Операционная система, ОС (англ. operating system) — базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.

При включении компьютера операционная система загружается в память раньше остальных программ и затем служит платформой и средой для их работы. Помимо вышеуказанных функций ОС может осуществлять и другие, например, предоставление пользовательского интерфейса, сетевое взаимодействие и т. п.

С 1990-х наиболее распространёнными операционными системами для персональных компьютеров и серверов являются ОС семейства Microsoft Windows и системы класса UNIX (особенно GNU/Linux).

Функции

Основные функции (простейшие ОС):

• Загрузка приложений в оперативную память и их выполнение;
• Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода);
• Управление оперативной памятью (распределение между процессами, виртуальная память);
• Управление энергонезависимой памятью (Жёсткий диск, Компакт-диск и т.д.), как правило с помощью файловой системы;
• Пользовательский интерфейс;

Дополнительные функции (развитые современные ОС):

• Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность);
• Взаимодействие между процессами;
• Межмашинное взаимодействие (компьютерная сеть);
• Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от злонамеренных действий пользователей или приложений;
• Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

Понятие операционной системы

Существуют две группы определений ОС: «совокупность программ, управляющих оборудованием» и «совокупность программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который, однако, становится ясен только при более детальном рассмотрении вопроса о том, зачем вообще нужны операционные системы.

Есть приложения вычислительной техники, для которых ОС излишни. Напр., встроенные микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), сотовых телефонах и т. п. Зачастую такой компьютер постоянно исполняет лишь одну программу, запускающуюся по включении. И простые игровые приставки — также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без ОС, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске. (Многие встроенные компьютеры и даже некоторые игровые приставки на самом деле работают под управлением своих ОС).

Операционные системы, в свою очередь, нужны, если:

• вычислительная система используется для различных задач, причём программы, исполняющие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев ОС отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные ОС, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы с вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;
• различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Напр., простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция — тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, ОС предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);
• между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от чужого взора, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;
• необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, «нарезает» процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочередно различным исполняющимся программам (процессам);
• наконец, оператор должен иметь возможность, так или иначе, управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды, одна из которых — оболочка и набор стандартных утилит — является частью ОС (прочие, такие, как графическая операционная среда, образуют независимые от ОС прикладные платформы). Таким образом, современные универсальные ОС можно охарактеризовать прежде всего как
• использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным), многопользовательские (с разделением полномочий), многозадачные (с разделением времени).

Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой ОС. В составе ОС различают три группы компонентов:
ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевую подсистему, файловую систему; системные библиотеки и оболочку с утилитами.

Большинство программ, как системных (входящих в ОС), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ядерным ресурсам, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что ОС (точнее, её ядро) управляет оборудованием.

Текущая редакция стандарта на ОС содержит определения около тысячи системных вызовов и других библиотечных подпрограмм (часть из которых должна реализоваться только в определённых классах систем; напр., в системах «реального времени») и около 200 команд оболочки и утилит ОС. Стандарт определяет лишь функции вызовов и команд, и не содержит указаний относительно способов их реализации.

Стандарт, кроме этого, определяет способ адресации файлов в системе, локализацию (установки, касающиеся национально-специфических моментов, таких, как язык сообщений или формат даты и времени), совместимый набор символов, синтаксис регулярных выражений, структуру каталогов в файловой системе, формат командной строки и некоторые другие аспекты поведения ОС.

В определении состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав ОС включается и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков). Операциональной замкнутостью обладают системы, удовлетворяющие «разработческому» профилю в терминах стандарта.

Эволюция операционных систем и основные идеи

Предшественником ОС следует считать служебные программы (такие, как загрузчики), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

В 1950-60-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и системы

Пакетный режим

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём ОС может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Разделение времени и многозадачность

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.

Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких, как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие, как массивные вычисления) — в пакетном режиме.

Разделение полномочий

Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности модификации исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой (содержащей ошибку или злонамеренно подготовленной) программы, а также модификации самой ОС прикладной программой.

Реализация разделения полномочий в ОС была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

Реальный масштаб времени

Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») — синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.

Включение функции реального масштаба времени в ОС позволило создавать системы, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и (или) в режиме разделения времени).

Файловые системы и структуры

Постепенная замена носителей с последовательным доступом (перфолент, перфокарт и магнитных лент) накопителями произвольного доступа (на магнитных дисках) поставило задачу организации данных на таких носителях, с тем, чтобы данные, введённые оператором или сформированные одной программой могли использоваться другой.

Эта задача была решена (и решается в подавляющем большинстве ОС сегодня) путём реализации файловой структуры (способа однозначной адресации определённой совокупности данных (файла) в ОС) и файловой системы (физической организации дискового пространства, соответствующей файловой структуре или её части).

«Юникс», стандартизация ОС и открытые ОС

К концу 1960-х гг. отраслью и научно-образовательным сообществом был создан целый ряд ОС, реализующих все или часть очерченных выше функций. К ним относятся «Atlas» (Манчестерский университет), «CTTS» и «ITSS» (Массачусетский технологический институт (МТИ)), «THE» (Эйндховенский технологический университет), «RS4000» (Университет Орхуса) и др. (всего эксплуатировалось более сотни различных ОС).

Наиболее развитые ОС, такие как «OS/360» (компания «IBM»), «SCOPE» (компания «CDC») и завершённый уже в 1970-х годах «MULTICS» (МТИ и компания «Bell Labs»), предусматривали возможность исполнения на многопроцессорных компьютерах.

Эклектичный характер разработки ОС привёл к нарастанию кризисных явлений, прежде всего, связанных с чрезмерными сложностью и размерами создаваемых систем. ОС были плохо масштабируемыми (более простые не могли использовать все возможности крупных вычислительных систем; более развитые неоптимально исполнялись на малых или не могли исполняться на них вовсе) и тотально несовместимыми между собой, их разработка и совершенствование затягивалась.

Задуманная и реализованная в 1969 году Кеном Томсоном при участии нескольких коллег (включая Денниса Ричи, и Брайана Кернигана), ОС «Юникс» («Unix»; первоначально «UNICS», что обыгрывало название «MULTICS») вобрала в себя многие черты более ранних ОС, но обладала целым рядом свойств, отличающих её от большинства предшественниц:
простая метафорика (два ключевых понятия: вычислительный процесс и файл);
компонентная архитектура: принцип «одна программа — одна функция» плюс мощные средства связывания различных программ для решения возникающих задач («оболочка»);
минимизация ядра (кода, выполняющегося в «реальном» («привилегированном») режиме процессора) и количества системных вызовов;
независимость от аппаратной архитектуры и реализация на машиннонезависимом языке программирования (язык программирования «Си» стал «побочным продуктом» разработки «Юникс»);
унификация файлов.

«Юникс», благодаря своему удобству прежде всего в качестве инструментальной среды (среды разработки), была тепло принята сначала в университетах, а затем и в отрасли, получившей прототип единой ОС, которая могла использоваться на самых разных вычислительных системах и, более того, могла быть быстро и с минимальными усилиями перенесена на любую вновь разработанную аппаратную архитектуру.

В конце 70-х годов XX века сотрудники Калифорнийского университета в Беркли внесли ряд усовершенствований в исходные коды UNIX, включая работу с протоколами TCP/IP. Их разработка стала известна под именем BSD — «Berkeley Systems Distribution».

Задачу разработать независимую (от авторских прав «Bell Labs») реализацию той же архитектуры поставил и Ричард Столлмен, основатель проекта «GNU».

Благодаря конкурентности реализаций архитектура ОС «Юникс» стала вначале фактическим отраслевым стандартом, а затем обрела статус и стандарта юридического — ISO/IEC 9945[1].

ОС, следующие стандарту или опирающиеся на него, называют «открытыми ОС» (иногда встречается словоупотребление «Юникосоподобные» или «семейство „Юникс“», но оно противоречит статусу торгового знака «Юникс», принадлежащего консорциуму «The Open Group» и зарезервированному для обозначения ОС, строго следующих стандарту).

К открытым ОС относятся системы, базирующиеся на последней версии «Юникс», выпущенной «Bell Labs» («System V»), на разработках Университета Беркли («FreeBSD», «OpenBSD», «NetBSD»), а также ОС «GNU/Linux», разработанная в части утилит и библиотек проектом «GNU» и в части ядра — сообществом, возглавляемым Линусом Торвальдсом.

Стандартизация ОС гарантирует возможность безболезненной замены самой ОС и/или оборудования при развитии вычислительной системы или сети и дешёвого переноса прикладного программного обеспечения (строгое следование стандарту предполагает полную совместимость программ на уровне исходного текста; из-за профилирования стандарта и его развития некоторые изменения бывают всё же необходимы, но перенос программы между открытыми системами обходится на порядки дешевле, чем между альтернативными), а также преемственность опыта пользователей.

Самым заметным эффектом существования этого стандарта стало эффективное разворачивание Интернета в 90-х годах.

Альтернативные операционные системы

С разработкой и введением стандарта разработка альтернативных ОС не прекратилась.

Отчасти это обусловлено объективными причинами (ограниченностью ресурсов и специализированным применением вновь создаваемых классов вычислительных устройств, таких как персональные компьютеры (ПК) в 1980-х годах, портативные компьютеры в 1990-х или карманные компьютеры и мобильные телефоны в 2000-х), отчасти это связано с антиконкурентными целями их разработчиков, стремящихся ограничить или сделать невозможными перенос прикладных программ и (или) преемственность опыта пользователей таких классов устройств.

Так, в 1970-е годы продолжалась разработка альтернативных ОС для миникомпьютеров (таких, как «RT-11» (известной в СССР как «РАФОС» и «ФОДОС») и «RSX-11». В 1980-е был создан целый ряд ОС специально для ПК, включая «CP/M», «MS-DOS»/«PC/DOS», «MacOS» (в «классическом варианте» — вплоть до версии 9), а уже в 1990-е — «Microsoft Windows NT» (также существующая и в серверных вариантах), «OS/2», «BeOS». Сейчас продолжают создаваться альтернативные ОС для карманных компьютеров, мобильных телефонов, игровых приставок и медиацентров, служебного коммуникационного оборудования.

Определённое значение также сохраняют ОС, разработанные до или одновременно с зарождением открытых систем, либо происходящие от них непосредственно или концептуально: уже упомянутая «Microsoft Windows NT» (дальний концептуальный потомок «RSX-11» и «VMS»), «MVS» (потомок «OS/360»), «VM/CMS» (потомок «CTSS»).

Для альтернативных ОС характерна ориентация на одну или несколько аппаратных архитектур, неполнота функций (специализированность). Большинство альтернативных ОС несвободны. В качестве примеров современных свободных альтернативных операционных систем можно назвать написанные на ассемблере KolibriOS и MenuetOS-32.

«Post Unix» архитектуры ОС

Коллектив, создавший ОС «Юникс», попытался позднее повторить свой успех, обобщив и дополнив исходную концепцию. Таким образом появились ОС «Plan9» и «Inferno», не получившие, впрочем, широкого распространения..

Позднее на основе «Plan9» в Испании были разработаны ОС «Off++» и «Plan B», носящие экспериментальный характер.

К попыткам создать постъюниксовскую архитектуру можно также отнести разработку системы программирования и операционной среды «Оберон» в Швейцарском федеральном технологическом институте (ETH Zurich) под руководством проф. Никлауса Вирта.