İşletim sistemi nedir?

Bir metin düzenleyici açıkken bir tuşa bas. Klavye bir elektrik sinyali gönderir, işletim sisteminin içindeki bir sürücü de onu okur. İşletim sistemi hangi pencerenin önde olduğunu bulur, tuşu o programa iletir ve düzenleyici harfi çizer. Düzenleyici klavyeyle hiç konuşmaz. Dosya kaydetmek, ses çalmak ve bir web sayfası yüklemek de aynı şekilde çalışır: programlar ister, işletim sistemi işi donanımla yapar.

İşletim sistemi ne yapar

Bir işletim sisteminin bir avuç görevi vardır ve bilgisayardaki her program bunların hepsine bağlıdır:

• Programları çalıştırmak (süreç yönetimi). 8 işlemci çekirdekli bir dizüstü bilgisayarda birkaç yüz program ve arka plan servisi çalışıyor olabilir. İşletim sisteminin zamanlayıcısı her birine bir çekirdekte kısa sıralar verir ve saniyede birçok kez aralarında geçiş yapar; böylece hepsi aynı anda çalışıyormuş gibi görünür.
• Belleği yönetmek. Her program kendine ait özel bir adres alanı alır. Bir program kendisine ait olmayan belleği okuduğunda işletim sistemi onu durdurur; C'de bu, meşhur segmentation fault hatasıdır.
• Dosyaları saklamak. İşletim sistemi, yalnızca numaralı bayt bloklarını saklayan bir diski klasörlere ve adlandırılmış dosyalara dönüştürür; bu, soyutlamanın ders kitabı örneğidir. Bu biçime dosya sistemi denir: Windows'ta NTFS, macOS'ta APFS, çoğu Linux sisteminde ext4.
• Donanımla konuşmak. Sürücüler, işletim sistemi ile her cihaz arasında çeviri yapar: ekran kartı, Wi-Fi çipi, yazıcı, web kamerası.
• Ağ. İşletim sistemi TCP/IP'yi uygular; böylece bir program ağ kartı hakkında hiçbir şey bilmeden bir sunucuya bağlantı açabilir.
• Güvenlik ve kullanıcılar. Hesaplar, parolalar ve dosya izinleri kimin neyi okuyabileceğine ya da değiştirebileceğine karar verir.
• Kullanıcı arayüzü. Masaüstü, pencereler ve görev çubuğu ya da Bash veya PowerShell gibi bir metin kabuğu.

Çekirdek ve sistem çağrıları

Bir işletim sisteminin merkezi çekirdektir (kernel). Çekirdek donanımın tam kontrolüyle çalışır; sıradan programlar ise kısıtlı bir modda çalışır ve cihazlara doğrudan dokunamaz. Bir programın bir şeye ihtiyacı olduğunda bir sistem çağrısı yapar: çekirdeğe "bu dosyayı aç", "bu baytları gönder" ya da "yeni bir süreç başlat" gibi bir istek.

Çoğu zaman sistem çağrılarını görmezsin, çünkü kullandığın dil onları sarar. Python'un open() ve print() fonksiyonları sonunda çekirdeğe yapılan çağrılara varır. os modülü onları neredeyse doğrudan yapmana izin verir:

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")

Süreç kimliği ve çekirdek sayısı makineye bağlıdır; son satır ise her zaman File size: 23 bytes yazdırır. os.open, çekirdeğin açık dosyayı takip etmek için kullandığı küçük bir sayı olan bir dosya tanımlayıcısı (file descriptor) döndürür, os.write de ona 23 bayt gönderir. C'de aynı istekler neredeyse birebir aynı görünür, çünkü bu fonksiyonlar sistem çağrılarının üzerindeki ince sarmalayıcılardır:

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

Linux'ta bir programın yaptığı her sistem çağrısını strace python3 script.py ile izleyebilirsin.

İşletim sistemi örnekleri ve türleri

Bu genel amaçlı sistemlerin yanında FreeRTOS ve Zephyr gibi gerçek zamanlı işletim sistemleri de vardır; ev aletlerindeki, sensörlerdeki ve endüstriyel makinelerdeki mikrodenetleyicilerde çalışırlar ve sabit bir süre içinde yanıt vermeyi garanti ederler. Birçok küçük cihaz, tek bir amaç için yapılmış gömülü sistemler çalıştırır.

Tablo, tek bir çekirdeğin çok farklı ürünlere güç verebildiğini gösterir. Android ve ChromeOS, Linux çekirdeğini üzerine kendi yazılımlarını ekleyerek kullanır, iOS ise çekirdeğini macOS ile paylaşır.

Programlarken işletim sistemi neden önemlidir

Derlenmiş bir program tek bir işletim sistemi için üretilir. Bir Windows .exe dosyası aynı bilgisayarda bile Linux'ta doğrudan çalışmaz, çünkü dosya biçimi ve sistem çağrıları farklıdır. İndirme sayfalarının ayrı sürümler sunmasının ve JVM, Node.js ve CPython gibi çalışma zamanı ortamlarının var olmasının nedeni budur: onlar her işletim sistemi için bir kez üretilir, böylece senin kodunun buna ihtiyacı kalmaz. Çalışma zamanı ortamı sayfasına bak.

Yine de küçük farklar sızar. Bunu çalıştır ve başka bir sistem kullanan bir arkadaşının sonucuyla karşılaştır:

import os

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

Linux ve macOS'ta şunu yazdırır:

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

Windows'ta ayırıcı '\\' (tek bir ters eğik çizgi), satır sonu '\r\n' olur ve yol projects\notes\todo.txt hâline gelir. / işaretini elle yazmak yerine os.path.join (ya da pathlib) kullanmak, bir betiğin üç sistemde de çalışmasını sağlar.

Yaygın yanlış inanışlar

• "Linux bir işletim sistemidir." Tam olarak söylemek gerekirse Linux bir çekirdektir. Ubuntu gibi bir Linux dağıtımı, eksiksiz bir işletim sistemi oluşturmak için kabuğu, sistem araçlarını, bir paket yöneticisini ve genellikle bir masaüstünü ekler. Günlük konuşmada ikisine de Linux denir.
• "BIOS işletim sisteminin parçasıdır." BIOS ya da UEFI yazılımı (firmware) anakartta bulunur. Donanımı kontrol eder, sonra işletim sistemini diskten yükler ve asıl işi biter.
• "Masaüstü işletim sistemidir." Masaüstü, çekirdeğin üzerinde çalışan bir programdır. Sunucular genellikle hiç masaüstü olmadan, yalnızca bir metin kabuğuyla yönetilerek çalışır.
• "Uygulamalar donanımla konuşur." Sıradan programların buna izni yoktur. Her dosya okuması, her ağ paketi ve ekrandaki her piksel işletim sisteminden geçer; çöken bir uygulamanın normalde bütün bilgisayarı da çökertmemesinin nedeni budur.

Sırada ne var

İşletim sistemi en alttaki katmandır; çalışma zamanı ortamı onunla senin kodun arasında durur. Segmentation fault hatasını üreten şey bellek korumasıdır, bayt sayfası da işletim sisteminin dosyalar ve bellek için kullandığı birimi anlatır. Bir işletim sistemini metin kabuğundan yönetmek için terminal kursunu dene.