ما هو نظام التشغيل (Operating System)؟

اضغط مفتاحًا بينما محرر النصوص مفتوح. ترسل لوحة المفاتيح إشارة كهربائية، ويقرؤها تعريف (driver) داخل نظام التشغيل. يحدّد نظام التشغيل النافذة الموجودة في المقدمة، ويسلّم المفتاح إلى ذلك البرنامج، فيرسم المحرر الحرف. المحرر لا يتواصل مع لوحة المفاتيح إطلاقًا. وحفظ الملف وتشغيل صوت وتحميل صفحة ويب تعمل كلها بالطريقة نفسها: البرامج تطلب، ونظام التشغيل يؤدي العمل مع العتاد.

ماذا يفعل نظام التشغيل

لنظام التشغيل عدد قليل من المهام، وكل برنامج على الحاسوب يعتمد عليها جميعًا:

• تشغيل البرامج (إدارة العمليات). قد يعمل على حاسوب محمول بثماني أنوية معالجة بضع مئات من البرامج والخدمات الخلفية. يعطي مجدول نظام التشغيل كل واحد منها أدوارًا قصيرة على نواة ما، ويبدّل بينها مرات كثيرة في الثانية، فتبدو كلها كأنها تعمل في الوقت نفسه.
• إدارة الذاكرة. يحصل كل برنامج على مساحة عناوين خاصة به. وعندما يقرأ برنامج ذاكرة لا تخصه، يوقفه نظام التشغيل؛ وفي C هذا هو خطأ التجزئة الشهير (segmentation fault).
• تخزين الملفات. يحوّل نظام التشغيل القرص، الذي لا يخزّن إلا كتلًا مرقّمة من البايتات، إلى مجلدات وملفات بأسماء، وهذا مثال نموذجي على التجريد. ويُسمّى هذا التنسيق نظام الملفات: NTFS في Windows، وAPFS في macOS، وext4 في معظم أنظمة Linux.
• التواصل مع العتاد. تترجم التعريفات (drivers) بين نظام التشغيل وكل جهاز: بطاقة الرسوميات، وشريحة Wi-Fi، والطابعة، وكاميرا الويب.
• الشبكات. يطبّق نظام التشغيل بروتوكول TCP/IP، فيستطيع البرنامج فتح اتصال بخادم دون أن يعرف شيئًا عن بطاقة الشبكة.
• الأمان والمستخدمون. الحسابات وكلمات المرور وصلاحيات الملفات تحدد من يستطيع قراءة ماذا أو تغييره.
• واجهة المستخدم. سطح المكتب والنوافذ وشريط المهام، أو صدفة نصية (shell) مثل Bash أو PowerShell.

النواة واستدعاءات النظام

قلب نظام التشغيل هو النواة (kernel). تعمل بتحكم كامل في العتاد، بينما تعمل البرامج العادية في وضع مقيَّد ولا تستطيع لمس الأجهزة مباشرة. وعندما يحتاج البرنامج شيئًا، يُجري استدعاء نظام (system call): طلبًا إلى النواة مثل "افتح هذا الملف" أو "أرسل هذه البايتات" أو "ابدأ عملية جديدة".

في أغلب الأحيان لا ترى استدعاءات النظام لأن لغتك تغلّفها. الدالتان open() وprint() في Python تنتهيان باستدعاءات إلى النواة. وتتيح لك وحدة os إجراءها بشكل شبه مباشر:

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")

يعتمد رقم العملية وعدد الأنوية على الجهاز؛ أما السطر الأخير فيطبع دائمًا File size: 23 bytes. تُرجع os.open واصف ملف (file descriptor)، وهو رقم صغير تستخدمه النواة لتتبّع الملف المفتوح، وترسل os.write إليه 23 بايتًا. وفي C تبدو الطلبات نفسها متطابقة تقريبًا، لأن هذه الدوال أغلفة رقيقة فوق استدعاءات النظام:

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

وفي Linux يمكنك مشاهدة كل استدعاء نظام يجريه برنامج ما بالأمر strace python3 script.py.

أمثلة على أنظمة التشغيل وأنواعها

وإلى جانب هذه الأنظمة متعددة الأغراض توجد أنظمة تشغيل الوقت الحقيقي مثل FreeRTOS وZephyr، التي تعمل على المتحكمات الدقيقة في الأجهزة المنزلية والحساسات والآلات الصناعية وتضمن الاستجابة خلال زمن محدد. وكثير من الأجهزة الصغيرة تشغّل أنظمة مدمجة مبنية لغرض واحد.

يُظهر الجدول أن نواة واحدة يمكن أن تشغّل منتجات مختلفة جدًا. يستخدم Android وChromeOS كلاهما نواة Linux مع برمجياتهما الخاصة فوقها، ويتشارك iOS نواته مع macOS.

لماذا يهمّك نظام التشغيل عندما تبرمج

البرنامج المترجَم يُبنى لنظام تشغيل واحد. ملف .exe الخاص بـ Windows لا يعمل مباشرة على Linux، حتى على الحاسوب نفسه، لأن صيغة الملف واستدعاءات النظام مختلفة. لهذا تعرض صفحات التنزيل نسخًا منفصلة، ولهذا توجد بيئات تشغيل مثل JVM وNode.js وCPython: تُبنى مرة لكل نظام تشغيل حتى لا يضطر كودك إلى ذلك. راجع بيئة التشغيل.

ومع ذلك تتسرّب فروق صغيرة. شغّل هذا الكود وقارن النتيجة مع صديق يستخدم نظامًا آخر:

import os

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

على Linux وmacOS يطبع:

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

وعلى Windows يكون الفاصل '\\' (شرطة مائلة عكسية واحدة)، ونهاية السطر '\r\n'، ويصبح المسار projects\notes\todo.txt. استخدام os.path.join (أو pathlib) بدلًا من كتابة / يدويًا هو ما يُبقي السكربت يعمل على الأنظمة الثلاثة.

مفاهيم خاطئة شائعة

• "Linux نظام تشغيل." بدقة، Linux نواة. وتوزيعة Linux مثل Ubuntu تضيف الصدفة وأدوات النظام ومدير الحزم، وعادةً سطح مكتب، لتكوّن نظام تشغيل كاملًا. وفي الكلام اليومي يُسمّى الاثنان Linux.
• "BIOS جزء من نظام التشغيل." برنامج BIOS أو UEFI الثابت (firmware) موجود على اللوحة الأم. يفحص العتاد ثم يحمّل نظام التشغيل من القرص، وبعدها تنتهي مهمته الرئيسية.
• "سطح المكتب هو نظام التشغيل." سطح المكتب برنامج واحد فوق النواة. والخوادم تعمل عادةً بلا سطح مكتب إطلاقًا، ويُتحكَّم فيها عبر صدفة نصية فقط.
• "التطبيقات تتواصل مع العتاد." البرامج العادية ممنوعة من ذلك. كل قراءة ملف، وكل حزمة شبكة، وكل بكسل على الشاشة يمر عبر نظام التشغيل، ولهذا لا يُسقط التطبيق المنهار الحاسوب كله معه عادةً.

إلى أين بعد ذلك

نظام التشغيل هو الطبقة السفلى؛ وبيئة التشغيل تقع بينه وبين كودك. حماية الذاكرة هي ما ينتج خطأ التجزئة، وصفحة البايت تشرح الوحدة التي يستخدمها نظام التشغيل للملفات والذاكرة. وللتحكم في نظام تشغيل عبر صدفته النصية، جرّب دورة الطرفية.