Операционные системы: виды и отличия
Изучите виды операционных систем, их отличия и функции. Windows и Linux, а также Android. Оболочка vs. ОС. Разнообразие интерфейсов
Навигация по странице
- Задачи и функции операционной системы
- Классификация операционных систем
- Отличие оболочки от операционной системы
- Наиболее популярные операционные системы
- Основные отличия операционных систем Mac OS, Linux, iOS, Android, Windows
- Виды интерфейсов операционных систем
Существует множество видов операционных систем, которые классифицируются по типу устройства и их внутренним характеристикам. Несмотря на различия, функции и задачи операционных систем всегда направлены на управление и взаимодействие с устройством. Для конечного пользователя важно выбрать операционную систему, которая соответствует его задачам. В данной статье мы рассмотрим принципы классификации операционных систем, их отличия и поможем вам выбрать наиболее подходящую.
Операционная система (ОС) — это совокупность программ, предназначенных для управления ресурсами компьютера, ноутбука или смартфона. Она обеспечивает управление всеми элементами устройства и позволяет взаимодействовать с ним. Также ОС отвечает за распределение вычислительных ресурсов между процессами. Операционная система — ключевой элемент программного обеспечения (ПО) большинства устройств. Они имеют различные функции и ограничения. Некоторые типы ОС позволяют расширять функциональность устройства путем установки дополнительных программ.
Простые технические устройства, такие как магнитолы, приставки или кухонные приборы, не имеют операционных систем, так как им не требуются сложные программы и единый механизм хранения данных.
Наиболее важный элемент операционной системы — ядро, которое контролирует выполнение процессов и регулирует ресурсы устройства. Оно обеспечивает доступ к ресурсам и правильное функционирование операционной системы.
Операционные системы также отличаются по типу интерфейса, который они предоставляют пользователю. И существуют различные виды программного обеспечения, разработанные специально для операционных систем.
Задачи и функции операционной системы
Операционная система выполняет две основные задачи, которые определяют ее функции:
- Управление ресурсами системы. ОС обеспечивает правильное функционирование и координацию процессов устройства, что позволяет эффективно использовать его ресурсы.
- Упрощение работы пользователя. Операционная система обеспечивает удобный интерфейс и позволяет взаимодействовать с устройством, запускать и работать с различными программами и приложениями.
Функции операционных систем определяются разработчиками и зависят от характеристик устройства. Но существуют общие свойства, которые присущи большинству ОС:
- Выполнение запросов программного обеспечения.
- Загрузка и работа с программами в оперативной памяти.
- Обеспечение многозадачности и надежности вычислительных процессов.
- Стандартизированный доступ к устройствам ввода-вывода.
- Контроль над процессором, видеоадаптером, оперативной памятью и другими элементами устройства.
- Отладка и регистрация ошибок.
- Удобный интерфейс для пользователя.
- Координация ресурсов устройства и их распределение между запущенными процессами.
Некоторые операционные системы могут выполнять и другие функции, специфичные для своих типов.
shutterstock.com
Классификация операционных систем
Операционные системы могут быть классифицированы по нескольким признакам.
Способ организации вычислений:
- Системы пакетной обработки, где процессы объединяются в пакеты для обработки.
- Системы разделения времени, которые позволяют нескольким пользователям взаимодействовать с устройством одновременно.
- Системы реального времени, которые обеспечивают работу каждой задачи в определенный промежуток времени.
Тип ядра:
- ОС с монолитным ядром.
- ОС с микроядром.
- ОС с гибридным ядром.
Количество единовременно решаемых задач:
- Однозадачные ОС.
- Многозадачные ОС.
Количество пользователей:
- Однопользовательские ОС.
- Многопользовательские ОС.
Количество поддерживаемых процессоров:
- Однопроцессорные ОС.
- Многопроцессорные ОС.
Возможность работы в компьютерной сети:
- Локальные ОС, которые не поддерживают работу с компьютерными сетями.
- Сетевые ОС с поддержкой компьютерных сетей.
Роль в сетевом взаимодействии:
- Серверные ОС, которые открывают доступ к ресурсам сети и управляют сетевой инфраструктурой.
- Клиентские ОС, которые могут получать доступ к ресурсам сети.
Тип лицензии:
- Открытые ОС с открытым исходным кодом, который можно изучать и редактировать.
- Проприетарные ОС, связанные с определенным правообладателем и имеющие закрытый исходный код.
Сфера использования:
- ОС мэйнфреймов, предназначенные для больших компьютеров.
- ОС серверов.
- ОС персональных компьютеров.
- ОС мобильных устройств.
- Встроенные ОС.
- ОС маршрутизаторов.
Кроме того, операционные системы могут различаться по типу интерфейсов и видам программного обеспечения, которые разработаны специально для них.
shutterstock.com
Отличие оболочки от операционной системы
Оболочка (или интерфейс) и операционная система (ОС) — это два различных понятия, связанных с функционированием компьютера, но имеющих разные роли и задачи:
- Операционная система (ОС). Операционная система — это базовое программное обеспечение, которое управляет всеми ресурсами компьютера или устройства. Она предоставляет среду для работы приложений, контролирует процессы взаимодействия между аппаратными компонентами и программами, управляет файловой системой, обеспечивает безопасность и выполняет множество других функций. ОС выступает посредником между пользователем и аппаратными ресурсами компьютера, обеспечивая эффективное взаимодействие между ними. Примеры операционных систем: Windows, macOS, Linux, Android, iOS и другие.
- Оболочка (интерфейс). Оболочка — это пользовательский интерфейс, через который пользователь взаимодействует с операционной системой и приложениями. Она обеспечивает удобный доступ к функциям ОС и приложений, предоставляя графический интерфейс, иконки, меню, окна и другие элементы, которые пользователь видит на экране и с которыми он взаимодействует с помощью мыши, клавиатуры и т.д. Оболочка может быть различной внешне и функционально, и пользователи могут выбирать, какую оболочку использовать в зависимости от их предпочтений и задач. Например, для Windows существует оболочка «Обычный рабочий стол» или «Плитки», а для Linux — «GNOME», «KDE», «XFCE» и т.д.
В итоге, ОС и оболочка — это два важных компонента компьютерной системы, которые работают в синхронизации для обеспечения удобства и эффективности работы пользователей с компьютером или устройством. Операционная система предоставляет базовые функции управления ресурсами, а оболочка обеспечивает удобный интерфейс для взаимодействия с этими функциями.
Наиболее популярные операционные системы
Рассмотрим основные виды и примеры наиболее актуальных операционных систем:
- Windows — лидер среди операционных систем для компьютеров, ноутбуков и планшетов. Большинство пользователей, около 90%, выбирают Windows. ОС была выпущена в 1985 году. Последняя версия — Windows 11, которая приносит изменения в функционал и внешний вид системы.
- Mac OS разработана для компьютеров и ноутбуков Apple. Это закрытая операционная система, устанавливаемая только на устройства данной марки. Mac OS занимает около 10% рынка персональных компьютеров и ноутбуков.
- Linux — это бесплатная и открытая операционная система, предназначенная для компьютеров и ноутбуков. Она пользуется популярностью среди некоторых пользователей. Linux имеет разные дистрибутивы, но самый популярный среди них Ubuntu. Его ценят за скорость работы, приятный интерфейс и удобство использования.
- iOS — это операционная система, разработанная для мобильных устройств Apple. Она встроена во все смартфоны этой компании. iOS — лидер среди операционных систем для смартфонов благодаря своему удобному управлению, плавности работы и эстетичному дизайну.
- Android — это операционная система от Google, предназначенная для мобильных устройств. Она устанавливается на большинство современных смартфонов и пользуется большой популярностью. Android отличается удобством использования и обладает множеством функций.
shutterstock.com
Основные отличия операционных систем Mac OS, Linux, iOS, Android, Windows
Отличительные характеристики Windows:
- Платная и закрытая ОС.
- Поддержка большого количества аппаратного обеспечения.
- Высокое качество интерфейса.
- Простота управления.
- Управление различными устройствами ввода.
- Высокая скорость работы.
- Удобная установка программного обеспечения.
- Широкий выбор программ и игр.
Отличительные характеристики Mac OS:
- Платная и закрытая ОС.
- Ориентирована не на игры.
- Устанавливается только на компьютеры Apple.
- Высокая скорость работы.
- Простота использования.
- Высокий уровень безопасности.
- Надежность.
- Эффективное управление ресурсами компьютера.
Отличительные характеристики Linux:
- Открытая и бесплатная ОС.
- Бесплатное программное обеспечение.
- Возможность выполнения программ от Windows с помощью эмулятора.
- Хороший уровень безопасности.
- Эффективное распределение ресурсов устройства.
- Не предназначен для игр.
- Ограниченное разнообразие программного обеспечения.
- Некоторые сложности настройки и использования.
- Ограниченная поддержка аппаратного обеспечения.
Отличительные характеристики iOS:
- Закрытая ОС.
- Частые обновления.
- Установлена только на устройства Apple.
- Высокая скорость работы.
- Возможность управления жестами.
- Высокий уровень безопасности.
- Большое количество приложений.
- Отсутствие альтернативных магазинов помимо App Store.
Отличительные характеристики Android:
- Открытая и бесплатная ОС.
- Возможность установки приложений из альтернативных источников.
- Удобство использования.
- Большое количество приложений.
- Устанавливается на устройства различных производителей.
- Частые обновления.
- Возможность управления жестами.
- Высокая скорость работы.
- Разнообразие оболочек/лончеров для управления.
Принципиальное отличие операционной системы Linux от Windows заключается в том, что Linux — незакрытая и бесплатная операционная система с открытым исходным кодом, позволяющей пользователям свободно изучать, изменять и распространять ее компоненты. А Windows — это проприетарная операционная система с закрытым исходным кодом, коммерчески разрабатываемая и распространяемая компанией Microsoft, что ограничивает доступность и контроль над кодом системы.
Виды интерфейсов операционных систем
Чтобы выбрать подходящую операционную систему для вашего компьютера, необходимо определить задачи, которые вы собираетесь выполнять. Вот несколько целей взаимодействия с ПК и соответствующие рекомендации по выбору ОС:
- Игры. Если вы планируете использовать компьютер для игр, лучшим выбором будет Windows. Она обеспечивает запуск большинства современных игр и приложений. Windows идеально подходит для игр в шутеры, стратегии, квесты и т.д. В этой ОС наиболее популярные магазины игр: Steam, Origin, Battle.net. Вы также можете подключить игровую приставку к компьютеру.
- Программирование. Для программирования оптимальным решением будет Linux. В этой ОС очень удобно работать с интернетом, дизайном и утилитами, которые помогают в программировании. В Linux существует множество конфигураций, позволяющих настроить ОС под ваши задачи. Вы также можете установить интерфейс, похожий на Mac, Windows и другие. Еще одно преимущество Linux в том, что практически все приложения для него абсолютно бесплатны.
- Работа с медиаконтентом. Для работы с видео/аудио редакторами наилучшим выбором будет MacOS. Эта система обеспечивает высококачественную обработку звука, быстрый рендеринг видео и плавное выполнение задач. Особенно это касается iMac или Mac Pro. Кроме того, MacOS уже поставляется с предустановленными программами для работы с медиаконтентом.
Теперь у вас есть базовое представление о различных операционных системах. С течением времени технологический прогресс продолжает продвигаться, и ОС также развиваются в ногу со временем.
У обучения на сайте GeekBrains есть много преимуществ, которые делают его хорошим выбором для студентов. Во-первых, платформа предлагает широкий спектр курсов, охватывающих различные области IT, включая программирование, разработку веб-сайтов, искусственный интеллект, анализ данных и многое другое. Во-вторых, обучение осуществляется опытными и квалифицированными преподавателями, которые обладают практическим опытом в индустрии. В-третьих, учебные материалы представлены в разнообразных форматах — видеолекции, практические задания и тесты, что позволяет студентам освоить материал в удобном для них темпе. Кроме того, GeekBrains предлагает возможность получения практического опыта через выполнение реальных проектов и участие в хакатонах. Все это содействует развитию конкретных навыков и подготавливает студентов к успешной карьере в IT-индустрии.
Наши предложения
Последние статьи:
4
4 минуты
9 октября, 2024
Почему нейросети пока не могут заменить разработчиков?
В этой статье мы рассмотрим причины, по которым разработчики остаются незаменимыми, и объясним, почему ИИ пока не готов взять на себя всю ответственность за создание программного обеспечения.
12
5 минут
7 октября, 2024
Как стать специалистом Data Science?
Основная цель специалиста по Data Science – извлечь из данных ценную информацию, которая может помочь в принятии бизнес-решений, улучшении продуктов и услуг, а также в решении различных прикладных задач.
15
4 минуты
5 октября, 2024
Самые странные языки программирования
Давайте рассмотрим, что представляют собой эзотерические языки программирования, почему они создаются и какие из них являются наиболее известными и забавными.
Многозада́чность (англ. multitasking) — свойство операционной системы или среды программирования обеспечивать возможность параллельной (или псевдопараллельной) обработки нескольких процессов. Истинная многозадачность операционной системы возможна только в распределённых вычислительных системах.
Существует 2 типа многозадачности[1]:
- Процессная многозадачность (основанная на процессах — одновременно выполняющихся программах). Здесь программа — наименьший элемент кода, которым может управлять планировщик операционной системы. Более известна большинству пользователей (работа в текстовом редакторе и прослушивание музыки).
- Поточная многозадачность (основанная на потоках). Наименьший элемент управляемого кода — поток (одна программа может выполнять 2 и более задачи одновременно).
Многопоточность — специализированная форма многозадачности[1].
Содержание
- 1 Свойства многозадачной среды
- 2 Трудности реализации многозадачной среды
- 3 История многозадачных операционных систем
- 4 Типы псевдопараллельной многозадачности
- 4.1 Невытесняющая многозадачность
- 4.2 Совместная или кооперативная многозадачность
- 4.3 Вытесняющая или приоритетная многозадачность (режим реального времени)
- 5 Проблемные ситуации в многозадачных системах
- 5.1 Голодание (starvation)
- 5.2 Гонка (race condition)
- 5.3 Инверсия приоритета
- 6 Ссылки
- 7 Примечания
[править] Свойства многозадачной среды
Примитивные многозадачные среды обеспечивают чистое «разделение ресурсов», когда за каждой задачей закрепляется определённый участок памяти, и задача активизируется в строго определённые интервалы времени.
Более развитые многозадачные системы проводят распределение ресурсов динамически, когда задача стартует в памяти или покидает память в зависимости от её приоритета и от стратегии системы. Такая многозадачная среда обладает следующими особенностями:
- Каждая задача имеет свой приоритет, в соответствии с которым получает процессорное время и память
- Система организует очереди задач так, чтобы все задачи получили ресурсы, в зависимости от приоритетов и стратегии системы
- Система организует обработку прерываний, по которым задачи могут активироваться, деактивироваться и удаляться
- По окончании положенного кванта времени ядро временно переводит задачу из состояния выполнения в состояние готовности, отдавая ресурсы другим задачам. При нехватке памяти страницы невыполняющихся задач могут быть вытеснены на диск (своппинг), а потом через определённое системой время, восстанавливаться в памяти
- Система обеспечивает защиту адресного пространства задачи от несанкционированного вмешательства других задач
- Система обеспечивает защиту адресного пространства своего ядра от несанкционированного вмешательства задач
- Система распознаёт сбои и зависания отдельных задач и прекращает их
- Система решает конфликты доступа к ресурсам и устройствам, не допуская тупиковых ситуаций общего зависания от ожидания заблокированных ресурсов
- Система гарантирует каждой задаче, что рано или поздно она будет активирована
- Система обрабатывает запросы реального времени
- Система обеспечивает коммуникацию между процессами
[править] Трудности реализации многозадачной среды
Основной трудностью реализации многозадачной среды является её надёжность, выраженная в защите памяти, обработке сбоев и прерываний, предохранении от зависаний и тупиковых ситуаций.
Кроме надёжности, многозадачная среда должна быть эффективной. Затраты ресурсов на её поддержание не должны: мешать процессам проходить, замедлять их работу, резко ограничивать память.
[править] История многозадачных операционных систем
Поначалу реализация многозадачных операционных систем представляла собой серьёзную техническую трудность, отчего внедрение многозадачных систем затягивалось, а пользователи долгое время после внедрения предпочитали однозадачные.
В дальнейшем, после появления нескольких удачных решений, многозадачные среды стали совершенствоваться, и в настоящее время употребляются повсеместно.
Впервые многозадачность операционной системы была реализована в ходе разработки операционной системы Multics (1964 год). Одной из первых многозадачных систем была OS/360 (1966[2]), используемая для компьютеров фирмы IBM и их советских аналогов ЕС ЭВМ. Разработки системы были сильно затянуты, и на начальное время фирма IBM выдвинула однозадачный DOS, чтобы удовлетворить заказчиков до полной сдачи OS/360 в эксплуатацию. Система подвергалась критике по причине малой надёжности и трудности эксплуатации.
В 1969 году на основе Multics была разработана система UNIX с достаточно аккуратным алгоритмическим решением проблемы многозадачности. В настоящее время на базе UNIX созданы десятки операционных систем.
На компьютерах PDP-11 и их советских аналогах СМ-4 использовалась многозадачная система RSX-11 (советский аналог — ОСРВ СМ ЭВМ), и система распределения времени TSX-PLUS, обеспечивающая ограниченные возможности многозадачности и многопользовательский режим разделения времени, эмулируя для каждого пользователя однозадачную RT-11 (советский аналог — РАФОС). Последнее решение было весьма популярно из-за низкой эффективности и надёжности полноценной многозадачной системы.
Аккуратным решением оказалась операционная система VMS, разработанная первоначально для компьютеров VAX (советский аналог — СМ-1700) как развитие RSX-11.
Первый в мире мультимедийный персональный компьютер Amiga 1000 (1984 год) изначально проектировался с расчётом на полную аппаратную поддержку вытесняющей многозадачности реального времени в ОС AmigaOS. В данном случае разработка аппаратной и программной части велась параллельно, это привело к тому, что по показателю квантования планировщика многозадачности (1/50 секунды на переключение контекста) AmigaOS долгое время оставалась непревзойдённой на персональных компьютерах.
Многозадачность обеспечивала также фирма Microsoft в операционных системах Windows. При этом Microsoft выбрала две линии разработок — на базе приобретённой ею Windows 0.9[источник не указан 1344 дня], которая после долгой доработки системы, изначально обладавшей кооперативной многозадачностью, аналогичной Mac OS, вылилась в линейку Windows 3.x, и на основе идей, заложенных в VMS, которые привели к созданию операционных систем Windows NT. Использование опыта VMS обеспечило системам существенно более высокую производительность и надёжность. По времени переключения контекста многозадачности (квантование) только эти операционные системы могут быть сравнимы с AmigaOS и UNIX (а также его потомками, такими, как ядро Linux).
Интересно, что многозадачность может быть реализована не только в операционной, но и языковой среде. Например, спецификации языков программирования Modula-2 и Ada требуют поддержки многозадачности вне привязки к какой-либо операционной системе. В результате, популярная в первой половине 1990-х годов реализация языка программирования TopSpeed Модула-2 от JPI/Clarion позволяла организовывать различные типы многозадачности (кооперативную и вытесняющую — см. ниже) для потоков одной программы в рамках такой принципиально однозадачной операционной системы, как MS-DOS. Это осуществлялось путём включения в модуль программы компактного планировщика задач, содержащего обработчик таймерных прерываний [3]. Языки программирования, обладающие таким свойством, иногда называют языками реального времени[4].
[править] Типы псевдопараллельной многозадачности
[править] Невытесняющая многозадачность
Тип многозадачности, при котором операционная система одновременно загружает в память два или более приложений, но процессорное время предоставляется только основному приложению. Для выполнения фонового приложения оно должно быть активизировано. Подобная многозадачность может быть реализована не только в операционной системе, но и с помощью программ-переключателей задач. В этой категории известна программа DESQview, работавшая под DOS и выпущенная первый раз в 1985 году.
[править] Совместная или кооперативная многозадачность
Тип многозадачности, при котором следующая задача выполняется только после того, как текущая задача явно объявит себя готовой отдать процессорное время другим задачам. Как частный случай, такое объявление подразумевается при попытке захвата уже занятого объекта mutex (ядро Linux), а также при ожидании поступления следующего сообщения от подсистемы пользовательского интерфейса (Windows версий до 3.x включительно, а также 16-битные приложения в Windows 9x).
Кооперативную многозадачность можно назвать многозадачностью «второй ступени» поскольку она использует более передовые методы, чем простое переключение задач, реализованное многими известными программами (например, DOS Shell из MS-DOS 5.0 при простом переключении активная программа получает все процессорное время, а фоновые приложения полностью замораживаются. При кооперативной многозадачности приложение может захватить фактически столько процессорного времени, сколько оно считает нужным. Все приложения делят процессорное время, периодически передавая управление следующей задаче.
Преимущества кооперативной многозадачности: отсутствие необходимости защищать все разделяемые структуры данных объектами типа критических секций и mutex’ов, что упрощает программирование, особенно перенос кода из однозадачных сред в многозадачные.
Недостатки: неспособность всех приложений работать в случае ошибки в одном из них, приводящей к отсутствию вызова операции «отдать процессорное время». Крайне затрудненная возможность реализации многозадачной архитектуры ввода-вывода в ядре ОС, позволяющей процессору исполнять одну задачу в то время, как другая задача инициировала операцию ввода-вывода и ждет её завершения.
Реализована в пользовательском режиме ОС Windows версий до 3.х включительно, Mac OS версий до Mac OS X, а также внутри ядер многих UNIX-подобных ОС, таких, как FreeBSD, а в течение долгого времени — и Linux.
[править] Вытесняющая или приоритетная многозадачность (режим реального времени)
Вид многозадачности, в котором операционная система сама передает управление от одной выполняемой программы другой в случае завершения операций ввода-вывода, возникновения событий в аппаратуре компьютера, истечения таймеров и квантов времени, или же поступлений тех или иных сигналов от одной программы к другой. В этом виде многозадачности процессор может быть переключен с исполнения одной программы на исполнение другой без всякого пожелания первой программы и буквально между любыми двумя инструкциями в её коде. Распределение процессорного времени осуществляется планировщиком процессов. К тому же каждой задаче может быть назначен пользователем или самой операционной системой определенный приоритет, что обеспечивает гибкое управление распределением процессорного времени между задачами (например, можно снизить приоритет ресурсоёмкой программе, снизив тем самым скорость её работы, но повысив производительность фоновых процессов). Этот вид многозадачности обеспечивает более быстрый отклик на действия пользователя.
Преимущества: возможность полной реализации многозадачного ввода-вывода в ядре ОС, когда ожидание завершения ввода-вывода одной программой позволяет процессору тем временем исполнять другую программу. Сильное повышение надежности системы в целом, в сочетании с использованием защиты памяти — идеал в виде «ни одна программа пользовательского режима не может нарушить работу ОС в целом» становится достижимым хотя бы теоретически, вне вытесняющей многозадачности он не достижим даже в теории. Возможность полного использования многопроцессорных и многоядерных систем.
Недостатки: необходимость особой дисциплины при написании кода, особые требования к его реентрантности, к защите всех разделяемых и глобальных данных объектами типа критических секций и mutex’ов.
Реализована в таких ОС, как:
- VMS
- Linux
- в пользовательском режиме (а часто и в режиме ядра) всех UNIX-подобных ОС, включая версии Mac OS X, iOS; Symbian OS
- в режиме ядра ОС Windows 3.x — только при исполнении на процессоре 386 или старше, «задачами» являются только все Windows-приложения вместе взятые и каждая отдельная виртуальная машина ДОС, между приложениями Windows вытесняющая многозадачность не использовалась
- Windows 95/98/ME — без полноценной защиты памяти, что служило причиной крайне низкой, на одном уровне с MS-DOS, Windows 3.x и Mac OS версий до X — надежности этих ОС
- Windows NT/2000/XP/Vista/7 и в режиме ядра, и в пользовательском режиме.
- AmigaOS — все версии, до версии 4.0 без полноценной защиты памяти, что на практике для системных программ почти не сказывалось на надёжности из-за высокой стандартизированности, прозрачных API и SDK. Программы ориентированные на «железо» Амиги, наоборот не отличались надёжностью.
[править] Проблемные ситуации в многозадачных системах
[править] Голодание (starvation)
Задержка времени от пробуждения потока до его вызова на процессор, в течение которой он находится в списке потоков, готовых к исполнению. Возникает по причине присутствия потоков с большими или равными приоритетами, которые исполняются все это время.
Негативный эффект заключается в том, что возникает задержка времени от пробуждения потока до исполнения им следующей важной операции, что задерживает исполнение этой операции, а следом за ней и работу многих других компонентов.
Голодание создаёт узкое место в системе и не дает выжать из неё максимальную производительность, ограничиваемую только аппаратно обусловленными узкими местами.
Любое голодание вне 100 % загрузки процессора может быть устранено повышением приоритета голодающей нити, возможно — временным.
Как правило, для предотвращения голодания ОС автоматически вызывает на исполнение готовые к нему низкоприоритетные потоки даже при наличии высокоприоритетных, при условии, что поток не исполнялся в течение долгого времени (~10 секунд). Визуально эта картина хорошо знакома большинству пользователей Windows — если в одной из программ поток зациклился до бесконечности, то переднее окно работает нормально несмотря на это — потоку, связанному с передним окном, Windows повышает приоритет. Остальные же окна перерисовываются с большими задержками, по порции в секунду, ибо их отрисовка в данной ситуации работает только за счет механизма предотвращения голодания (иначе бы голодала вечно).
[править] Гонка (race condition)
Недетерминированный порядок исполнения двух путей кода, работающих с одними и теми же данными и исполняемыми в двух различных нитях. Приводит к зависимости порядка и правильности исполнения от случайных факторов.
Устраняется добавлением необходимых блокировок и примитивов синхронизации. Обычно является легко устраняемым дефектом (забытая блокировка).
[править] Инверсия приоритета
Поток L имеет низкий приоритет, поток M — средний, поток H — высокий. Поток L захватывает mutex, и, выполняясь с удержанием mutex’а, преемптивно прерывается потоком M, который пробудился по какой-то причине, и имеет более высокий приоритет. Поток H пытается захватить mutex.
В полученной ситуации поток H ожидает завершения текущей работы потоком M, ибо, пока поток M исполняется, низкоприоритетный поток L не получает управления и не может освободить mutex.
Устраняется повышением приоритета всех нитей, захватывающих данный mutex, до одного и того же высокого значения на период удержания mutexa. Некоторые реализации mutex’ов делают это автоматически.
[править] Ссылки
- Аппаратная поддержка мультипрограммирования на примере процессора Pentium
[править] Примечания
- ↑ 1 2 [Герберт Шилдт «Полный справочник по Java», 7-е издание.:Пер. с англ.-М.:ООО «И. Д. Вильямс», 2007, стр. 253—254]
- ↑ Mealy G. H., Witt B. I., Clark W. A. The functional structure of OS/360. IBM Systems Journal, 5, № 1, 1966
- ↑ Белецкий Я. ТопСпид: Расширенная версия языка Модула-2 для персональных компьютеров IBM. — М.: «Машиностроение», 1993
- ↑ Янг С. Алгоритмические языки реального времени
Аспекты операционных систем (история • список) | |
---|---|
Ядро |
Гибридное • Микро • Модульное • Монолитное • Нано • Экзо • Драйвер • Пространство пользователя • Область пользователя |
Управление процессами |
Режимы (супервизора • реальный • защищённый) • Прерывание • Кольца защиты • Переключение контекста • Многозадачность (вытесняющая • кооперативная • мультипрограммирование) • Процесс • Управление процессом • Планировщик задач • Многопоточность |
Управление памятью |
Защита памяти • Сегментная адресация памяти • Страничная память • Менеджер виртуальной памяти • Ошибка сегментации • Общая ошибка защиты |
Прочее |
Загрузчик ОС • API • VFS • Компьютерная сеть • GUI • Слой аппаратных абстракций (HAL) |
Операционные системы: основы и примеры
Пройдите тест, узнайте какой профессии подходите
Работать самостоятельно и не зависеть от других
Работать в команде и рассчитывать на помощь коллег
Организовывать и контролировать процесс работы
Введение в операционные системы
Операционные системы (ОС) играют ключевую роль в работе любого компьютера. Они управляют аппаратными ресурсами и предоставляют платформу для выполнения программ. Без операционной системы компьютер был бы просто набором железа, неспособным выполнять какие-либо задачи. ОС обеспечивает взаимодействие между пользователем и аппаратной частью компьютера, делая возможным выполнение различных задач, от простых текстовых операций до сложных вычислений и графических приложений.
Операционные системы также играют важную роль в обеспечении безопасности и стабильности работы компьютера. Они контролируют доступ к ресурсам и данным, предотвращая несанкционированное использование и защищая систему от вредоносных программ. Кроме того, ОС предоставляет интерфейс для установки и управления программным обеспечением, что делает её важным инструментом для пользователей и администраторов.

Основные функции и компоненты ОС
Операционные системы выполняют множество функций, которые можно разделить на несколько основных категорий:
Управление процессами
ОС управляет выполнением программ, распределяя процессорное время между ними. Это включает в себя создание, планирование и завершение процессов. Управление процессами также включает в себя обеспечение многозадачности, что позволяет нескольким программам выполняться одновременно. Это достигается с помощью различных алгоритмов планирования, которые определяют порядок выполнения процессов и распределение ресурсов.
Управление памятью
ОС контролирует использование оперативной памяти, распределяя её между активными процессами и обеспечивая защиту данных от несанкционированного доступа. Управление памятью включает в себя такие задачи, как выделение и освобождение памяти, а также управление виртуальной памятью, которая позволяет использовать дисковое пространство для расширения объёма доступной оперативной памяти.
Управление файлами
ОС предоставляет интерфейс для хранения, организации и доступа к данным на дисковых накопителях. Это включает в себя создание, удаление, чтение и запись файлов. Файловая система ОС также обеспечивает организацию данных в виде каталогов и подкаталогов, что упрощает навигацию и управление файлами. Кроме того, ОС обеспечивает контроль доступа к файлам, позволяя устанавливать права доступа для различных пользователей и групп.
Управление устройствами
ОС управляет взаимодействием с периферийными устройствами, такими как клавиатуры, мыши, принтеры и сетевые адаптеры. Это включает в себя установку и настройку драйверов устройств, которые обеспечивают правильное функционирование оборудования. ОС также обеспечивает взаимодействие между устройствами и программным обеспечением, позволяя приложениям использовать периферийные устройства для выполнения различных задач.
Пользовательский интерфейс
ОС предоставляет интерфейс для взаимодействия пользователя с компьютером. Это может быть графический интерфейс (GUI) или командная строка (CLI). Графический интерфейс обеспечивает удобное и интуитивно понятное взаимодействие с системой, используя окна, иконки и меню. Командная строка, в свою очередь, предоставляет более гибкий и мощный способ управления системой с помощью текстовых команд.
Типы операционных систем
Существует несколько типов операционных систем, каждый из которых предназначен для определённых задач и устройств:
Однопользовательские и многопользовательские ОС
Однопользовательские ОС предназначены для одного пользователя, в то время как многопользовательские ОС поддерживают одновременную работу нескольких пользователей. Многопользовательские ОС обеспечивают разделение ресурсов и данных между пользователями, а также контроль доступа и безопасность. Примеры многопользовательских ОС включают серверные системы, такие как Windows Server и Linux.
Однозадачные и многозадачные ОС
Однозадачные ОС могут выполнять только одну задачу в данный момент времени, тогда как многозадачные ОС поддерживают выполнение нескольких задач одновременно. Многозадачные ОС обеспечивают более эффективное использование ресурсов и повышают производительность системы. Примеры многозадачных ОС включают современные версии Windows, macOS и Linux.
Реального времени (RTOS)
ОС реального времени предназначены для систем, где критически важно выполнение задач в строго определённые временные рамки, например, в системах управления производственными процессами. RTOS обеспечивает предсказуемое и детерминированное выполнение задач, что делает их идеальными для использования в критически важных приложениях, таких как авиация, медицина и промышленная автоматизация.
Встраиваемые ОС
Встраиваемые ОС используются в устройствах с ограниченными ресурсами, таких как бытовая техника, автомобильные системы и IoT-устройства. Эти ОС оптимизированы для работы в условиях ограниченной памяти и вычислительных мощностей, а также обеспечивают высокую надёжность и энергоэффективность. Примеры встраиваемых ОС включают FreeRTOS, VxWorks и Embedded Linux.
Примеры популярных операционных систем
Windows
Windows — одна из самых популярных операционных систем для персональных компьютеров. Она известна своим удобным графическим интерфейсом и широким спектром поддерживаемого программного обеспечения. Windows используется как в домашних, так и в корпоративных средах, предлагая множество версий и изданий для различных нужд. ОС Windows также поддерживает широкий спектр аппаратного обеспечения и периферийных устройств, что делает её универсальным выбором для пользователей.
macOS
macOS — операционная система, разработанная Apple для своих компьютеров Mac. Она отличается высокой степенью интеграции с другими продуктами Apple и удобным пользовательским интерфейсом. macOS известна своей стабильностью, безопасностью и производительностью, что делает её популярным выбором среди профессионалов в области графики, дизайна и разработки программного обеспечения. ОС macOS также предлагает уникальные функции, такие как Continuity и Handoff, которые позволяют пользователям seamlessly переключаться между устройствами Apple.
Linux
Linux — это семейство операционных систем с открытым исходным кодом. Оно используется как на серверах, так и на настольных компьютерах. Linux известен своей надёжностью, безопасностью и возможностью настройки. Существует множество дистрибутивов Linux, каждый из которых предназначен для различных задач и пользователей. Примеры популярных дистрибутивов включают Ubuntu, Fedora и CentOS. Linux также широко используется в облачных и серверных средах благодаря своей масштабируемости и эффективности.
Android
Android — операционная система для мобильных устройств, разработанная Google. Она используется на большинстве смартфонов и планшетов и поддерживает широкий спектр приложений. Android известен своей гибкостью и возможностью настройки, что позволяет производителям устройств и пользователям адаптировать систему под свои нужды. ОС Android также поддерживает интеграцию с сервисами Google, такими как Google Play, Google Drive и Google Photos, что делает её удобной для пользователей.
iOS
iOS — операционная система для мобильных устройств от Apple. Она используется на iPhone и iPad и известна своей безопасностью и удобством использования. iOS предлагает широкий спектр функций и приложений, которые делают её популярным выбором среди пользователей мобильных устройств. ОС iOS также обеспечивает высокую степень интеграции с другими продуктами и сервисами Apple, такими как iCloud, Apple Music и Apple Pay, что делает её привлекательной для пользователей экосистемы Apple.
Заключение и дополнительные ресурсы
Операционные системы являются основой работы любого компьютера или мобильного устройства. Понимание их функций и типов поможет вам лучше ориентироваться в мире технологий и выбирать подходящие решения для своих задач. Независимо от того, используете ли вы персональный компьютер, сервер или мобильное устройство, знание основ операционных систем поможет вам эффективно использовать их возможности и решать возникающие проблемы.
Дополнительные ресурсы
Теперь у вас есть базовое понимание операционных систем и примеры популярных ОС. Надеюсь, эта информация поможет вам в дальнейших исследованиях и изучении этой важной темы.
Читайте также
Привет! Когда ты включаешь свой компьютер, телефон или даже умные часы, первым делом, что встречает тебя, это не просто экран с красивыми иконками. За этими иконками скрывается настоящий супергерой — операционная система (ОС). Она как дирижёр в оркестре, который следит, чтобы все инструменты играли в такт и не превращались в хаос. Без неё наши устройства просто не знали бы, что делать. Так что да, каждый раз, когда ты запускаешь любимую игру или стримишь видео, ты должен сказать «спасибо» своей ОС.
Операционные системы — это не просто программное обеспечение, это основа всей нашей цифровой жизни. Они контролируют все процессы, которые происходят на компьютере, от запуска приложений до управления памятью и взаимодействия с железом. Без ОС компьютер был бы не больше чем стопкой металлических и пластиковых деталей. И чем больше мы погружаемся в мир технологий, тем важнее понимать, как они работают.
Задача этой статьи — не просто рассказать тебе, что такое операционные системы, но сделать это легко и весело. Мы разберёмся, почему они такие важные, что у них внутри, и как разные ОС (например, Windows, Linux и macOS) справляются с одной и той же задачей по-разному. Так что, если ты когда-нибудь задумывался, чем Linux отличается от Windows или почему macOS выглядит так красиво — ты на правильном пути!
Впереди у нас путешествие через основные функции операционных систем, их типы, историю и даже взгляд на будущее. Готов? Тогда поехали разбираться, что же скрывается за этой магией!
Итак, что же такое операционная система? Представь, что твой компьютер — это сцена, а приложения, которые ты запускаешь, — это актёры, жаждущие внимания. Но без режиссёра на сцене воцарился бы хаос: все бы говорили одновременно, никто бы не знал, что делать, и в итоге зрители (то есть ты) остались бы разочарованными. Вот именно эту роль режиссёра и выполняет операционная система (ОС). Она управляет процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и обеспечивает, чтобы каждый компонент системы работал слаженно.
Если говорить просто, операционная система — это программное обеспечение, которое управляет всем, что происходит на компьютере. Она следит за тем, чтобы программы не мешали друг другу, распределяет ресурсы (например, процессорное время и память), и даёт тебе (пользователю) интерфейс для взаимодействия с компьютером.
Задачи у ОС серьёзные, даже немного героические. Вот несколько ключевых ролей:
- Управление процессами: ОС решает, какие программы должны работать прямо сейчас, сколько ресурсов им выделить, и когда нужно их «успокоить», чтобы не мешали другим процессам.
- Управление памятью: Без ОС программы бы заняли всю память себе и не поделились бы с другими. Она следит, чтобы каждая программа получила столько места, сколько ей нужно, и чтобы одна программа не «лезла» в чужую память.
- Управление устройствами: Хочешь напечатать документ? Нужно подключить новую флешку? Операционная система тут как тут! Она взаимодействует с железом и обеспечивает, чтобы твой принтер или USB-накопитель заработали как надо.
- Файловая система: ОС — это тот самый персонаж, который помогает тебе найти твои файлы на диске и не запутаться в них. Она организует всё в удобные папки и каталоги.
- Интерфейс пользователя: Без операционной системы ты бы сидел перед черным экраном с моргающим курсором, как в фильмах о хакерах 80-х. Но ОС даёт нам яркие иконки, кнопки и меню — всё, что нужно для комфортного взаимодействия с компьютером.
Когда компьютеры только зарождались, операционные системы не существовали. Представь себе: каждый раз, чтобы запустить программу, нужно было вручную настраивать машину. Прямо как если бы ты каждый раз читал инструкцию к телевизору перед тем, как посмотреть новый эпизод сериала!
В 1950-х годах с появлением первых коммерческих компьютеров программисты начали думать: «А что, если создать программу, которая будет управлять другими программами?» Так родилась идея операционной системы. Первые ОС были совсем простыми и выполняли лишь базовые задачи, например, запускали программы по очереди. Одной из первых была GM-NAA I/O, созданная General Motors в 1956 году.
Со временем компьютеры становились мощнее, и возникла необходимость в более сложных операционных системах. В 1960-х годах появилась Unix — система, которая до сих пор лежит в основе многих современных ОС, таких как Linux и macOS. А в 1980-х мир увидел Windows, которая принесла графический интерфейс (появились те самые иконки и окна) на персональные компьютеры.
Сегодня операционные системы стали неотъемлемой частью нашей жизни: они присутствуют везде, от смартфонов до суперкомпьютеров. И чем дальше, тем больше они развиваются, становясь умнее и удобнее.
Теперь, когда мы разобрались, что такое операционная система, давай погрузимся в её основные функции. Представь ОС как многофункционального менеджера, который жонглирует сотней задач одновременно, и при этом умудряется не упускать из виду ни одну деталь. Вот что этот «суперменеджер» делает для тебя каждый день.
Если ты думаешь, что работа с процессами — это что-то простое, то представь себе ОС как дирижёра, который не просто махает палочкой, а следит, чтобы каждый музыкант вовремя начал и закончил свою партию. В мире компьютеров «музыканты» — это процессы, то есть программы и их части, которые работают одновременно.
ОС управляет процессами так, чтобы они не сталкивались, распределяет время процессора (это называется многозадачностью) и следит за тем, чтобы никакой процесс не решил захватить систему целиком. Если бы не ОС, прог��аммы пытались бы работать все сразу и устраивали бы настоящий цифровой хаос.
Пример: ты слушаешь музыку, открываешь браузер и работаешь в текстовом редакторе одновременно. Твоя ОС с лёгкостью координирует эти действия, распределяя ресурсы процессора так, чтобы ничего не «зависло».
Твоя оперативная память (RAM) — это как рабочий стол: чем больше на нём вещей, тем сложнее найти нужное. И тут приходит на помощь ОС, которая организует память так, чтобы каждый процесс имел своё место, не мешал другим и при этом использовал ресурсы эффективно.
ОС следит, чтобы программы не пытались использовать чужую память. Если бы не эта функция, одна программа могла бы случайно (или намеренно) изменить данные другой, и ты бы получил ошибки, сбои и потерянные документы. Кстати, если места в памяти не хватает, ОС может временно перенести часть данных на жёсткий диск (это называется подкачка).
ОС — это ещё и организатор твоих файлов. Представь, что на компьютере тысячи документов, музыки, фильмов и игр. ОС помогает тебе их систематизировать, делая доступ к ним простым и понятным. Файлы структурируются в виде папок, а ОС следит за тем, чтобы они не потерялись и всегда были на своём месте.
Кроме того, операционная система управляет дисками — жёсткими или SSD, флешками и другими устройствами хранения данных. Она знает, как записывать, читать и удалять файлы, обеспечивая целостность данных.
Пример: ты сохраняешь документ в папку «Работа», и ОС позаботится, чтобы он был записан правильно, а потом ты без проблем нашёл его, когда понадобится.
Теперь представь, что твой компьютер — это не только экран и клавиатура. Есть принтер, мышь, веб-камера, колонки, микрофон и множество других устройств. И всем им нужно как-то взаимодействоват�� с компьютером. Тут снова в игру вступает наша супер-ОС, которая как швейцарский нож подстраивается под любое устройство.
Когда ты подключаешь, например, принтер, ОС загружает специальную программу — драйвер, которая позволяет системе «понять», что это за устройство и как с ним работать. Благодаря этому, ты можешь просто нажать кнопку «Печать», и система сделает всё остальное.
В мире компьютеров безопасность — это святое. Операционная система отвечает за то, чтобы твои данные были под защитой. Она предотвращает несанкционированный доступ к твоему компьютеру и следит за тем, чтобы никто не мог изменить или украсть важные файлы.
Современные ОС используют несколько методов для защиты данных:
- Аутентификация — проверка пользователя, чтобы убедиться, что это именно ты (например, пароль или отпечаток пальца).
- Шифрование — превращение данных в код, который могут прочитать только те, кто имеет «ключ».
- Разграничение прав доступа — не всем процессам и пользователям позволено делать всё подряд. ОС следит, чтобы каждый мог работать только в пределах своих полномочий.
Пример: когда ты устанавливаешь пароль на свой компьютер или блокируешь экран — это функции безопасности, которые организует операционная система.
Как видишь, операционная система не только запускает программы, но и следит за тем, чтобы всё работало как часы, не было конфликтов, а данные оставались защищёнными. И всё это происходит за кулисами, пока ты просто наслаждаешься работой за компьютером!
Чтобы лучше понять, как работает операционная система, давай заглянем внутрь её «механизмов» и разберёмся в том, как она устроена. Это как посмотреть на внутренности часов — на первый взгляд всё сложно, но если разобраться, то каждый механизм играет важную роль. Операционная система состоит из нескольких ключевых компонентов: ядра, пользовательского интерфейса, системных библиотек и драйверов устройств.
Ядро — это самое сердце операционной системы. Представь его как мозг или центральный штаб, который контролирует все важные процессы и взаимодействие между программами и оборудованием. Когда ты запускаешь любую программу, она фактически «обращается» к ядру, чтобы попросить ресурсы, такие как процессорное время или доступ к памяти.
Основные функции ядра:
- Управление процессами: Ядро решает, какие процессы могут использовать процессор в текущий момент. Оно переключает их по мере необходимости, обеспечивая многозадачность.
- Управление памятью: Ядро распределяет оперативную память между процессами и следит, чтобы один процесс не вторгался в «территорию» другого.
- Управление устройствами ввода/вывода: Ядро взаимодействует с оборудованием компьютера (жесткими дисками, клавиатурой, мышью) и передает команды от программ к устройствам и обратно.
- Управление файлами: Оно также следит за тем, как данные записываются и читаются с дисков, чтобы не было ошибок и потерянных данных.
- Обеспечение безопасности: Ядро не позволяет программам получить доступ к ресурсам, к которым они не должны иметь доступ. Если программа нарушает правила — ядро сразу вмешивается и прекращает её выполнение.
Фактически, без ядра операционная система просто не смогла бы функционировать — это как капитан на корабле, который решает, куда плыть и что делать.
После ядра следующий важный компонент — это пользовательский интерфейс. Это то, с чем ты взаимодействуешь напрямую, когда пользуешься компьютером.
- CLI (Command Line Interface) — интерфейс командной строки. Это когда ты видишь на экране чёрное окно с мигающим курсором и вводишь текстовые команды. Если ты представляешь себе фильмы про хакеров, это оно! CLI даёт огромную гибкость, особенно для опытных пользователей, но требует знаний команд и синтаксиса. Linux и другие Unix-подобные системы часто используют CLI для продвинутого управления.
- GUI (Graphical User Interface) — графический интерфейс пользователя. Это те самые красивые иконки, кнопки, окна и мышка, которыми ты управляешь. GUI делает взаимодействие с операционной системой простым и интуитивно понятным. Windows, macOS и большинство дистрибутивов Linux активно используют графические интерфейсы. Всё, что тебе нужно — это нажать кнопку или перетащить иконку, и ОС сделает остальное.
Проще говоря, GUI — это дружелюбное лицо операционной системы, которое упрощает работу, а CLI — это мощный инструмент для тех, кто не боится текста и команд.
Чтобы операционная система могла полноценно функционировать, ей нужны системные библиотеки и драйверы устройств.
- Системные библиотеки — это наборы функций и программ, которые используются приложениями и операционной системой для выполнения часто встречающихся задач. Представь это как сборник готовых решений: программы не должны каждый раз «изобретать велосипед», они просто используют библиотеки для стандартных операций. Например, если программа хочет нарисовать кнопку на экране, она вызывает библиотеку, которая знает, как это сделать. Это ускоряет процесс разработки программ и делает их более совместимыми с системой.
- Драйверы устройств — это специальные программы, которые позволяют операционной системе взаимодействовать с оборудованием. У каждого устройства — будь то принтер, мышь, видеокарта или флешка — есть свой драйвер, который служит «переводчиком» между оборудованием и ОС. Когда ты подключаешь новое устройство, операционная система ищет подходящий драйвер или предлагает установить его, чтобы оно заработало. Без драйверов операционная система просто не знала бы, как «общаться» с железом.
Пример: ты подключаешь к компьютеру новый принтер, и он сразу готов к работе. Всё потому, что операционная система нашла или установила нужный драйвер, который знает, как отправлять документы на печать.
Таким образом, архитектура операционной системы — это сложная система взаимодействующих компонентов, где каждый элемент играет свою важную роль. Ядро — это мозг системы, пользовательский интерфейс — лицо, а системные библиотеки и драйверы — инструменты, которые делают работу с устройствами возможной и удобной. Все эти части работают вместе, чтобы сделать твою работу за компьютером максимально эффективной и комфортной.
Теперь давай поговорим о том, как операционная система умудряется справляться с несколькими задачами одновременно. Когда ты слушаешь музыку, пишешь текст в редакторе и открываешь браузер с десятком вкладок — это не магия, это многозадачность и многопоточность в действии. Давай разберёмся, в чём разница между этими понятиями и как они работают под капотом операционной системы.
Многозадачность — это способность операционной системы запускать и управлять несколькими приложениями одновременно. Например, ты работаешь в текстовом редакторе, параллельно открываешь браузер для поиска информации, а где-то на фоне играет музыка. Все эти задачи выполняются одновременно, и кажется, будто компьютер действительно делает несколько дел сразу. Но на самом деле он просто очень быстро переключается между ними.
Как это работает? Процессор компьютера может выполнять только одну задачу в каждый конкретный момент времени (если у тебя один процессорный ядро). Но операционная система умеет делить своё время на очень короткие отрезки, переключаясь между задачами настолько быстро, что для тебя это выглядит как одновременная работа всех программ. Этот процесс называется планированием задач, и его организует ОС.
Пример: когда ты переключаешься между разными программами, ОС управляет процессами, давая каждой программе немного процессорного времени, после чего быстро переключается на другую. В итоге создаётся иллюзия одновременной работы всех приложений.
Теперь о многопоточности. Если многозадачность — это когда несколько программ работают одновременно, то многопоточность — это когда одна программа может выполнять несколько задач параллельно. Программа может быть разделена на несколько потоков — независимых частей, которые выполняются одновременно. Это особенно полезно, когда нужно делать что-то сложное, требующее параллельной обработки данных.
Пример: Представь, что ты используешь приложение для редактирования видео. Один поток может заниматься обработкой изображения, другой — наложением звука, третий — сохранением видеофайла. Всё это происходит одновременно, и как результат, ты получаешь быстрее выполненную задачу, чем если бы всё обрабатывалось последовательно.
Многопоточность делает программы более эффективными, особенно на многопроцессорных системах, где потоки могут выполняться параллельно на разных ядрах процессора.
Как же операционная система справляется со всем этим «жонглированием»? За всем стоит хитрая система управления процессами и потоками. Внутри ОС есть планировщик задач, который принимает решения о том, когда и как каждый процесс или поток получает доступ к ресурсам процессора.
Вот как это происходит:
- Планирование времени (Time-sharing): Операционная система выделяет каждому процессу или потоку определённый отрезок времени для работы (называемый квант времени). После того, как этот квант времени истекает, ОС переключает процессор на другую задачу, давая ей шанс выполнить свои действия.
- Приоритеты: Некоторые задачи более важны, чем другие. Например, воспроизведение видео должно идти гладко, а проверка на наличие обновлений может подождать. ОС присваивает процессам и потокам приоритеты, чтобы более важные задачи получали больше процессорного времени.
- Контекстное переключение (Context switching): Когда операционная система переключается между процессами, она сохраняет состояние текущего процесса (его контекст) и загружает состояние другого. Это даёт возможность вернуться к предыдущему процессу, как только у него снова наступит очередь.
- Многопроцессорные системы: Если у тебя несколько процессорных ядер (а сегодня почти все процессоры многозадачные), операционная система может распределять процессы и потоки между разными ядрами, чтобы те действительно выполнялись параллельно.
Пример: у тебя в системе запущены несколько процессов — браузер, игра и фоновая антивирусная проверка. ОС распределяет время между ними: даёт браузеру возможность отрисовывать вкладки, затем переключается на игру для обработки графики, и параллельно делает небольшие проверки для антивируса. Всё это происходит так быстро, что ты этого даже не замечаешь.
Многозадачность позволяет ОС эффективно запускать несколько программ одновременно, а многопоточность позволяет одной программе работать ещё быстрее и эффективнее, выполняя несколько задач параллельно. Всё это делается благодаря умной системе планирования, которая управляет процессами и потоками, распределяя ресурсы компьютера так, чтобы он не только выполнял задачи, но и делал это без задержек и зависаний.
Операционные системы бывают разные, и они предназначены для выполнения различных задач. От систем для персональных компьютеров до мощных серверных решений или встроенных ОС для бытовых приборов — каждая из них имеет свою уникальную архитектуру и особенности. Давай рассмотрим основные типы операционных систем и разберёмся, чем они отличаются друг от друга.
- Однопользовательские операционные системы предназначены для использования одним человеком за один раз. Это те ОС, которые ты обычно видишь на своих домашних или офисных компьютерах. Здесь каждый пользователь работает независимо, и доступ к системным ресурсам ограничен для одного человека.Пример: Windows, macOS. Ты входишь в систему и управляешь всеми её возможностями — всё, что делает компьютер, направлено только на твою работу.
- Многопользовательские операционные системы позволяют нескольким пользователям работать с одной системой одновременно. Это важно для серверов и больших вычислительных систем, где ресурсы должны быть распределены между многими пользователями или задачами.Пример: UNIX, Linux (в серверных конфигурациях). Такие системы позволяют разным пользователям подключаться удалённо и использовать ресурсы одного компьютера параллельно, при этом каждый получает свою часть процессорного времени, памяти и других ресурсов.
- Однозадачные операционные системы могут выполнять только одну задачу за раз. Это старые или очень специализированные системы, где многозадачность не требуется. Такие ОС запускают одну программу и сосредоточены на выполнении только её.Пример: MS-DOS — классический пример однозадачной операционной системы. Ты запускаешь одну программу, и пока она не завершится, другую не запустить.
- Многозадачные операционные системы могут запускать несколько задач одновременно, переключаясь между ними так быстро, что кажется, будто все программы работают параллельно. Это стандарт для современных ОС, так как в реальной жизни пользователи часто работают с несколькими программами одновременно.Пример: Windows, Linux, macOS. Ты можешь писать текст, слушать музыку и одновременно проверять почту, не дожидаясь завершения одной программы, чтобы запустить другую.
- Серверные операционные системы разработаны для управления ресурсами серверов и обслуживания множества пользователей одновременно. Они оптимизированы для надёжной работы 24/7, обладают мощными средствами управления сетями, безопасности и поддержкой многопользовательских режимов. Эти системы отвечают за обслуживание запросов пользователей и управление большими объёмами данных.Пример: Windows Server, Ubuntu Server, Red Hat Enterprise Linux. Серверные ОС работают в дата-центрах и обеспечивают функционирование сайтов, баз данных, облачных сервисов и многого другого.
- Клиентские операционные системы предназначены для использования на персональных компьютерах или мобильных устройствах. Они взаимодействуют с серверными ОС, но рассчитаны на удобство индивидуального пользователя, а не на обслуживание множества запросов.Пример: Windows 11, macOS, Android, iOS. Эти ОС работают на твоём ноутбуке, смартфоне или планшете, обеспечивая доступ к приложениям и локальным файлам.
- Встраиваемые операционные системы — это специализированные ОС, которые устанавливаются на устройства с конкретными задачами. Обычно они работают на маломощных устройствах и обладают ограниченными ресурсами, но очень надёжны. Их основная цель — выполнение одной или нескольких функций в устройстве, и они должны работат�� без сбоев в течение длительного времени.Пример: Встраиваемая ОС может стоять в стиральной машине, умных часах, банкомате или автомобильной системе. RTOS (Real-Time Operating System) — это одна из категорий встраиваемых ОС, которая работает в реальном времени, когда каждая задача должна быть выполнена в строго определённый момент. Например, системы управления в автомобилях требуют быстрого и точного отклика.
Разнообразие операционных систем позволяет им решать совершенно разные задачи — от поддержки работы одного пользователя до управления крупными серверными инфраструктурами или управления умными устройствами в бытовой технике. Каждая система оптимизирована под свои нужды, будь то многопользовательская работа, параллельное выполнение задач, обработка данных на сервере или управление встраиваемыми устройствами.
Сейчас существует множество операционных систем, но самыми популярными являются Windows, Linux и macOS. Каждая из них имеет свои особенности, свою аудиторию и свои преимущества. Давай разберёмся в истории этих систем, их уникальных чертах и в том, как они сравниваются между собой.
История:Windows — это, пожалуй, самая популярная и распространённая операционная система для персональных компьютеров. Она была разработана компанией Microsoft, и её первая версия появилась в 1985 году как графическая оболочка для MS-DOS. Со временем Windows развивалась, превратившись в полноценную операционную систему с интуитивно понятным графическим интерфейсом. Одной из ключевых версий стала Windows 95, которая вывела систему на новый уровень с интеграцией сети Интернет, а Windows XP завоевала сердца пользователей благодаря своей стабильности. Современные версии, такие как Windows 10 и 11, продолжают эволюционировать с упором на безопасность, удобство и поддержку новых технологий.
Особенности:
- Интуитивный графический интерфейс с начальной панелью, меню «Пуск» и оконной системой.
- Широкая совместимость с множеством программ и игр.
- Поддержка корпоративных приложений и интеграция с облачными сервисами Microsoft, такими как OneDrive и Office 365.
- Лёгкость настройки для начинающих пользователей и мощные возможности для профессионалов.
Основная аудитория:Windows — это выбор большинства пользователей ПК, особенно домашних и офисных пользователей. Она удобна для выполнения стандартных задач — работы с документами, веб-серфинга, игр и многого другого. Также Windows широко используется в корпоративном сегменте благодаря её возможностям по интеграции в сети и управлению устройствами.
История:Linux — это операционная система с открытым исходным кодом, появившаяся в 1991 году благодаря работе Линуса Торвальдса. Она основана на архитектуре UNIX и предназначена для тех, кто хочет больше контроля над своим компьютером и системой. С момента своего появления Linux стал основой для множества дистрибутивов, что позволяет пользователям выбирать ОС, которая подходит именно для их задач.
Открытый код и дистрибутивы:Главная особенность Linux — это его открытый код, что означает, что каждый может его изучать, изменять и распространять. Существует множество дистрибутивов Linux, каждый из которых предлагает разные наборы функций и интерфейсов. Некоторые из самых популярных:
- Ubuntu — дружественная для новичков ОС с удобным интерфейсом и большим сообществом.
- Debian — стабильный дистрибутив с длительной поддержкой и проверенными пакетами.
- Arch Linux — для продвинутых пользователей, кто хочет настроить систему буквально с нуля.
Преимущества:
- Бесплатность и возможность полного контроля над системой.
- Высокая безопасность за счёт архитектуры и регулярных обновлений.
- Огромное сообщество разработчиков и пользователей, которые создают и поддерживают тысячи приложений.
Недостатки:
- Требуется больше технических знаний для настройки и обслуживания, особенно в более сложных дистрибутивах.
- Не вся коммерческая программа совместима с Linux (особенно игры и специфическое ПО для бизнеса).
Основная аудитория:Linux популярен среди IT-энтузиастов, программистов, системных администраторов и разработчиков. Он также широко используется на серверах и в научных кругах благодаря своей стабильности и гибкости.
История:macOS — операционная система от Apple, которая впервые появилась в 2001 году под названием Mac OS X. Она построена на базе UNIX и известна своей стабильностью, мощными инструментами для творчества и тесной интеграцией с экосистемой Apple.
Особенности:
- Элегантный и минималистичный интерфейс, удобство использования.
- Высокая оптимизация под оборудование Apple, что делает macOS быстрой и стабильной на Mac-компьютерах.
- Интеграция с другими устройствами Apple — iPhone, iPad, Apple Watch и Apple TV. Например, можно продолжить работу с приложением на любом устройстве с помощью функции Handoff.
- Приложения от Apple, такие как Final Cut Pro для видеомонтажа и Logic Pro для музыки, высоко ценятся профессионалами в творческих индустриях.
Основная аудитория:macOS предпочитают пользователи Mac, которые ценят удобство, стиль и безопасность, а также те, кто активно использует другие устройства Apple. Она особенно популярна среди дизайнеров, видеомонтажёров, музыкантов и других творческих профессионалов.
4. Сравнение Windows, Linux и macOS
Windows, Linux и macOS — это три гиганта среди операционных систем, каждая из которых подходит для разных категорий пользователей. Windows предлагает универсальность и совместимость, Linux привлекает открытостью и гибкостью, а macOS радует своей оптимизацией и интеграцией с Apple. Выбор зависит от твоих задач, предпочтений и уровня технических знаний.
Операционные системы постоянно эволюционируют вместе с развитием технологий. На горизонте нас ждут новые подходы и тенденции, которые могут полностью изменить наш взгляд на привычные ОС. Давайте посмотрим, что ждёт операционные системы в будущем, какие технологии станут важными и как они повлияют на пользователей.
- Облачные операционные системыС развитием облачных технологий и интернета, традиционные модели ОС, установленные локально на устройствах, постепенно меняются. Будущее всё больше связано с облачными ОС, которые позволяют пользователям работать не только с программами, но и с самой системой через интернет. Например, ты можешь получить доступ к своему рабочему столу, файлам и приложениям с любого устройства, не устанавливая ничего на жёсткий диск. Всё находится в облаке.Пример: Google Chrome OS — это шаг в сторону облачных ОС. Пользователи Chromebook могут работать практически полностью через браузер и онлайн-сервисы. В будущем такие системы будут становиться всё более популярными, предлагая доступ к вычислительным мощностям через облако.
- ВиртуализацияВиртуализация — это технология, которая позволяет запускать несколько операционных систем на одном физическом устройстве, что особенно важно для серверов и облачных сервисов. Виртуализация становится всё более продвинутой, позволяя разделять ресурсы между разными ОС и даже изолировать их для повышения безопасности.Пример: Технологии виртуальных машин и контейнеров, такие как Docker и VMware, активно используются в корпоративных средах и дата-центрах. Они помогают запускать множество виртуальных серверов на одной физической машине, что позволяет эффективно использовать ресурсы.
- Интернет вещей (IoT)Интернет вещей (IoT) — это концепция подключения огромного количества различных устройств к интерн��ту, от умных часов до холодильников и автомобилей. Каждое из этих устройств нуждается в лёгкой и безопасной операционной системе для управления своими функциями и коммуникацией с другими устройствами. Встраиваемые ОС уже активно развиваются для таких задач, но с ростом IoT появляются новые требования.В будущем ОС для IoT должны быть не только компактными, но и надёжными, чтобы обеспечивать безопасность и стабильность работы огромного количества устройств.Пример: Windows IoT и FreeRTOS — это примеры операционных систем, разработанных специально для устройств Интернета вещей.
- Интеграция с искусственным интеллектомИскусственный интеллект (ИИ) всё глубже интегрируется в операционные системы, помогая автоматизировать задачи и делать системы более «умными». В будущем операционные системы смогут лучше анализировать поведение пользователей и предлагать решения на основе ИИ. Представь себе систему, которая учится твоим предпочтениям и может предугадывать, какие приложения ты хочешь открыть, или даже автоматически решает, как распределить ресурсы для оптимизации производительности.Пример: В современных системах уже есть элементы ИИ — помощники, такие как Cortana в Windows, Siri в macOS, или Google Assistant на Android. В будущем ИИ станет ещё более глубоко интегрирован в саму операционную систему, помогая не только в поисках информации, но и в автоматизации сложных процессов, таких как управление многозадачностью или энергопотреблением.
- Автономные системы и робототехникаС развитием автономных систем, таких как дроны, беспилотные автомобили и робототехника, операционные системы будущего должны стать гораздо более специализированными. Такие системы требуют ОС, которые могут работать в реальном времени, быть устойчивыми к сбоям и обеспечивать высокий уровень безопасности. В будущем эти операционные системы будут играть ключевую роль в управлении устройствами, которые могут работать без человеческого вмешательства.Пример: ОС реального времени, такие как ROS (Robot Operating System), уже сегодня активно используются в робототехнике и автономных системах. В будущем их развитие будет направлено на ещё более эффективное взаимодействие с сенсорами и датчиками для выполнения сложных задач без задержек.
Будущее операционных систем — это переход к более облачным, виртуализированным и интеллектуальным решениям. ОС будут всё больше интегрироваться с искусственным интеллектом, становясь умнее и гибче, а также готовиться к поддержке миллиардов устройств, подключённых к Интернету вещей. Виртуализация и облачные технологии позволят пользователям гибко управлять своими системами и приложениями, а автономные системы потребуют новых, специализированных ОС для робототехники и ИИ.
Мы рассмотрели, что такое операционные системы, их основные функции, архитектуру, различия между типами ОС и как они развиваются в будущем. Каждая операционная система — это не просто набор программ, а важная часть нашего цифрового мира, которая управляет всем, что происходит на компьютерах, серверах и даже устройствах Интернета вещей.
Понимание работы ОС важно как для начинающих, так и для опытных пользователей. Если ты пользователь — это знание поможет тебе более эффективно использовать своё устройство, решать технические проблемы и лучше понимать, как взаимодействуют программы и данные. Для ИТ-специалистов же операционные системы — это основа всего. Разработчики, системные администраторы и инженеры ежедневно работают с ОС, и их знания критичны для создания, поддержания и оптимизации инфраструктуры и приложений.
Операционные системы продолжают развиваться вместе с технологиями — от облаков до искусственного интеллекта и автономных систем. Поэтому изучение этой темы не только полезно, но и интересно, особенно если ты хочешь лучше понять, как работают компьютеры и устройства вокруг нас.
Мой сайт:
Telegram-канал:
Многозадачность — способность операционной системы (или программного окружения) поддерживать одновременное совместное выполнение и взаимодействие нескольких задач (программ, потоков исполнения) друг с другом и внешней средой.
Если система может выполнять задачи только последовательно, начиная следующую только после завершения текущей, то система называется однозадачной. Первые системы были именно такими.
Переходным звеном к многозадачным ОС является ОС пакетной обработки: будучи однозадачной по сути, такая система работает не с одним приложением, а потоком пакетов, которые последовательно обрабатывает (запуская функции или программы их обработки).
Непосредственно же о многозадачности следует говорить тогда, когда окружение обеспечивает наличие в системе одновременно нескольких потоков исполнения.
Идеальным случаем многозадачности является параллельная многозадачность, когда каждая задача исполняется в своём аппаратном микропроцессорном ядре действительно одновременно друг с другом. Такой вариант даже реализован, например в микроконтроллере Propeller от Parallax (обеспечивает работу сразу 8 задач), однако обычно использование отдельных аппаратных средств под каждую задачу оказывается слишком расточительным, поэтому применяется псевдопараллельная многозадачность, когда ресурсы микропроцессора поочерёдно передаются между задачами, создавая иллюзию одновременности, или совокупность параллельной и псевдопараллельной многозадачности при наличии нескольких процессорных ядер.
Различают два основных типа псевдопараллельной многозадачности:
- невытесняющая — требующая явной передачи управления между задачами в определённых точках по их инициативе;
- вытесняющая — в которой переключение между задачам происходит неявно, посредством диспетчера задач в произвольные моменты времени.
Невытясняющая многозадачность, как наиболее примитивная, была создана первой и имеет свои достинства и недостатки:
- + весьма легка в реализации;
- + хорошо предсказуема в поведении, исключает многие опасные ситуации, такие как гонки за использование разделяемых ресурсов;
- + предъявляет минимум требований к системе и тратит минимум ресурсов (возможно даже использование несколькими задачами одного стека);
- — требует особого стиля написания программ, затрудняя как разработку новых, так и адаптацию существующих;
- — затруднена оперативная реакция на внешние события;
- — практически невозможна защита задач друг от друга, что сильно снижает надёжность системы — как правило одна неправильно работающая задача легко заваливает все остальные (блокирует или нарушает их работу).
В противоположность ей существует вытесняющая задачность. В ней организация взаимодействия между полностью возложена на программное окружение (а конкретно, диспетчер задач), позволяя нескольким задачам одновременно работать в системе так, как если бы каждая была единственной. При этом возможно вытеснение задачи в любой момент времени и в любой точке кода (за исключением мест, где это явно запрещено) с переключением на другую. Плюсы и минусы следующие:
- + не требует от задач заботы о переключении между ними, любая задача, пока от неё не требуется взаимодействия с другими задачами или пользоватлься общими ресурсами может выглядеть так же, как если бы она была в однозадачном окружении;
- + задача может оперативно получить управление в случае необходимости вне зависимости от состояния других задач, что обеспечивает работу в реальном времени;
- + широки возможности реализации защиты операционной системой задач от ошибок и атак;
- — требует специальных методов синхронизации задач друг с другом во избежание неопределённых ситуаций и конфликтов;
- — нуждается в поддержке со стороны аппаратного обеспечения (как минимум для сохранения и восстановления состояния микропроцесора при переключении);
- — требует больше системных ресурсов (память под стек и сохранение состояния для каждого процессора и время на переключение контекстов).
Невытесняющая многозадачность
Достоинства вытесняющей многозадачности оказываются наиболее существенными для большинства практических задач и поэтому практически все достаточно развитые современные операционные системы реализуют именно этот тип многозадачности.
Эффективность многозадачной системы во многом зависит от способа диспетчеризации задач на исполнение. Для понимания диспетчеризации важным является понятие состояния задачи. Основные состояния задач такие:
- выполняется;
- готова к исполнению;
- заблокирована.
Задача находится в состоянии исполнения тогда, когда под неё выделен ресурс процессора и передано управление. Очевидно, что в системе не может быть выполняющихся задач больше, чем физических процессоров. Поэтому существует второе состояние — готовность к исполнению. Задача в это состояние тогда, когда она может исполняться, то есть не существует причин, вызывающих блокировку, но вычислительные ресурсы отданы под другие задачи. В третье состояние задача попадает при невозможности её исполнения в данный момент времени. Это может быть
- ожидание какого либо события (открытия семафора, прихода сообщения и т. п.);
- незавершённая инициализация (когда ещё не созданы другой задачей или системой начальные условия для запуска);
- «заморозка» (явная остановка исполнения, обычно в отладочных целях);
- завершение (состояние «зомби», когда исполнение уже закончено, но ресурсы ещё не освобождены);
- или какие-то ещё специфические случаи.
Многие оперционные системы рассматривают эти случаи как различные, однако они имеют отражаются лишь в деталях реализации.
В отличие от первых двух, состояние блокировки, вообще говоря не является обязательным. Достаточно стандартным является лишь случай ожидания, ходя и его можно реализовать пустым циклом. Однако это является пустой тратой процессорного времени, которое можно занять другой задачей, поэтому состояние блокировки существует практически во всех многозадачных ОС.
Известно несколько основных стратегий диспетчеризации:
- круговая (round-robin)
- управление между задачами производится в в каком-либо фиксированном порядке через определённые промежутки времени;
- случайная (random)
- через каждый определённый промежуток времени управление передаётся на произвольную задачу;
- приоритетная (priority-driven)
- каждая задача имеет уровень приоритета и управление получает незаблокированная задача имеющая наибольший уровень;
- (deadline-driven)
- передача управления производится в порядке, обеспечивающем выполнение задач в определённый срок.