Операционные системы

ОБЯЗАТЕЛЬНОДЛЯ НОВИЧКОВ

Разработчику Архитектору Инженеру

Операционные системы

Что такое ОС?

★ Операционная система – самая главная программа, которая управляет всеми процессами в компьютере, обеспечивая работу оборудования, запуск приложений и взаимодействие пользователя с техникой. Без ОС компьютер – просто набор "железа", которое не понимает команд. Именно операционная система, словно душа, "оживляет" компьютер, превращая его в полезный инструмент.

ОС выполняет ключевые задачи:

Управление железом (процессором, памятью, дисками, ввод и вывод);
Запуск и работа программ (браузер, текстовый редактор, игры);
Организация файлов (хранение, поиск, копирование);
Обеспечение безопасности (разграничение прав пользователей, защита от вирусов);
Сетевые функции (подключение к сети).

Две роли ОС — виртуальная машина и диспетчер ресурсов

В учебной литературе ОС часто описывают как комплекс программ между железом и приложениями. У него две взаимодополняющие роли.

Роль	Для кого заметна	Суть
Расширенная (виртуальная) машина	Программист, пользователь	Удобные абстракции вместо сырого железа
Управление ресурсами	Система в целом	Кто, когда и сколько получит CPU, память, диск, сеть

Виртуальная машина скрывает детали устройств. Чтение с диска на уровне контроллера — десятки параметров, прерывания, учёт ошибок. Через ОС та же работа выглядит как файл: открыть → прочитать или записать → закрыть. Аналогично сокеты вместо регистров сетевой карты, процессы вместо ручной загрузки образа в память.

Диспетчер ресурсов решает, как делить машину между конкурирующими процессами. Здесь две повторяющиеся задачи:

Планирование — кому, когда и (для делимых ресурсов) в каком объёме выдать ресурс;
Мониторинг — занят ли ресурс, сколько уже выдано и сколько свободно.

Критерий "хорошей" работы ОС зависит от сценария: на сервере важна пропускная способность, на рабочей станции — отклик (реактивность). Алгоритмы планирования процессора и памяти как раз и определяют этот баланс — см. планирование CPU и управление памятью.

Два взгляда на одну систему

Программист видит в ОС удобный интерфейс (файлы, окна, API). Инженер по железу — механизм, который координирует процессоры, память, таймеры, диски и периферию. Обе точки зрения верны.

Play ITЗагрузка интерактивного демо…

Как работает ОС?

ОС – посредник между пользователем, программами и железом, и состоит из следующих компонентов:

Ядро (Kernel) – сердце ОС, отвечает за базовые операции — управление памятью, процессами, драйверами;
Драйверы – программы для работы с устройствами (видеокарта, принтер, сетевая карта);
Интерфейс – позволяет пользователю взаимодействовать с системой, к примеру, вся возможность работать через графический интерфейс в Windows. Интерфейс может быть графическим (GUI – Graphic User Interface) и командным (Command Line Interface).
Системные службы – фоновые процессы (обновления, резервное копирование, сетевое соединение);
Системные утилиты – программы, которые позволяют выполнять базовые операции и обслуживать систему (форматирование диска, диспетчер задач, терминалы, архиваторы, антивирусы);
Файловая система – система связи с носителями информации, использующая API для доступа к файлам (NTFS, FAT32, ext4).

★ Службы – фоновые программы, которые работают без участия пользователя. Например, сетевые службы DHCP, DNS, службы печати для управления принтерами, или планировщик задач для автозапуска программ.

★ Файловая система определяет способ хранения данных на диске:

FAT32 — старая, поддерживается везде, но не работает с файлами больше 4 ГБ.
NTFS (Windows) — поддерживает шифрование, большие файлы, права доступа.
ext4 (Linux) — журналируемая, устойчивая к сбоям.
APFS (macOS) — оптимизирована для SSD, быстрая работа с файлами.
exFAT — для флешек и внешних дисков (поддержка больших файлов).

ОС контролирует процессы, при помощи встроенных менеджеров. Можно выделить четыре основных вида:

Менеджер процессов распределяет ресурсы CPU и RAM между программами;
Планировщик задач решает, какая программа будет выполняться в определенный момент;
Менеджер памяти следит, чтобы приложения не "съели" всю оперативную память;
Диспетчер устройств управляет подключенным оборудованием.

Операционная система работает с устройством при помощи инструкций. И в первую очередь, зависима от архитектуры процессора, от неё зависит скорость работы, энергопотребление и совместимость.

Режимы выполнения и системный вызов

Программы пользователя выполняются в пользовательском режиме (user mode) и не могут напрямую трогать железо или чужую память. Ядро работает в привилегированном режиме (kernel mode). Переход между ними — через системный вызов (syscall) — приложение кладёт номер операции и аргументы, процессор переключается в ядро, ядро проверяет права и выполняет действие (открыть файл, выделить память, создать процесс), затем возвращает результат.

Подробнее: ядро ОС, жизненный цикл процесса, подсистема ввода-вывода.

★ Архитектура процессоров бывает нескольких видов:

x86 – старая архитектура с разрядностью в 32 бита. Поддерживает меньше ОЗУ (до 4 ГБ), медленная, и встречается на старых моделях процессоров вроде Intel Pentium или AMD Athlon.
x64 – современная версия x86, с разрядностью в 64 бита, сейчас используется почти на каждом ПК, сервере или ноутбуке, где процессоры линейки Intel Core i3/i5/i7/i9 или AMD Ryzen.
ARM64 – более энергоэффективная архитектура с разрядностью в 64 бита, но используется на смартфонах, планшетах, Apple M1/M2, и на некоторых серверах.

Важно — программы собираются под определённую архитектуру, и не все поддерживают совместимость с разными версиями, к примеру, некоторые новые программы не запустятся на x86 без "танцев с бубном".

Возможности ОС

Операционная система — это базовый программный уровень, управляющий аппаратными ресурсами компьютера и предоставляющий интерфейсы для взаимодействия с ними. Она служит мостом между пользователем или приложением и "железом", обеспечивая структурированный доступ к вычислительным мощностям. Мы уже вкратце упомянули некоторые задачи ОС.

Но что же можно делать при помощи ОС?

использовать средства для взаимодействия пользователя с системой (графический или текстовый);
управлять процессором, памятью, дисками, сетевыми адаптерами и другими компонентами;
распределять ресурсы между выполняющимися задачами;
создавать изолированные окружения для программ, чтобы они не могли нарушить работу других частей системы;
работать с устройствами через стандартные вызовы, не заботясь о деталях железа;
загружать программы из долговременной памяти в оперативную, инициировать их выполнение, организуя обмен данными и завершение;
управлять пространством на диске, разрешать конфликты, обеспечивая целостность данных;
управлять подключениями, маршрутизацией, шифрованием и обработкой ошибок;
возможность добавления или удаления функциональных блоков (например, драйверов) без пересборки всей системы;
комбинировать маленькие, специализированные утилиты для решения сложных задач;
собирать информацию о состоянии системы, событиях, производительности;

Взаимодействие пользователя с системой

Операционная система обеспечивает пользователю средства для управления компьютером и запуска приложений. Это взаимодействие может происходить через графический или текстовый интерфейс.

Графический интерфейс (GUI) состоит из окон, значков, меню и указателя мыши. Он реализуется через дисплейный сервер (например, X11 или Wayland в Linux) и среду рабочего стола (GNOME, KDE, Windows Shell, Aqua в macOS).
Текстовый интерфейс (CLI) представлен терминалом или консолью, где пользователь вводит команды. В Linux и macOS это программы вроде bash, zsh; в Windows — cmd.exe или PowerShell.
Оба интерфейса используют системные вызовы для выполнения операций, но GUI скрывает сложность за визуальными элементами, а CLI даёт точный контроль над системой.

Управление аппаратными ресурсами

ОС контролирует всё физическое оборудование — процессор, оперативную память, жёсткие диски, сетевые адаптеры, периферию.

Ядро ОС содержит подсистемы:

Менеджер CPU — распределяет время процессора между задачами.
Менеджер памяти — выделяет и освобождает участки RAM, использует виртуальную память и подкачку (swap/pagefile).
Диспетчер устройств — взаимодействует с оборудованием через драйверы, абстрагируя детали работы чипсетов и протоколов.
Подсистема ввода-вывода — координирует передачу данных между процессами и устройствами (клавиатура, диск, сеть).

Эти компоненты работают непрерывно, обеспечивая стабильность и эффективность использования "железа".

Распределение ресурсов между задачами

ОС позволяет одновременно выполнять множество программ, справедливо распределяя между ними ресурсы.

Планировщик задач определяет, какой процесс получит доступ к CPU в следующий момент, исходя из приоритета, типа задачи (фон/интерактив) и политики планирования (например, CFS в Linux).
Выделение памяти происходит в изолированных адресных пространствах, чтобы одна программа не могла случайно повредить данные другой.
Квоты и лимиты (в корпоративных системах) ограничивают потребление ресурсов конкретными пользователями или службами.

Благодаря этому даже на слабом компьютере можно одновременно просматривать веб-страницы, воспроизводить музыку и писать документ.

Изоляция программных окружений

ОС создаёт изолированные среды выполнения для приложений, предотвращая их взаимное влияние.

Каждый процесс работает в собственном виртуальном адресном пространстве.
Современные ОС применяют песочницы (sandboxing) — ограничивают доступ приложения к файловой системе, сети, микрофону (пример — App Sandbox в macOS, Windows Defender Application Guard).
В Linux изоляция усиливается с помощью namespaces и cgroups, лежащих в основе контейнеров (Docker, Podman).
Права доступа и привилегии (например, запуск от имени обычного пользователя, а не root/Administrator) дополнительно снижают риски.

Это повышает стабильность и безопасность системы в целом.

Абстракция работы с устройствами

Программы взаимодействуют с оборудованием через стандартизированные интерфейсы, не зная особенностей конкретных моделей устройств.

Ядро предоставляет унифицированные API для работы с дисками (/dev/sda), сетью (socket), принтерами и т.д.
Драйверы устройств реализуют низкоуровневую логику общения с чипсетами, но для приложения они выглядят как стандартный модуль.
Например, любая программа может записать данные в файл, не зная, используется ли SSD, HDD или сетевой том — файловая система и драйвер абстрагируют эти различия.

Это упрощает разработку ПО и обеспечивает переносимость между разными конфигурациями.

Загрузка и выполнение программ

ОС отвечает за запуск приложений: загрузку кода из долговременной памяти в оперативную, инициализацию и управление жизненным циклом процесса.

При запуске программы ядро считывает её исполняемый файл (например, .exe или ELF-бинарник) с диска.
Выделяет для неё адресное пространство, загружает код и данные в RAM.
Создаёт процесс и поток выполнения, передаёт управление точке входа (main()).
Организует механизмы межпроцессного взаимодействия (pipes, shared memory, sockets) и обработку завершения (возврат кода выхода, освобождение ресурсов).

Благодаря этому каждое приложение работает как независимая сущность в рамках единой системы.

Управление дисковым пространством и целостностью данных

ОС организует хранение информации на носителях, предотвращает конфликты и гарантирует сохранность данных даже при сбоях.

Файловая система (NTFS, ext4, APFS) определяет структуру каталогов, метаданные файлов, права доступа.
Журналирование (journaling) записывает изменения в лог перед применением, что позволяет восстановить согласованное состояние после аварийного отключения.
Блокировки файлов предотвращают одновременную запись несколькими процессами.
Проверка целостности (например, fsck или chkdsk) исправляет повреждённые структуры при необходимости.

Это обеспечивает надёжность хранения даже в условиях интенсивной работы.

Сетевое взаимодействие

ОС управляет подключением к сетям, маршрутизацией трафика, шифрованием и обработкой ошибок связи.

Сетевой стек реализует протоколы TCP/IP, UDP, ICMP и другие уровни модели OSI.
Драйверы сетевых адаптеров обеспечивают физическую передачу данных.
Брандмауэр (например, iptables, Windows Defender Firewall) фильтрует входящие и исходящие соединения.
Шифрование поддерживается на уровне TLS/SSL (в приложениях) или IPsec (на уровне ОС).
Маршрутизация и NAT позволяют устройству работать в составе локальной сети и выходить в интернет.

Благодаря этому компьютер становится полноценным участником глобальной или локальной сети.

Модульность и расширяемость

ОС позволяет добавлять или удалять функциональные компоненты без пересборки всей системы.

Загружаемые модули ядра (например, .ko в Linux, .sys в Windows) позволяют подключать драйверы и подсистемы "на лету".
Пакетные менеджеры (APT, YUM, Homebrew, MSI) управляют установкой и удалением программ и библиотек.
Плагины и расширения в пользовательском пространстве (например, драйверы печати, кодеки) дополняют функционал без изменения ядра.

Это делает систему гибкой и адаптируемой под разные задачи.

Композиция утилит

ОС позволяет комбинировать небольшие специализированные программы для решения сложных задач.

В Unix-подобных системах действует принцип: "каждая программа делает одно, но делает это хорошо".
Конвейеры (pipes) связывают вывод одной утилиты со вводом другой: ls | grep .txt | wc -l.
Перенаправление потоков (>, >>, <) позволяет работать с файлами как с источниками или приёмниками данных.
Скрипты (Bash, PowerShell) объединяют последовательности команд в автоматизированные процедуры.

Этот подход лежит в основе мощной и гибкой системной автоматизации.

Мониторинг состояния и производительности

ОС собирает и предоставляет информацию о работе системы — загрузке ресурсов, событиях, ошибках, активности процессов.

Журналы событий (systemd journal, Windows Event Log) фиксируют действия ядра, служб и приложений.
Утилиты мониторинга — top, htop, iostat, netstat, Task Manager, Activity Monitor — показывают текущее состояние.
Счётчики производительности (performance counters) предоставляют данные для анализа и диагностики.
Интерфейсы для сбора метрик (например, /proc и /sys в Linux) позволяют сторонним инструментам (Prometheus, Zabbix — практикум) получать данные в реальном времени.

Это помогает администраторам и разработчикам поддерживать стабильность и выявлять узкие места.

Загрузка ОС

Загрузка операционной системы — это последовательный процесс инициализации аппаратного обеспечения и передачи управления от микропрограммы к программному ядру, а затем к пользовательским службам и интерфейсу. Этот процесс начинается с момента включения питания компьютера и завершается готовностью системы к взаимодействию с пользователем.

Play ITЗагрузка интерактивного демо…

BIOS (Basic Input/Output System) — устаревшая, но всё ещё встречающаяся микропрограмма, хранящаяся в энергонезависимой памяти материнской платы. При включении питания BIOS выполняет следующие действия:

Проводит POST (Power-On Self-Test) — проверку работоспособности основных компонентов — процессора, оперативной памяти, видеокарты, клавиатуры.
Инициализирует минимально необходимые устройства ввода-вывода.
Ищет загрузочное устройство по заранее заданному порядку (обычно: жёсткий диск → USB → CD/DVD → сеть).

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) — современная замена BIOS, обладающая расширенными возможностями:

Поддерживает диски объёмом более 2 ТБ благодаря использованию таблицы разделов GPT вместо MBR.
Обеспечивает более быстрый запуск за счёт оптимизированной инициализации оборудования.
Включает встроенный менеджер загрузки, безопасную загрузку (Secure Boot), графический интерфейс и сетевые функции.
Может выполнять приложения непосредственно из прошивки (например, диагностические утилиты или веб-браузер).

Обе системы — BIOS и UEFI — завершают свою работу, передавая управление загрузчику, расположенному на выбранном загрузочном устройстве.

Загрузчик (Bootloader) — специальная программа, хранящаяся в загрузочном секторе диска (MBR или EFI-раздел). Она отвечает за подготовку среды для запуска ядра операционной системы.

Примеры загрузчиков:

GRUB (Grand Unified Bootloader) — используется в большинстве Linux-дистрибутивов. Поддерживает выбор между несколькими установленными ОС, редактирование параметров загрузки, восстановление системы.
Windows Boot Manager — стандартный загрузчик Windows, интегрированный с UEFI и поддерживающий Secure Boot.
rEFInd — альтернативный загрузчик для macOS и Linux на Mac-устройствах.
LILO — устаревший загрузчик для Linux, почти не используется в новых системах.

Загрузчик:

Читает конфигурационные файлы (например, /boot/grub/grub.cfg в Linux).
Загружает образ ядра (vmlinuz) и начальный RAM-диск (initramfs) в оперативную память.
Передаёт управление ядру, указывая корневую файловую систему и параметры запуска.

После получения управления ядро ОС начинает инициализацию:

Настраивает базовые подсистемы — управление памятью, планировщик задач, виртуальную файловую систему (VFS).
Загружает необходимые драйверы устройств — либо встроенные, либо из initramfs, если корневая файловая система находится на сложном хранилище (LVM, RAID, шифрованный диск).
Монтирует корневую файловую систему (/) в режиме только для чтения, затем переключает её в полноценный режим записи.
Выполняет проверку целостности файловой системы (например, через fsck в Linux).

На этом этапе система уже способна работать на уровне ядра, но пользовательские процессы ещё не запущены.

После успешной инициализации ядро запускает первый пользовательский процесс, традиционно называемый init. Этот процесс имеет PID = 1 и является родителем всех остальных процессов в системе.

Разные ОС используют разные реализации init:

systemd — современная система инициализации в большинстве Linux-дистрибутивов. Управляет службами, монтированием, сетью, журналом событий (через journald). Запускает графическую оболочку (например, GNOME или KDE) через дисплейный менеджер (gdm, sddm).
launchd — система инициализации в macOS и iOS. Отвечает за запуск фоновых служб, демонов, агентов пользователя и приложений при входе в систему.
services.exe — компонент Windows NT, управляющий системными службами, драйверами, сеансами пользователей и графической подсистемой Win32.

Init-процесс:

Запускает системные службы (сетевые интерфейсы, cron, SSH, печать).
Инициализирует графическую подсистему (если используется).
Предлагает пользователю экран входа (login screen) или автоматически авторизует его.
Готовит окружение для запуска приложений.

После завершения работы init-процесса система считается полностью загруженной и готовой к использованию.

Обновления и жизненный цикл ОС

Операционные системы регулярно получают исправления, новые функции и обновления безопасности в рамках своего жизненного цикла.

Жизненный цикл операционной системы — это период от её первого официального выпуска до прекращения поддержки разработчиком. В течение этого времени ОС получает регулярные обновления, исправления ошибок, улучшения безопасности и новые функции. После завершения жизненного цикла система больше не получает обновлений, что делает её уязвимой и потенциально непригодной для использования в современных условиях.

Цикл поддержки определяет, сколько лет после релиза операционная система будет получать официальные обновления от разработчика. Он делится на несколько фаз:

Активная поддержка — полный набор обновлений — исправления, новые функции, улучшения интерфейса, драйверов и производительности.
Поддержка только безопасности — прекращается выпуск новых функций, но продолжаются патчи, закрывающие критические уязвимости.
Конец поддержки (End of Life, EOL) — все обновления прекращаются. Использование такой системы становится рискованным.

Примеры:

Windows 10 — поддержка завершилась в октябре 2025 года.
Ubuntu LTS (Long-Term Support) — поддержка длится 5 лет с возможностью продления до 10 лет через Extended Security Maintenance (ESM).
macOS — Apple обычно поддерживает последнюю версию и две предыдущие, но точные сроки зависят от аппаратной совместимости.
RHEL (Red Hat Enterprise Linux) — стандартный цикл составляет 10 лет, включая фазы Full Support, Maintenance Support и Extended Life Phase.

Операционные системы получают обновления разных категорий, каждая из которых решает определённую задачу.

Патчи безопасности — исправления, направленные на устранение уязвимостей, которые могут быть использованы злоумышленниками для получения несанкционированного доступа, выполнения кода или кражи данных. Такие обновления часто выпускаются в рамках "Patch Tuesday" (например, Microsoft) или по мере обнаружения угроз.

Функциональные обновления — добавляют новые возможности, улучшают пользовательский интерфейс, расширяют поддержку оборудования или вводят новые API для разработчиков. Пример: переход с Windows 10 версии 21H2 на 22H2.

Сервис-паки — крупные накопительные обновления, объединяющие множество исправлений, улучшений и иногда даже изменений в архитектуре системы. В современных ОС концепция сервис-паков уступила место непрерывному потоку обновлений (rolling updates), но в корпоративных системах (например, Windows Server) они всё ещё актуальны.

Обновления ядра и драйверов — особенно важны в Linux-системах, где ядро может обновляться независимо от пользовательского окружения. В Windows и macOS такие компоненты обновляются как часть системного пакета.

Выбор между автоматическими и ручными обновлениями зависит от требований к стабильности, безопасности и контролю над системой.

Автоматические обновления обеспечивают максимальную защиту и удобство. Система сама загружает и устанавливает патчи без участия пользователя. Это особенно важно для домашних устройств и рабочих станций, где безопасность критична, а технические знания ограничены.

НО! В 2024-2026 годах Microsoft наглядно показала миллионам пользователей, что автоматическое принудительное обновление системы влечёт не только безопасность и свежесть функций, но и проблемы. Например, если в обновлении будет сломана часть системы, то она сломается у всех пользователей.

Ручные обновления дают администратору полный контроль над тем, когда и какие изменения применяются. Это необходимо в корпоративной среде, где каждое обновление должно пройти тестирование на совместимость с внутренним ПО, оборудованием и бизнес-процессами. Ручное управление также позволяет отложить обновление, если оно вызывает регрессии или конфликты.

Некоторые ОС предлагают гибридный подход:

Windows — позволяет откладывать функциональные обновления на несколько недель, но критические патчи безопасности устанавливаются принудительно.
Linux (Debian/Ubuntu) — через unattended-upgrades можно настроить автоматическую установку только обновлений безопасности.
macOS — разделяет обновления безопасности и крупных версий, позволяя устанавливать первые автоматически, а вторые — вручную.

Маршрут B — база курса по ОС

После этой вводной статьи логично пройти историю ОС

требования и подходы к реализации и архитектуру ядра

блок процессов и памяти — см. о разделе, маршрут B.

Чтобы материал не оставался "академическим", удобно смотреть на ОС через ежедневные сценарии:

Приложение "зависло": это почти всегда вопрос процессов, потоков и планировщика. См. планирование CPU, процессы в Linux.
Компьютер тормозит при открытии программ: обычно узкое место в памяти и вводе-выводе. См. память, замещение страниц, подсистема ввода-вывода.
Система нестабильна после обновления: помогает понимание цепочки загрузки и жизненного цикла ОС. См. историю ОС, требования и подходы.
Нужно выбрать ОС под проект: сначала формулируют требования, затем выбирают архитектуру и платформу. См. классификацию ОС, ядро ОС.

Если проходить раздел как учебный маршрут, полезная последовательность такая: История операционных систем -> Требования к ОС и подходы к реализации -> Ядро операционной системы -> Управление процессами в Linux -> Планирование процессора — классические алгоритмы -> Гонки, критические секции и разделяемая память -> Тупики (deadlock) и защита от них -> Подсистема ввода-вывода в ОС -> Алгоритмы замещения страниц.

В подборках

Статья входит в тематические подборки и блок "С чего начать?" на главной. Соседние шаги того же маршрута:

Мобильная разработка — iOS, Android, Мобильные приложения, Мобильные приложения, Компоненты пользовательского интерфейса на Android, Сборка и развёртывание мобильных приложений.

Операционные системы