作業系統（OS）是什麼？它在電腦和手機裡做些什麼

生活中的例子

手機跳出「有軟體更新」。電腦打開電源，先出現標誌，再出現登入畫面。App的說明寫著「支援Windows 11」。在這些場合出現的，就是「作業系統」。

作業系統是我們每天在用、卻很少注意到的軟體。這篇文章會一項一項來看它在背後做的工作。

作業系統是介於「零件」和「App」之間的軟體

電腦由CPU、記憶體等零件，以及在上面執行的程式組成。摸得到的零件稱為「硬體」。程式則稱為「軟體」。

軟體大致可分成2種。像郵件、相片、遊戲這樣，用來做人想做的事的，是「App」（應用程式）。另一方面，替App打好基礎、讓它能使用零件的，就是「作業系統」。英文是Operating System，簡稱OS。

App不論是在螢幕上顯示圖像，還是儲存檔案，都不會直接操作零件。它會請作業系統「幫我做這件事」，再由作業系統操作零件。有了這個機制，寫App的人就不必在意零件之間的細微差異。

代表性的作業系統，電腦有Microsoft的Windows、Apple的macOS，以及Linux。手機則有Google的Android和Apple的iOS。

電鍋或汽車的控制用電腦裡，有時也裝有小型的作業系統。其中多數重視「一定要在規定時間內做出反應」，稱為即時作業系統。

作業系統的中心：「核心」

作業系統裡，有一個一直放在記憶體中、一手包辦零件管理的中心部分。這稱為「核心」（英文kernel），原意是果實的「核」或「中心」。請注意，它和CPU裡的「核心」（英文core）是不同的東西，只是中文剛好同名。

「作業系統」這個詞有廣義和狹義兩種用法。廣義指核心，加上主畫面、設定畫面等一開始就附帶的軟體的整體。狹義則只指核心。這篇文章主要用廣義。

不同的作業系統，有時是以同一個核心為基礎。根據Android的官方資料，Android的核心是以Linux的核心為基礎做成的。另外，根據Apple公開的說明，macOS和iOS都使用名為XNU的核心。

工作①：讓許多App輪流使用CPU

一邊聽音樂一邊看網頁，還能收到新郵件的通知。看起來許多App是同時在執行。但是，CPU裡執行指令的部分稱為「CPU核心」。1個CPU核心在某一瞬間能執行的程式，基本上只有1個。

作業系統會把執行中的程式一個一個區分開來管理。這種「執行中的程式」稱為「行程」。1個App也可能分成好幾個行程來執行。

作業系統讓各個行程輪流使用1個CPU核心，每次只用以毫秒（千分之一秒）為單位的極短時間。因為切換非常快，人看起來就像全部同時在執行。決定讓哪個行程、在什麼時候、用多久的工作，稱為「排程」。

輪替時，作業系統會儲存前一個行程進行到哪裡，再讀入下一個行程接下來的狀態。這種替換稱為環境切換。儲存和讀入也要花一點時間，所以輪替切得太細，浪費就會變多。

其實，多數行程大部分時間都在等待鍵盤輸入或網路傳來的資料。作業系統不讓只是在等待的行程使用CPU核心，而是把順序讓給馬上能執行的行程。現在的CPU有好幾個核心，所以也有真的同時在執行的行程。即使如此，行程的數量通常遠多於CPU核心的數量，順序的管理還是不可或缺。

即使在1個行程裡，也能把工作分成幾條流程同時進行。這每一條流程稱為「執行緒」。

工作②：把記憶體分配給各個App

記憶體有位址（位置的編號），程式會指定位址來讀寫資料。如果所有App都能自由使用同樣的位址，就會出問題。因為某個App的錯誤，可能會改寫掉別的App的資料。

所以，作業系統會替每個App準備專用的位址空間。每個App都能像獨占記憶體一樣執行。App使用的是表面上的位址，要放在實際記憶體的哪裡，由作業系統決定。這種機制稱為虛擬記憶體。

表面上的位址和實際位置的對應，是把記憶體分成固定大小的區塊，再以區塊為單位決定的。這種區塊稱為「頁面」。作業系統替每個App保存一張對應表，記錄「表面上第幾號頁面，實際放在哪裡」。App每次使用位址，CPU都會查這張表，換成實際的位置。

記憶體不夠時，這張對應表也派得上用場。作業系統會把一段時間沒用到的頁面，暫時移到儲存空間，空出記憶體。App要使用被移走的頁面時，CPU會先暫停，並通知作業系統。作業系統把那個頁面讀回來之後，再讓App繼續執行。像這樣以頁面為單位管理、移進移出的方式，稱為「分頁」。

不過，儲存空間比記憶體慢得多，移進移出的次數一多，電腦的動作就會變慢。有些手機的作業系統，不把頁面移到儲存空間，而是關掉背景的App來空出記憶體。詳細內容請看「記憶體和儲存空間有什麼不同？」。

工作③：處理檔案和裝置

儲存空間裡的內容，原本只是一長串巨大的0和1。我們能把有名字的檔案分到資料夾裡保存，是因為作業系統在整理。把檔案的名字，和它在儲存空間裡實際的位置連結起來的管理機制，稱為「檔案系統」。

作業系統也負責處理鍵盤、螢幕、相機、印表機等裝置。不同廠商、不同型號的裝置，操作步驟都不一樣。負責吸收這些差異、每種裝置各自的程式，稱為裝置驅動程式。簡稱「驅動程式」。

接上新的印表機時要「安裝驅動程式」，就是為了教作業系統怎麼操作那台裝置。有了驅動程式，App只要請作業系統「幫我列印」，就能用任何一台印表機列印。

工作④：不讓App任意亂來

就算作業系統在管理零件，如果App能直接動零件，也就沒有意義了。所以，CPU有切換運作模式的機制。作業系統的核心，在什麼都能做的特別模式下執行。這種模式稱為特權模式，也叫「核心模式」。

App則在能做的事受到限制的「使用者模式」下執行。在這個模式下，如果想直接操作裝置，或偷看其他App的記憶體，CPU會擋下來並通知作業系統。通常作業系統會強制結束那個App。

那麼，App想讀檔案時該怎麼辦？App會用規定好的方式，向作業系統提出請求。這時CPU會暫時切換到特權模式，核心確認請求的內容後再執行。這種請求的機制稱為系統呼叫。兩種模式的差異，整理在「使用者模式與核心模式的差異」的表格裡。

手機上的App第一次使用相機或位置資訊時，會問你「是否允許？」。這也是作業系統的工作。作業系統確認使用者是否允許，只讓獲得允許的App使用。電腦也一樣，例如依登入的人區分能看的檔案，由作業系統管理可以使用的範圍（權限）。

工作⑤：畫面與操作的窗口

作業系統也提供人操作電腦的窗口。用滑鼠或手指操作圖示和視窗的方式，稱為「GUI」（圖形使用者介面）。

也有用文字輸入命令來操作的方式，主要用在伺服器的管理等場合。不論哪一種方式，在背後運作的核心都相同。①到④是不會出現在畫面上的幕後工作。

從按下電源到作業系統開始運作

剛打開電源時，記憶體是空的，作業系統也還在儲存空間裡。作業系統開始運作之前，有一場由幾個小程式接力的過程。這裡以電腦為例，簡化來說明。

1. 韌體：一開始就寫在主機零件裡的小程式。它會檢查、準備零件，再從儲存空間找下一個階段。
2. 啟動載入程式：用來載入作業系統的小程式。它把核心從儲存空間讀進記憶體，再把執行交棒出去。
3. 核心：準備好各種裝置，依序啟動需要的程式。最後顯示登入畫面。

電腦的韌體，早期採用稱為「BIOS」的方式。現在多數電腦，是依照它的後繼規格「UEFI」製作的。UEFI是規定韌體和作業系統之間約定的規格，由業界團體UEFI Forum管理。

接力的每個階段，也有機制確認下一個要執行的程式，是否來自可信任的製作者、有沒有被改寫。如果有問題，就在那裡停止開機。這稱為安全開機。目的是防止惡意程式比作業系統更早開始執行。

App為什麼依作業系統而不同

Windows用的App，不能直接在macOS上執行。原因之一，是App向作業系統提出請求的「請求方式」，每個作業系統都不同。

作業系統會規定並公開App能使用的功能，以及呼叫它們的方式。這套約定稱為API。「開啟視窗」「儲存檔案」這類請求的方式，Windows和macOS各不相同。

另一個原因，是CPU能理解的指令種類和表示方式不同。這套規則稱為「指令集」。在指令集不同的CPU上，即使是同一個作業系統，App也不能直接執行。需要重新製作，或是用轉換指令的機制來執行。詳細內容請看「CPU是什麼？」中指令集的段落。

網路服務不論用哪個作業系統都能使用，是因為瀏覽器替我們吸收了各作業系統的差異。

更新為什麼重要

作業系統是非常龐大的程式，難免會留下錯誤。其中有些錯誤，會成為讓有心人士入侵的缺口。這樣的弱點稱為「漏洞」。

作業系統的開發者發現漏洞後，會發布修正過的程式。這就是「安全性更新」。作業系統處在管理一切的位置，漏洞一旦被惡意利用，損害可能會波及整台電腦。

安全性更新會定期發布。Android每個月公開彙整已修正漏洞的安全性公告。Windows的例行更新，在美國時間每月第2個星期二發布（台灣時間已是隔天星期三）。

另一方面，舊的作業系統遲早會停止更新。例如Windows 10，Microsoft已在2025年10月14日終止支援。停止更新的作業系統，新發現的漏洞會一直留著。

常見的誤解

從數字來看

現在使用的作業系統，很多都經過了數十年的改良。Windows從在MS-DOS上執行的軟體開始，之後一邊重新打造內部，一邊延續至今。Linux則是由1位學生起頭，再經許多人之手培育長大。

進一步學習

• 用表格看差異：行程與執行緒的差異、使用者模式與核心模式的差異
• 用數字試試看：CPU排程計算工具（排順序的方法如何改變等待時間）、分頁置換演算法計算工具（要把哪個頁面移到儲存空間）
• 下一步的用語：頁面錯誤、隨需分頁、虛擬機器監視器
• 從基礎讀起：「CPU是什麼？」、「記憶體和儲存空間有什麼不同？」