История наиболее распространенных операционных систем

Первые многозадачные операционные системы появились в 60-е годы в результате дальнейшего развития систем пакетной обработки заданий. Основным стимулом к их появления стали новые аппаратные возможности ЭВМ.
Во-первых, появились новые эффективные носители информации, на которых можно было легко автоматизировать поиск требуемых данных: магнитные ленты, магнитные цилиндры и магнитные диски. Это, в свою очередь, изменило структуру прикладных программ – теперь они могли в процессе работы загрузить дополнительные данные для вычислений или процедуры из стандартных библиотек.
Заметим теперь, что простая пакетная система, приняв задачу, обслуживает ее вплоть до полного завершения, а это значит, что во время загрузки дополнительных данных или кода процессор простаивает, при этом стоимость простоя процессора возрастает с ростом его производительности, так как более производительный процессор мог бы сделать за время простоя большее количество полезной работы.
Во-вторых, производительность процессоров существенно возросла, и потери процессорного времени в простых пакетных системах стали недопустимо велики.
В этой связи логичным шагом стало появление многозадачных пакетных систем. Необходимым условием для создания многозадачных систем является достаточный объем памяти компьютера. Для многозадачности объем памяти должен быть достаточен для размещения, по крайней мере, двух программ одновременно.
Основная идея многозадачности вполне очевидна – если текущая программа приостанавливается в ожидании завершения ввода-вывода, то процессор переходит к работе с другой программой, которая в данный момент готова к выполнению.
Однако, переход к другой задаче должен быть сделан так, чтобы сохранить возможность вернуться к брошенной задаче спустя некоторое время и продолжить ее работу с точки останова. Для реализации такой возможности в операционную систему потребовалось ввести специальную структуру данных, определяющую текущее состояние каждой задачи – контекст процесса. Контекст процесса определен в любой современной операционной системе таким образом, чтобы данных из него было бы достаточно для полного восстановления работы прерванной задачи.
Появление многозадачности потребовало реализации в составе операционной системы сразу нескольких фундаментальных подсистем, которые также представлены в любой современной операционной системе. Перечислим их:
1) подсистема управления процессорами – определяет какую задачу и в какое время следует передать процессору для обслуживания;
2) подсистема управления памятью – обеспечивает бесконфликтное использование памяти сразу несколькими программами;
3) подсистема управления процессами – обеспечивает бесконфликтное разделение ресурсов компьютера (например, магнитных дисков или общих подпрограмм) сразу несколькими программами.
В рамках этого курса будет подробно рассмотрена реализация указанных подсистем в современных операционных системах.
Почти сразу после появления многозадачных операционных систем, было замечено, что многозадачность полезна не только для повышения коэффициента использования процессора. Например, на основе многозадачности можно реализовать многопользовательский режим работы компьютера, т.е. подключить к нему несколько терминалов одновременно, причем для пользователя за каждым терминалом будет создана полная иллюзия, что он работает с машиной один. До эпохи массового использования персональных компьютеров, многопользовательский режим был основным режимом работы практически для всех ЭВМ. Повсеместная поддержка многопользовательского режима резко расширила круг пользователей компьютеров, сделала его доступным для людей различных профессий, что в конечном итоге и привело к современной компьютерной революции и появлению ПК.
При этом в зависимости от алгоритмов, положенных в основу работы подсистемы управления процессорами, операционная система, а с ней и вся ЭВМ, приобретает различные свойства. Например, многозадачная пакетная система, переключающаяся на другую задачу только при невозможности продолжить текущую, способна обеспечить максимальную пропускную способность компьютера, т.е. максимизировать среднее число задач, решаемых в единицу времени, но из-за непредсказуемости времени ответа многозадачная пакетная система совершенно не подходит для интерактивной системы, немедленно реагирующей на пользовательский ввод.
Многозадачная система с принудительным вытеснением задачи по истечению кванта времени идеально подходит для интерактивной системы, но не обеспечивает максимальной производительности для вычислительных задач.
Появление многозадачности было вызвано желанием максимально использовать процессор, исключив по возможности его простои, и в настоящее время многозадачность является неотъемлемым качеством практически любой современной операционной системы.

5. Операционные системы с поддержкой виртуальной памяти.

Появление системы виртуальной памяти в конце 60-х, стало последним шагом на пути к современным операционным системам. Появление в дальнейшем графических пользовательских интерфейсов и даже поддержка сетевого взаимодействия уже не были столь революционными решениями, хотя и существенно повлияли и на развитие аппаратуры компьютеров, и на развитие самих операционных систем.
Толчком к появлению виртуальной памяти стали сложности управления памятью в многозадачных операционных системах. Основные проблемы здесь следующие:
- Программы, как правило, требуют для своего размещения непрерывную область памяти. В ходе работы, когда программа завершается, она освобождает память, но этот регион памяти далеко не всегда пригоден для размещения новой программы. Он или слишком мал, и тогда для размещения программы приходится искать участок в другой области памяти, или слишком велик, и тогда после размещения новой программы останется неиспользуемый фрагмент. При работе операционной системы, вскоре образуется очень много таких фрагментов – суммарный объем свободной памяти велик, но разместить новую программу не удается так как нет ни одной достаточно длинной непрерывной свободной области. Такое явление называется фрагментацией памяти.
- В случае, когда несколько программ одновременно находятся в общей памяти, ошибочные или преднамеренные действия со стороны какой-либо программы могут нарушить выполнение других программ, кроме того, данные или результаты работы одних программ могут быть несанкционированно прочитаны другими программами.
Как будет показано в рамках данного курса дальше, виртуальная память не только идеально решает подобные проблемы, но также предоставляет новые возможности для дальнейшей оптимизации работы всей вычислительной системы.
Решающей предпосылкой для появления системы виртуальной памяти стал механизм свопинга (от англ. to swap – менять, обменивать).
Идея свопинга состоит в том, чтобы выгружать из ОЗУ во вторичную память (на магнитный диск) программы, временно снятые с выполнения, и загружать их обратно в ОЗУ, когда они становятся готовыми к дальнейшему выполнению. Таким образом, происходит постоянный обмен программами между ОЗУ и вторичной памятью.
Свопинг позволяет освободить место в оперативной памяти для загрузки новых программ за счет выталкивания во вторичную память программ, которые не могут выполняться в данный момент. Свопинг достаточно эффективно решает проблему нехватки оперативной памяти и фрагментации, но не решает проблемы защиты.
Виртуальная память также основана на выталкивании части программ и данных из оперативной памяти во вторичную память, но реализуется гораздо сложнее и требует обязательной поддержки от аппаратных средств процессора. Конкретные механизмы работы виртуальной памяти будут рассмотрены в дальнейшем.
В конечном итоге, система виртуальной памяти организует собственное адресное пространство для каждой запущенной программы, которое называется виртуальное адресное пространство. При этом участки виртуального адресного пространства, по усмотрению операционной системы, могут отображаться либо на участки оперативной памяти, либо на участки вторичной памяти (см. Рисунок 2).

6. Графические интерфейсы пользователя.

С конца 80-х, персональные компьютеры получили повсеместное распространение, и в сообщество пользователей ПК оказалось вовлечено множество людей различных специальностей. Многие из них не имели специальной компьютерной подготовки, но хотели использовать компьютер в своей работе, т.к. использование компьютера давало ощутимые преимущества в их деле.
С другой стороны, усложнение операционных систем и прикладных программ сделало управление ими достаточно сложной задачей даже для специалистов, и интерфейс командной строки, который к этому времени стал стандартом для операционных систем, перестал удовлетворять практическим запросам.
Наконец, появились новы аппаратные возможности: цветные графические мониторы, высокопроизводительные графические контроллеры и манипуляторы типа мышь.
Таким образом, в конце 80-х сложились все условия для повсеместного перехода на графический интерфейс пользователя: с одной стороны возникла потребность в более простом и удобном механизме управления компьютером, с другой стороны, развитие аппаратных средств позволяло построить такой механизм.
Основная идея графического интерфейса пользователя состоит в следующем:
- пользователю, в зависимости от текущей ситуации, предлагается выбрать один из нескольких альтернативных вариантов дальнейших действий;
- возможные варианты действий пользователя представлены на экране ЭВМ в виде текстовых строк (меню) или схематичных рисунков (пиктограмм);
- для выбора одного из вариантов дальнейших действий достаточно совместить на экране монитора указатель (курсор) с элементом меню или пиктограммой и нажать заранее определенную клавишу (обычно это <пробел>, <ввод> или кнопка мышки), чтобы проинформировать систему о сделанном выборе.
Первый графический интерфейс был разработан в 81 году в компании Xerox. Говорят, что посещение главой компании Microsoft Билом Гейтсом компании Xerox и знакомство с ее разработками в области графических пользовательских интерфейсов, подвигли Microsoft на создание собственных графических интерфейсов пользователя.
В настоящее время наиболее совершенным графическим интерфейсом обладает, по-видимому, операционные системы семейства Windows, эти графические интерфейсы являются как бы стандартов де-факто для графических интерфейсов пользователя.
Использование графического интерфейса оказалось настолько простым и интуитивно понятным, что компьютеры в настоящее время стали эффективно использовать в своей работе люди, которые даже не имеют никакого представления об архитектуре самого компьютера, операционной системы или прикладной программы.
В конечном итоге, появление графических интерфейсов пользователя в составе операционных систем и прикладных программ оказало колоссальное влияние на компьютеризацию современного общества.

7. Встроенная поддержка сети.

Встроенная сетевая поддержка в составе операционных системах общего назначения впервые появилась в середине 90-х, и первоначально обеспечивала только доступ к удаленным файлам, расположенным на дисках другого компьютера. Первоначально, поддержка сети требовалась только в небольших офисах для совместной работы нескольких компьютеров над одним документом.
Однако развитие сети Интернет быстро привело к необходимости встроить сетевую поддержку даже в операционные системы для домашних компьютеров. Кроме того, интересно отметить, что постоянное снижение стоимости домашних компьютеров в последние годы вызвало к жизни домашние компьютерные сети, когда в одной семье используется несколько компьютеров с возможностью совместного использования общего принтера, сканера или другого оборудования.
Вершиной интеграции при сетевом взаимодействии являются сетевые операционные системы, объединяющие ресурсы всех компьютеров сети в общий сетевой ресурс, доступный любому компьютеру сети. Разумное использование сетевой операционной системы позволяет решать сложные переборные или оптимизационные задачи при наличии в сети достаточно большого количества ЭВМ, каждая из которых в отдельности не в состоянии решить задачу за приемлемое время.

В проекте Multics в период 1965 – 1969 гг. совместно участвовали компании Bell Labs и General Electric. Целью проекта Multics было создание новой многопользовательской многозадачной интерактивной операционной системы, сочетающей удобство использования с мощной и эффективной системой управления ресурсами. В основу Multics были положены следующие технические решения:
- виртуальная память с сегментно-страничной организацией, контролирующая права доступа на запись, чтение или исполнение для каждого сегмента;
- централизованная файловая система, обеспечивающая организацию данных, даже находящихся на разных физических устройствах, в виде единой древовидной структуры каталогов/файлов;
- отображение содержимого файла в виртуальное адресное пространство процесса с использованием механизмов управления виртуальной памятью.
Все эти решения характерны и для современных операционных систем. Однако проект Multics не был завершен. Руководство компании Bell Labs приняло решение о выходе из проекта, посчитав дальнейшее финансирование проекта нецелесообразным, так как большие средства, уже вложенные в проект, не приносили отдачи.
Несмотря на досрочное прекращение, в ходе проекта Multics были определены базовые принципы управления ресурсами и архитектуры операционных систем, которые успешно используются до настоящего времени, а специалисты, участвующие в проекте, получили бесценный опыт. Среди участников проекта Multics были Кен Томпсон и Деннис Ритчи, будущие авторы первой версии UNIX.

Возникновение операционной системы UNIX

После прекращения проекта Multics, Кен Томпсон, Деннис Ритчи и некоторые другие сотрудники Bell Labs продолжили исследовательскую работу в области операционных систем, и вскоре предложили идею усовершенствованной файловой системы. По счастливому стечению обстоятельств, компания Bell Labs в то время испытывала острую потребность в удобных и эффективных средствах ведения документации, и новая файловая система могла здесь оказаться полезной.
В 1969 Кен Томпсон реализовал на машине PDP-7 операционную систему, включающую в себя новую файловую систему, а также специальные средства управления процессами и памятью, позволяющие работать на одной машине PDP-7 сразу двум пользователям в режиме разделения времени. Первыми пользователями новой операционной системы стали сотрудники патентного отдела Bell Labs.
Брайан Керниган предложил назвать новую систему UNICS – Uniplexed Information and Computing System. Название понравилось разработчикам, отчасти еще и потому, что напоминало Multics. Вскоре название стали записывать как UNIX – произносится также, но запись короче на одну букву. Это название дошло до настоящего времени.
В 1971 году, после переноса UNIX на PDP-11, была выпущена первая редакция документации, и новая операционная система появилась уже официально.
Первая редакция UNIX была написана на ассемблере, что накладывало определенные трудности при переносе операционной системы на другие платформы, поэтому для работы над второй редакцией UNIX, Кен Томпсон разработал собственный язык программирования B. Вторая редакция вышла в 1972 году и содержала программные каналы, позволяющие устанавливать взаимодействие между программами, одновременно выполняющимися на ЭВМ.
Появление операционной системы, написанной не на ассемблере, было революционным шагом в области системного программирования, но язык B содержал в себе ряд ограничений, сдерживающих его применение. Поэтому в 1973 году Деннис Ритчи разработал язык C, и операционная система была переписана на новом языке.
В 1975 году появилась первая коммерческая версия UNIX, известная как UNIX v.6 и UNIX начала свое триумфальное шествие по миру.

Основные этапы развития UNIX

1976. В университете г. Беркли сложилась группа студентов и профессоров, серьезна занявшаяся системой UNIX. В последствие группой университета Беркли основала собственную ветвь развития ОС UNIX – BSD UNIX (Berkeley Software Distribution). В ветви BSD впервые появились такие известные компоненты UNIX, как текстовый редактор vi, стек протоколов TCP/IP, страничный механизм в системе управления виртуальной памятью.
1977. Первый опыт по переносу UNIX на другую аппаратную платформу (отличную от PDP-11). В университете Воллонгонга в Австралии профессор Джюрис Рейндфельдс частично перенес UNIX на 32 разрядную машину.
1978. Томпсон и Ритчи в Bell Labs осуществили полный перенос UNIX на 32 разрядную машину. Перенос сопровождался существенными изменениями в организации системы, которые позволили упростить последующие переносы UNIX на другие платформы. Одновременно язык C был расширен практически до современного состояния.
1978. Специально для поддержки UNIX в Bell Labs создано подразделение USG (UNIX Support Group).
1982. USG выпустила UNIX System III, которая аккумулировала лучшие решения, представленные в различных версиях UNIX, известных к тому времени. Впервые представлены именованные программные каналы.
1983. Выход Unix System V. В ней впервые представлены семафоры, средства разделения памяти и очереди сообщений, а для повышения производительности использовано кэширование данных.
1984. USG преобразована в лабораторию по развитию UNIX – USDL (UNIX System Development Laboratories). Выпущена версия UNIX System V Release 2 (SVR2). В системе реализована возможность блокировки файлов и копирования совместно используемых страниц памяти при записи.
1986. Появление графического интерфейса для UNIX-подобных операционных систем – графическая система X Windows.
1987. USDL выпустила UNIX System V Release 3 (SVR3). Впервые представлены современные возможности межпроцессного взаимодействия, разделение удаленных файлов, обработка сигналов.
1989. Выход UNIX System V Release 4 (SVR4). UNIX впервые реализована на основе концепции микроядра. Введена поддержка процессов реального времени, и легковесных процессов.

Операционная система Linux

В настоящее время операционная система Linux переживает этап бурного развития. И хотя это молодая операционная система, возраст которой всего чуть более 10 лет, она уже успела получить признание многих тысяч пользователей.
У истоков операционной системы Linux стоял Линус Торвальдс, в то время студент-первокурсник, который в конце 1991 г. поместил в Интернет разработанную им микро операционную систему Linux и пригласил всех желающих принять участие в развитии этой системы. В результате к проекту подключилось множество талантливых программистов, и совместными усилиями большого числа людей, взаимодействующих через Интернет, была разработана весьма совершенная операционная система.
В основу Linux легли некоторые решения из UNIX BSD 4.2, и поэтому Linux обычно рассматривают как самостоятельную ветвь UNIX-подобных операционных систем.
В настоящее время Linux развивается в рамках технологии Open Source – открытых исходных текстов, доступных всем желающим. Любой человек может разработать и послать свои изменения или дополнения к Linux, а инсталляцию Linux можно получить бесплатно через Интернет.
В настоящее время Linux также разделился на несколько самостоятельных ветвей, между которыми все еще много общего, но есть отличия в реализации некоторых компонентов, как в ядре системы, так и в различных утилитах.
Операционная система Linux сейчас рассматривается многими людьми как серьезная альтернатива операционным системам семейства Windows. Система Linux устойчиво работает и обеспечивает высокую производительность. Единственное, что все еще сдерживает распространение Linux, это недостаточное число офисных прикладных программ, таких как текстовые процессоры или электронные таблицы. Но в последнее время количество таких программ неуклонно растет, а качество их пользовательских интерфейсов приближается к привычному для пользователей Windows.
Еще одна проблема системы Linux состоит в том, что она обычно отстает с поддержкой новейших аппаратных средств, но это тоже имеет свое объяснение. Разработчики этих аппаратных средств всегда предоставляют ведущим производителям операционных систем сведения о них еще до появления данного аппаратного средства на рынке, поэтому, например, Windows обычно обеспечивает поддержку новых аппаратных средств сразу же при их появлении на рынке. Авторитет системы Linux в среде разработчиков аппаратных средств неуклонно растет, поэтому можно надеяться, что проблема поддержки аппаратных средств скоро решиться.