Co to jest system operacyjny?

Naciśnij klawisz, gdy otwarty jest edytor tekstu. Klawiatura wysyła sygnał elektryczny, a sterownik w systemie operacyjnym go odczytuje. System operacyjny ustala, które okno jest na wierzchu, dostarcza klawisz do tego programu, a edytor rysuje literę. Edytor w ogóle nie rozmawia z klawiaturą. Zapisywanie pliku, odtwarzanie dźwięku i ładowanie strony internetowej działają tak samo: programy proszą, a system operacyjny wykonuje pracę ze sprzętem.

Co robi system operacyjny

System operacyjny ma kilka zadań, a każdy program w komputerze zależy od nich wszystkich:

• Uruchamianie programów (zarządzanie procesami). Na laptopie z 8 rdzeniami procesora może działać kilkaset programów i usług w tle. Planista systemu daje każdemu z nich krótkie tury na rdzeniu, przełączając się wiele razy na sekundę, więc wydaje się, że wszystkie działają jednocześnie.
• Zarządzanie pamięcią. Każdy program dostaje własną, prywatną przestrzeń adresową. Gdy program odczytuje pamięć, która do niego nie należy, system go zatrzymuje; w C jest to słynny błąd segmentacji.
• Przechowywanie plików. System zamienia dysk, który przechowuje tylko ponumerowane bloki bajtów, w foldery i nazwane pliki, co jest podręcznikowym przykładem abstrakcji. Format nazywa się systemem plików: NTFS w Windowsie, APFS w macOS, ext4 w większości systemów Linux.
• Komunikacja ze sprzętem. Sterowniki tłumaczą między systemem a każdym urządzeniem: kartą graficzną, układem Wi-Fi, drukarką, kamerą.
• Sieć. System implementuje TCP/IP, więc program może otworzyć połączenie z serwerem, nie wiedząc nic o karcie sieciowej.
• Bezpieczeństwo i użytkownicy. Konta, hasła i uprawnienia do plików decydują, kto może co czytać albo zmieniać.
• Interfejs użytkownika. Pulpit, okna i pasek zadań albo powłoka tekstowa, taka jak Bash czy PowerShell.

Jądro i wywołania systemowe

Rdzeniem systemu operacyjnego jest jądro (kernel). Działa z pełną kontrolą nad sprzętem, a zwykłe programy działają w trybie ograniczonym i nie mogą bezpośrednio dotykać urządzeń. Gdy program czegoś potrzebuje, wykonuje wywołanie systemowe: prośbę do jądra, taką jak "otwórz ten plik", "wyślij te bajty" albo "uruchom nowy proces".

Zwykle nie widzisz wywołań systemowych, bo twój język je opakowuje. open() i print() w Pythonie kończą się wywołaniami jądra. Moduł os pozwala wykonywać je niemal bezpośrednio:

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")

Identyfikator procesu i liczba rdzeni zależą od maszyny; ostatnia linia zawsze wyświetla File size: 23 bytes. os.open zwraca deskryptor pliku, czyli małą liczbę, którą jądro śledzi otwarty plik, a os.write wysyła do niego 23 bajty. W C te same prośby wyglądają niemal identycznie, bo te funkcje to cienkie nakładki na wywołania systemowe:

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

W Linuksie możesz obejrzeć każde wywołanie systemowe programu poleceniem strace python3 script.py.

Przykłady i rodzaje systemów operacyjnych

Oprócz tych systemów ogólnego przeznaczenia istnieją systemy operacyjne czasu rzeczywistego, takie jak FreeRTOS i Zephyr, które działają na mikrokontrolerach w sprzęcie AGD, czujnikach i maszynach przemysłowych i gwarantują odpowiedź w określonym czasie. Wiele małych urządzeń działa na systemach wbudowanych, stworzonych do jednego celu.

Tabela pokazuje, że jedno jądro może napędzać bardzo różne produkty. Android i ChromeOS używają jądra Linux z własnym oprogramowaniem na wierzchu, a iOS dzieli jądro z macOS.

Dlaczego system operacyjny ma znaczenie przy programowaniu

Skompilowany program jest budowany dla jednego systemu operacyjnego. Plik .exe z Windowsa nie uruchomi się natywnie w Linuksie, nawet na tym samym komputerze, bo format pliku i wywołania systemowe są inne. Dlatego strony pobierania oferują osobne wersje i dlatego istnieją środowiska uruchomieniowe, takie jak JVM, Node.js i CPython: są budowane raz dla każdego systemu operacyjnego, żeby twój kod nie musiał być. Zobacz środowisko uruchomieniowe.

Drobne różnice i tak przeciekają. Uruchom to i porównaj z kimś, kto ma inny system:

import os

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

W Linuksie i macOS wyświetla się:

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

W Windowsie separatorem jest '\\' (pojedynczy ukośnik wsteczny), koniec linii to '\r\n', a ścieżka staje się projects\notes\todo.txt. Używanie os.path.join (albo pathlib) zamiast ręcznego wpisywania / sprawia, że skrypt działa we wszystkich trzech systemach.

Częste nieporozumienia

• "Linux to system operacyjny." Ściśle mówiąc, Linux to jądro. Dystrybucja Linuksa, taka jak Ubuntu, dodaje powłokę, narzędzia systemowe, menedżer pakietów i zwykle pulpit, tworząc kompletny system operacyjny. W codziennej mowie oba nazywa się Linuksem.
• "BIOS jest częścią systemu operacyjnego." Firmware BIOS albo UEFI mieszka na płycie głównej. Sprawdza sprzęt, a potem ładuje system operacyjny z dysku i na tym kończy się jego główne zadanie.
• "Pulpit to system operacyjny." Pulpit to jeden program działający na jądrze. Serwery zwykle działają w ogóle bez pulpitu, sterowane tylko przez powłokę tekstową.
• "Aplikacje rozmawiają ze sprzętem." Zwykłym programom nie wolno tego robić. Każdy odczyt pliku, pakiet sieciowy i piksel na ekranie przechodzi przez system operacyjny, dlatego awaria aplikacji zwykle nie pociąga za sobą całego komputera.

Co dalej

System operacyjny to najniższa warstwa; środowisko uruchomieniowe leży między nim a twoim kodem. Ochrona pamięci to źródło błędu segmentacji, a strona o bajcie wyjaśnia jednostkę, której system używa dla plików i pamięci. Żeby sterować systemem operacyjnym z jego powłoki tekstowej, wypróbuj kurs terminala.