调用：向内核提出请求，比如“打开这个文件”“发送这些字节”或“启动一个新进程”。

大多数时候你看不到系统调用，因为编程语言已经把它们封装好了。Python 的 open() 和 print() 最终都会调用内核。os 模块让你几乎可以直接发起系统调用：

import os
import platform

print("Operating system:", platform.system())
print("My process ID:", os.getpid())
print("CPU cores:", os.cpu_count())

# Ask the OS to create a file and write bytes into it
fd = os.open("note.txt", os.O_WRONLY | os.O_CREAT | os.O_TRUNC)
os.write(fd, b"saved by a system call\n")
os.close(fd)

print("File size:", os.path.getsize("note.txt"), "bytes")

进程 ID 和核心数取决于具体的机器；最后一行总是打印 File size: 23 bytes。os.open 返回一个文件描述符，也就是内核用来跟踪这个已打开文件的一个小整数，os.write 把 23 个字节写入它。在 C 语言里，同样的请求写出来几乎一模一样，因为这些函数只是对系统调用的一层薄薄的封装：

int fd = open("note.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
write(fd, "saved by a system call\n", 23);
close(fd);

在 Linux 上，你可以用 strace python3 script.py 查看一个程序发起的每一次系统调用。

操作系统的例子和类型

除了这些通用系统，还有 FreeRTOS、Zephyr 这样的实时操作系统，它们运行在家电、传感器和工业设备的微控制器上，保证在固定时间内作出响应。许多小型设备运行的是为单一用途打造的嵌入式系统。

从表中可以看出，同一个内核可以支撑完全不同的产品。Android 和 ChromeOS 都使用 Linux 内核，再在上面加上各自的软件，而 iOS 和 macOS 共用同一个内核。

编程时为什么要关心操作系统

编译好的程序是为某一个操作系统构建的。Windows 的 .exe 不能在 Linux 上原生运行，哪怕是同一台电脑也不行，因为文件格式和系统调用都不一样。所以下载页面会提供不同的版本，这也是 JVM、Node.js 和 CPython 这类运行环境存在的原因：它们为每个操作系统各构建一次，你的代码就不必这样做了。参见运行环境。

不过，一些小差异还是会暴露出来。运行下面的代码，再和用其他系统的朋友对比一下：

import os

print("Path separator:", repr(os.sep))
print("Line ending:", repr(os.linesep))
print(os.path.join("projects", "notes", "todo.txt"))

在 Linux 和 macOS 上，它打印：

Path separator: '/'
Line ending: '\n'
projects/notes/todo.txt

在 Windows 上，分隔符是 '\\'（一个反斜杠），换行符是 '\r\n'，路径变成 projects\notes\todo.txt。用 os.path.join（或 pathlib）代替手动输入 /，脚本才能在这三种系统上都正常运行。

常见误解

• “Linux 是一个操作系统。” 严格来说，Linux 是一个内核。Ubuntu 这样的 Linux 发行版加上了 shell、系统工具、包管理器，通常还有桌面，才构成一个完整的操作系统。日常说法里，两者都叫 Linux。
• “BIOS 是操作系统的一部分。” BIOS 或 UEFI 固件存放在主板上。它检查硬件，然后从磁盘加载操作系统，之后它的主要工作就完成了。
• “桌面就是操作系统。” 桌面只是运行在内核之上的一个程序。服务器通常完全没有桌面，只通过文本 shell 来控制。
• “应用程序直接和硬件打交道。” 普通程序不允许这样做。每一次读文件、每一个网络数据包、屏幕上的每一个像素都要经过操作系统，所以一个应用崩溃了，通常不会把整台电脑一起拖垮。

下一步学什么

操作系统是最底层；运行环境位于它和你的代码之间。内存保护机制正是产生段错误的原因，字节这一页讲解了操作系统用来衡量文件和内存的单位。想通过文本 shell 来操作操作系统，可以试试终端课程。