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Le système d'exploitation opère de nombreuses actions sur demande des logiciels applicatifs. Le point de contact entre un logiciel applicatif et le système d'exploitation est appelé interface de programmation (anglais Application Programming Interface abrégé API). Ce peut être des fonctions mises à disposition dans des bibliothèques logicielles, ou des logiciels serveur qui répondent aux requêtes envoyées par les logiciels applicatifs. L'utilisation de la même interface de programmation quel que soit le matériel, le protocole ou le système de fichier concerné assure la portabilité des logiciels applicatifs : un logiciel applicatif donné pourra fonctionner sur différents ordinateurs, quelle que soit leur configuration, en particulier quel que soit le matériel, le système de fichier ou le protocole utilisé.
Acronyme de l'anglais Portable Operating System Interface, POSIX est une norme relative à l'interface de programmation du système d'exploitation. De nombreux systèmes d'exploitation sont conformes à cette norme, notamment les membres de la famille Unix. L'ordonnanceur (anglais scheduler) est le programme du système d'exploitation qui contrôle le déroulement des autres programmes. Dans un système d'exploitation multitâches l'ordonnanceur assure l'exécution simultanée de plusieurs programmes (concurrence).
L'exécution simultanée de plusieurs programmes est exécutée de la manière suivante : l'ordonnanceur commande l'exécution à tour de rôle de chaque programme par le ou les processeurs de l'ordinateur, chaque processeur exécute les instructions d'un programme pendant une fraction de seconde, puis l'ordonnanceur effectue une commutation de contexte (anglais context switch), suspend l'exécution du programme en cours et passe au programme suivant.
Les systèmes informatiques sont typiquement composés de nombreux programmes qui coopèrent en s'échangeant des informations. Les échanges d'informations entre les processus (programmes en cours d'exécution) peuvent se faire à l'aide de messages stockés en mémoire, le système d'exploitation s'occupant de collecter les messages et les mettre à disposition de chaque destinataire. Tout processus qui attend un message sera interrompu jusqu'à l'arrivée d'un message et l'ordonnanceur évitera toute commutation de contexte vers un processus en attente.
Le système d'exploitation s'assure également que les processus qui partagent un espace de stockage commun (en lecture ou écriture) ne se trouvent pas en situation de compétition, c'est-à-dire dans une situation où le résultat d'une opération dépend de l'ordre dans lequel les processus accèdent à l'espace partagé.
Les fonctions du système d'exploitation qui contrôlent l'utilisation de la mémoire vont en particulier suivre l'utilisation de la mémoire, quels emplacement sont libres, sont utilisés, et par qui2. Ces fonctions vont également décider quel programme reçoit de la mémoire, quand et quelle quantité est mise à disposition et récupérer la mémoire qui était utilisée par un programme après son exécution, que le programme se soit arrêté volontairement ou accidentellement.