微軟創辦人 比爾蓋茲，便是以作業系統（例： Windows）起家，接下來要介紹「作業系統」的基本概念和不同系統間的資源分配、管理方式

在開始之前，先說明一些專有名詞的意思

專有名詞介紹

Process（行程/程序）

代表正在執行中的程式（Program），又可以叫做job（非正式名稱）
Program：沒有被執行的程式，通常沈睡在你的硬碟裡，等待被啟動。一但被啟動，就會進入記憶體裡，此時這樣的 program 就稱為 process

CPU Scheduling（CPU排班）

CPU 藉由適當的排班方式，可以在不同的行程之間來回轉換執行。最主要的目的是讓電腦的系統隨時都能夠保有一個行程（process）在系統內執行，提高 CPU 利用率
十個工作在記憶體內等待被執行，今天要挑哪個工作來執行，採用哪種 CPU 排班程式，像是「先進先出」、「依序循環排班」、「優先權排班」等，後面會寫文章來介紹

Context Switching （內容轉換; 文本交換）

當 CPU 的使用權由一個行程轉換到另一個行程時，必須將舊的 Peocess 的相關資訊儲存在記憶體中，並且把新的 Process 的相關資訊載入到系統中，這個置換工作就稱為「內容轉換」。「內容轉換」的時間能夠縮得越短越好

Virtual Memory (虛擬記憶體)

像是我電腦的記憶體只有8G，但我今天要載入一個遊戲需要 16G，那要怎麼辦？
這時虛擬記憶體就派上用場了，允許 Program Size 大於實際記憶體大小，而 Program 仍能正常執行
但缺點是程式執行起來會卡卡的

▋作業系統(Operating System，OS)是什麼

以「使用者」的觀點來看，作業系統可以說是個程式的集合，扮演使用者(User)和電腦硬體(Hardware)之間的中間人，並且提供使用者一個方便又有效率的環境，使其能夠執行程式（Program）。

由上述可以知道，作業系統服務的對象有兩個：

1. User
2. Program

以「系統」的觀點來看，作業系統是一個資源分配者（Resource Allocator），負責分配資源給有需要用的程式和使用者

每執行一個程式，其實都會去搶奪並佔用電腦資源，在這過程常會有衝突產生，那作業系統就是負責解決這些硬體資源使用上的衝突，使硬體資源可以公平且有效的被利用
此外，作業系統還能對 program 進行監控，由於 program 是人寫的，就可能會有bug，為了防止不正常的運作造成對系統的危害
由上述可以知道，作業系統可以分為兩個角色

1. 資源分配者
2. 監控者

任何一個電腦系統大致可以分為三個部分

1. 硬體（CPU、記憶體、輸入輸出等）
2. 作業系統
3. 應用軟體（像是文書處理軟體、編譯器等）

▋作業系統負責的工作？

作業系統中，最重要的就是常駐在記憶體的核心程式 - kernel，核心程式的主要工作是管理作業系統，負責把其他部分的作業系統（非常駐程式）在必要時從磁碟載入到記憶體。像是當我們電腦「開機」時，核心程式就會負責把其他作業系統載入到記憶體中

中央處理器的管理

前面的章節有提到中央處理器就是電腦的心臟，所有的程式都會需要經過處理器運算，當多個程式“同時”要使用處理器時，「作業系統」會依照優先順序讓 CPU 充分發揮其功能，提高使用效率。

以下舉兩個例子來說明不同情境：
狀況一： 有一個程序(Process)處於等待的狀況（像是等待使用著的輸入），這時候「作業系統」也不會讓 CPU 閒著，會讓它去處理別的 Process 的運算。

狀況二：如果突然有一個 Process 的優先順序較目前 CPU 在運算的程序高時，「作業系統」就會把 CPU 搶過來給優先序較高的 Process 使用！ CPU 真的是一刻都不能閒啊 💦

記憶體管理

每台電腦都會有一個有限的記憶體，不可能無限制的使用，如何把記憶體的資源進行合理的分配，使每一個 Process 都能被滿足，也是「作業系統」的首要任務啊！！
作業系統在分配記憶體時，必須要讓每個 Process 都能獨立執行，同時也要讓每個程序共享公共的程序和資料，避免重複的程式和資料佔用記憶體資源
真的很斤斤計較喔～

假設我的電腦記憶體只有8Ｇ，但我今天要載入一個遊戲需要 16G，那要怎麼辦？
這時虛擬記憶體就派上用場啦！它會由「作業系統」定址後作為 RAM 使用，允許 Program Size 大於實際記憶體的大小下， Program 仍能正常執行。缺點就是它的效能沒那麼好

檔案管理

由於主記憶體容量有限，因此大部分的程序和資料甚至是「作業系統」本身都是儲存在輔助記憶體上，如何標示這些資料檔案，有條理的組織這些訊息，讓檔案能夠順利的被存取和控制，也是「作業系統」的工作之一

周邊設備管理

像是輸入、輸出設備（I/O）都是周邊設備，作業系統還要負責控制輸入與輸出裝置，並且提供簡易的使用者圖形化介面程式（GUI，Graphic User Interface) 。舊的「作業系統」通常不會有 GUI 介面，而是以命令列介面（CLI）加上鍵盤為輸入裝置

程序管理

在作業系統中，每一個程序（Process）都會對應一個程序控制表（Process Control Block, PCB），又叫「過程控制段」，是作業系統核心中一種資料結構，主要用來記錄該程序的狀態和資訊。當程序進入系統後，就會被放到工作佇列(Job Queue)，它位在主記憶體（RAM）中。而等待被執行的程序則會放在就緒佇列(Ready Queue)中。
作業系統必須不間斷的將程序交給 CPU 進行運算（好忙啊～

熱門的作業系統

大家應該都不會太陌生，畢竟現在幾乎人手一台手機甚至是電腦，作業系統跟我們的生活其實緊密相扣！
像是手機的作業系統有 Android/iOS/ChromeOS 等; 筆電的作業系統有 Windows、macOS、Linux 等
而 macOS 和 iOS 看起來外觀和介面都不太一樣，但其實他們的作業系統核心是一樣的喔！都是基於 Darwin 核心所建構起來的作業系統

此外，這裡來簡單的介紹一下 Linux 這個作業系統

Linux 最早的創始人 - 林納斯·托瓦茲（Linus Benedict Torvalds)，當時還在芬蘭讀大學的他，在 1991 年時發表了 Linux0.02 版本，受到廣大的迴響，隨後便發起了開源專案（Open Source），擔任 Linux 核心的首要架構師與專案協調者。開源專案就是任何人都可以免費的使用 Linux 所有底層原始碼，也可以自由的修改和再發布。由於 Linux 的開放性，使它逐漸成長了起來！

Linux 有以下特點：

• 是一個模組化的類Unix作業系統
• 支援數十種檔案格式
• 多工、多用戶的作業系統
• 開放原始碼，任何人都可以對系統進行改善
• 支持多種語言，包括PHP，Perl，Ruby，Python等，使用多樣、自由

總結

對於大型系統而言，為了要讓很多使用者使用，「作業系統」必須優先考慮效能並分配好使用的資源; 對於個人電腦而言，大部分的使用者都是單一的，因此除了要考慮效能外，資源的分配就顯得沒那麼重要; GUI 圖形化介面為了提供一個友善的操作介面，只好犧牲一點效能。總之，在不同的場景中，作業系統需因時制宜，使用不同作業系統來滿足需求

參考資料

1. 【杰哥數位教室】作業系統簡介
2. wikipedia