Was ist ein Betriebssystem?

Drück eine Taste, während ein Texteditor geöffnet ist. Die Tastatur sendet ein elektrisches Signal, und ein Treiber im Betriebssystem liest es. Das Betriebssystem ermittelt, welches Fenster im Vordergrund ist, liefert die Taste an dieses Programm, und der Editor zeichnet den Buchstaben. Der Editor spricht nie direkt mit der Tastatur. Eine Datei speichern, einen Ton abspielen und eine Webseite laden funktioniert genauso: Programme fragen, und das Betriebssystem erledigt die Arbeit mit der Hardware.

Was ein Betriebssystem macht

Ein Betriebssystem hat eine Handvoll Aufgaben, und jedes Programm auf dem Computer hängt von allen ab:

• Programme ausführen (Prozessverwaltung). Auf einem Laptop mit 8 CPU-Kernen können ein paar hundert Programme und Hintergrunddienste laufen. Der Scheduler des Betriebssystems gibt jedem abwechselnd kurze Zeitabschnitte auf einem Kern und wechselt viele Male pro Sekunde, sodass alle gleichzeitig zu laufen scheinen.
• Arbeitsspeicher verwalten. Jedes Programm bekommt seinen eigenen privaten Adressraum. Liest ein Programm Speicher, der ihm nicht gehört, stoppt das Betriebssystem es; in C ist das der berüchtigte Segmentation Fault.
• Dateien speichern. Das Betriebssystem macht aus einem Datenträger, der nur nummerierte Blöcke von Bytes speichert, Ordner und benannte Dateien, ein Lehrbuchbeispiel für Abstraktion. Das Format heißt Dateisystem: NTFS unter Windows, APFS unter macOS, ext4 auf den meisten Linux-Systemen.
• Mit der Hardware sprechen. Treiber übersetzen zwischen dem Betriebssystem und jedem Gerät: Grafikkarte, WLAN-Chip, Drucker, Webcam.
• Netzwerk. Das Betriebssystem implementiert TCP/IP, sodass ein Programm eine Verbindung zu einem Server öffnen kann, ohne irgendetwas über die Netzwerkkarte zu wissen.
• Sicherheit und Benutzer. Konten, Passwörter und Dateirechte legen fest, wer was lesen oder ändern darf.
• Die Benutzeroberfläche. Der Desktop, Fenster und Taskleiste oder eine Text-Shell wie Bash oder PowerShell.

Kernel und Systemaufrufe

Der Kern eines Betriebssystems ist der Kernel. Er läuft mit voller Kontrolle über die Hardware, während gewöhnliche Programme in einem eingeschränkten Modus laufen und Geräte nicht direkt ansprechen können. Braucht ein Programm etwas, macht es einen Systemaufruf (system call): eine Anfrage an den Kernel wie „öffne diese Datei“, „sende diese Bytes“ oder „starte einen neuen Prozess“.

Meistens siehst du Systemaufrufe nicht, weil deine Sprache sie verpackt. Pythons open() und print() landen am Ende in Aufrufen an den Kernel. Mit dem Modul os kannst du sie fast direkt machen:

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")

Prozess-ID und Anzahl der Kerne hängen vom Rechner ab; die letzte Zeile gibt immer File size: 23 bytes aus. os.open gibt einen Dateideskriptor zurück, eine kleine Zahl, mit der der Kernel die geöffnete Datei verfolgt, und os.write schickt 23 Bytes dorthin. In C sehen dieselben Anfragen fast gleich aus, denn diese Funktionen sind dünne Hüllen um die Systemaufrufe:

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

Unter Linux kannst du mit strace python3 script.py jeden Systemaufruf beobachten, den ein Programm macht.

Beispiele und Arten von Betriebssystemen

Neben diesen Allzwecksystemen gibt es Echtzeitbetriebssysteme wie FreeRTOS und Zephyr, die auf Mikrocontrollern in Haushaltsgeräten, Sensoren und Industriemaschinen laufen und eine Antwort innerhalb einer festen Zeit garantieren. Viele kleine Geräte laufen mit eingebetteten Systemen, die für einen einzigen Zweck gebaut sind.

Die Tabelle zeigt, dass ein Kernel sehr unterschiedliche Produkte antreiben kann. Android und ChromeOS nutzen beide den Linux-Kernel mit eigener Software darüber, und iOS teilt seinen Kernel mit macOS.

Warum das Betriebssystem beim Programmieren zählt

Ein kompiliertes Programm wird für ein bestimmtes Betriebssystem gebaut. Eine Windows-.exe läuft nicht nativ unter Linux, selbst auf demselben Computer, weil Dateiformat und Systemaufrufe verschieden sind. Deshalb bieten Download-Seiten getrennte Versionen an, und deshalb gibt es Laufzeitumgebungen wie die JVM, Node.js und CPython: Sie werden einmal pro Betriebssystem gebaut, damit dein Code das nicht muss. Siehe Laufzeitumgebung.

Kleine Unterschiede schlagen trotzdem durch. Führ das hier aus und vergleich es mit jemandem auf einem anderen System:

import os

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

Unter Linux und macOS gibt es aus:

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

Unter Windows ist das Trennzeichen '\\' (ein einzelner Backslash), das Zeilenende ist '\r\n', und der Pfad wird zu projects\notes\todo.txt. Wer os.path.join (oder pathlib) verwendet, statt / von Hand zu tippen, sorgt dafür, dass ein Skript auf allen drei Systemen funktioniert.

Häufige Irrtümer

• „Linux ist ein Betriebssystem.“ Genau genommen ist Linux ein Kernel. Eine Linux-Distribution wie Ubuntu ergänzt die Shell, Systemwerkzeuge, einen Paketmanager und meist einen Desktop zu einem vollständigen Betriebssystem. Im Alltag heißt beides Linux.
• „Das BIOS gehört zum Betriebssystem.“ Die BIOS- oder UEFI-Firmware sitzt auf dem Mainboard. Sie prüft die Hardware, lädt dann das Betriebssystem von der Festplatte, und damit ist ihre Hauptaufgabe erledigt.
• „Der Desktop ist das Betriebssystem.“ Der Desktop ist ein Programm, das auf dem Kernel aufsetzt. Server laufen meist ganz ohne Desktop und werden nur über eine Text-Shell gesteuert.
• „Apps sprechen mit der Hardware.“ Gewöhnliche Programme dürfen das nicht. Jeder Dateizugriff, jedes Netzwerkpaket und jedes Pixel auf dem Bildschirm läuft über das Betriebssystem. Deshalb reißt eine abstürzende App normalerweise nicht den ganzen Computer mit.

Wie es weitergeht

Das Betriebssystem ist die unterste Schicht; die Laufzeitumgebung liegt zwischen ihm und deinem Code. Speicherschutz ist das, was einen Segmentation Fault auslöst, und die Seite zum Byte erklärt die Einheit, die das Betriebssystem für Dateien und Speicher verwendet. Um ein Betriebssystem über seine Text-Shell zu steuern, probier den Terminal-Kurs aus.