概述
操作系统具有四个特征：并发、共享、虚拟、异步。其中前两者是共生的。
并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。这是最根本的特性。
TIP
并行指两个或多个事件在同一时刻同时发生。与并发不一样。
TIP
单核 CPU 同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行。而多核 CPU 可以并行运行多个程序。
由于操作系统是伴随着多道程序技术出现的，因此其与程序并发是一起诞生的。
共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。它分为两种方式：互斥共享方式（一个时间段内只允许一个进程访问该资源）和同时共享方式（允许一个时间段有多个进程同时对它们进行访问）。
这里的“同时”是宏观的。
虚拟是把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。常见的虚拟化技术有内存虚拟化（空分复用）、处理器虚拟化（时分复用）。
异步是指在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是以不可预知的速度向前推进。
操作系统的发展与分类
手工操作阶段
程序员将纸带送入纸带机（输入），这占据了很大部分的时间，期间处理机一直闲置。只用很短的时间，结果就运算出来了。输出到纸带上又花了很多时间。
但机器同时只能为一个人服务，且不能打断；处理机的时间利用率也很低......
批处理阶段：单道批处理系统
引入脱机输入/输出（外围机 + 磁带），并由监督程序负责控制作业的输入/输出。
外围机能够提前读取纸带，并写入到高速磁带里；处理机会读取磁带，并将结果写入磁带；外围机将磁带里的结果写入到纸带上。
但任务仍然是线性执行的，每个任务结果被写入到磁带后，才会读取下一个任务。I/O 仍然占据大量时间。
多道批处理系统
监督程序更智能了，它会令输入端尽可能一直处于忙碌状态：每读完一个任务到磁带，就会紧接着读下一个任务到磁带，直到没有任务。此时资源利用率大幅提升。
但在多道批处理系统中，用户不能随时掌握任务的进行状态，灵活性欠佳。即不能调试程序、不能在程序运行时输入参数（交互）。
分时操作系统
计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。
当时间片足够短时，用户感到自己的请求如同被实时响应——解决了人机交互问题。进一步的，多个用户可以使用同一台计算机，且不会感受到彼此的存在。
实时操作系统
实时操作系统能够优先相应一些紧急任务，某些紧急任务不需要排队。任务要在严格的时限内处理完（硬实时，否则是软实时）。
如导弹控制系统、自动驾驶系统，都属于硬实时系统。对任务既要求效率，也要求正确性。
其他
现在还有很多类型的操作系统，如网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统......
操作系统的运行机制
TIP
若无特别说明，下面的指令都是指二进制指令、机器指令。
操作系统中最核心的功能由内核程序（内核）实现，所有更高层的功能都要依赖内核才能运行。内核本身具有最高权限，能够执行一些不对用户开放的指令。
指令的内容和权限级别被硬编码在 CPU 里，因此 CPU 总是知道指令的类型。为了区别发出指令的对象，CPU 有两种状态：内核态（核心态、管态）和用户态（目态）。处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，才能允许执行特权指令。
TIP
CPU 中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，来区分内核态或用户态。
切换状态的指令本身是特权指令，因此应用程序无权切换状态，这是由内核控制的。
操作系统在运行应用程序时，会将内核态修改为用户态，并主动让出 CPU 使用权。
如果 CPU 在用户态收到特权指令请求，则会发出中断信号——CPU 控制权随即转交到处理中断信号的内核程序，当前应用程序中止。即操作系统通过中断信号重新夺取 CPU 控制权。处理完后，再把 CPU 使用权交给别的应用程序。
中断信号分很多种，只要是需要操作系统介入，都可以去触发中断信号。
中断和异常
中断是让操作系统内核夺回 CPU 使用权的唯一途径。如果没有中断机制，一个应用程序就会一直运行，即不能实现任务并发。
中断分为内中断（来自 CPU 内部）和外中断（来自 CPU 外部）。
上一节提到的，用户态 CPU 遇到特权指令产生的中断由 CPU 自发产生，属于内中断。任何非法指令或导致非法结果的指令都会引发内中断，其本质是终止指令。
若应用程序需要调用内核服务，会执行陷入指令，这也会触发一个内部中断信号。应用程序通过陷入指令主动将 CPU 还给操作系统。
时钟部件每隔一个时间片会向 CPU 发送一个时钟中断信号，提醒其切换任务。而处理中断信号的内核程序就会打断当前应用程序。I/O 设备在读写任务执行到关键点时也会向 CPU 发送中断，提示其对数据做出响应。这些就属于外中断。
由于中断具体上分很多种，所以会有很多不同的处理程序。这被记载在中断向量表中：
| 中断信号类型 | 中断处理程序指针 |
|---|---|
| 0 | 0x00001000 |
| 1 | 0x00001100 |
| ... | ... |