Student’s digital skills

University of Helsinki – orientation (2 sp)

Operating system and user interface

As already mentioned, in addition to the hardware, a computer also needs a set of programs—an operating system—to control the devices. This page will discuss the following:

• There are different kinds of operating systems : such as Windows, Linux and Mac OS
• There are also different versions of these operating systems, e.g. Windows 7, 8 and 10
• Operating systems can be used with different user interfaces (UI) : text user interfaces (TUI) and graphical user interfaces (GUI) as examples
• Graphical user interfaces have many similarities in different operating systems : such as the start menu, desktop etc.

When you can recognize the typical parts of each operating system’s user interface, you will mostly be able to use both Windows and Linux as well as e.g. Mac OS.

The role of operating system in the computer

An operating system (OS) is a set of programs which ensures the interoperability of the hardware and software in your computer. The operating system enables, among other things,

• the identification and activation of devices connected to the computer,
• the installation and use of programs, and
• the handling of files.

What happens when you turn on your computer or smartphone?
– The computer checks the functionality of its components and any devices connected to it, and starts to look for the OS on a hard drive or other memory media.
– If the OS is found, the computer starts to load it into the RAM (Random Access Memory).
– When the OS has loaded, the computer waits for commands from you.

Different operating systems

Over the years, several different operating systems have been developed for different purposes. The most typical operating systems in ordinary computers are Windows, Linux and Mac OS.

Windows

The name of the Windows OS comes from the fact that programs are run in “windows”: each program has its own window, and you can have several programs open at the same time. Windows is the most popular OS for home computers, and there are several versions of it. The newest version is Windows 10.

Linux and Unix

Linux is an open-source OS, which means that its program code is freely available to software developers. This is why thousands of programmers around the world have developed Linux, and it is considered the most tested OS in the world. Linux has been very much influenced by the commercial Unix OS.

In addition to servers, Linux is widely used in home computers, since there are a great number of free programs for it (for text and image processing, spreadsheets, publishing, etc.). Over the years, many different versions of Linux have become available for distribution, most of which are free for the user (such as Ubuntu, Fedora and Mint, to name a few). See the additional reading material for more information on Linux.

Mac OS X

Apple’s Mac computers have their own operating system, OS X. Most of the programs that are available for PCs are also available for Macs running under OS X, but these two types of computers cannot use the exact same programs: for example, you cannot install the Mac version of the Microsoft Office suite on a Windows computer. You can install other operating systems on Mac computers, but the OS X is only available for computers made by Apple. Apple’s lighter portable devices (iPads, iPhones) use a light version of the same operating system, called iOS.

Mac computers are popular because OS X is considered fast, easy to learn and very stable and Apple’s devices are considered well-designed—though rather expensive. See the additional reading material for more information on OS X.

Android

Android is an operating system designed for phones and other mobile devices. Android is not available for desktop computers, but in mobile devices it is extremely popular: more than a half of all mobile devices in the world run on Android.

User interfaces

A user interface (UI) refers to the part of an operating system, program, or device that allows a user to enter and receive information. A text-based user interface (see the image to the left) displays text, and its commands are usually typed on a command line using a keyboard. With a graphical user interface (see the right-hand image), the functions are carried out by clicking or moving buttons, icons and menus by means of a pointing device.

Larger image: text UI | graphical UI

The images contain the same information: a directory listing of a computer. You can often carry out the same tasks regardless of which kind of UI you are using.

Text user interface (TUI)

Modern graphical user interfaces have evolved from text-based UIs. Some operating systems can still be used with a text-based user interface. In this case, the commands are entered as text (e.g., “cat story.txt”).

To display the text-based Command Prompt in Windows, open the Start menu and type cmd. Press Enter on the keyboard to launch the command prompt in a separate window. With the command prompt, you can type your commands from the keyboard instead of using the mouse.

Graphical user interface

In most operating systems, the primary user interface is graphical, i.e. instead of typing the commands you manipulate various graphical objects (such as icons) with a pointing device. The underlying principle of different graphical user interfaces (GUIs) is largely the same, so by knowing how to use a Windows UI, you will most likely know how to use Linux or some other GUI.

Most GUIs have the following basic components:

• a start menu with program groups
• a taskbar showing running programs
• a desktop
• various icons and shortcuts.

Operating Systems: Three Easy Pieces. Part 1: Intro (перевод)

Привет, Хабр! Хочу представить вашему вниманию серию статей-переводов одной интересной на мой взгляд литературы — OSTEP. В этом материале рассматривается достаточно глубоко работа unix-подобных операционных систем, а именно — работа с процессами, различными планировщиками, памятью и прочиими подобными компонентами, которые составляют современную ОС. Оригинал всех материалов вы можете посмотреть вот тут. Прошу учесть, что перевод выполнен непрофессионально (достаточно вольно), но надеюсь общий смысл я сохранил.

Лабораторные работы по данному предмету можно найти вот тут:

Работа программы

Что же происходит когда работает какая-либо программа? Запущенная программ выполняет одну простую вещь — она исполняет инструкции. Каждую секунду миллионы и даже возможно миллиарды инструкций извлекаются процессором из оперативной памяти, в свою очередь он декодирует их (например, распознает к какому типу, принадлежат эти инструкции) и исполняет. Это могут быть сложение двух чисел, доступ к памяти, проверка условия, переход к функции и так далее. После окончания выполнения одной инструкции процессор переходит к выполнению другой. И так инструкция за инструкцией, они исполняются до тех пор, пока программа не завершится.

Данный пример естественно рассмотрен упрощенно — на самом деле для ускорения работы процессора современное железо позволяет исполнять инструкции вне очереди, просчитывать возможные результаты, выполнять инструкции одновременно и тому подобные ухищрения.

Фон-Неймановская модель вычисления

Описанная нами упрощенная форма работы похожа на Фон-Неймановскую модель вычислений. Фон-Нейман это один из пионеров компьютерных систем, также он один из авторов теории игр. Во время работы программы происходит еще куча других событий, работает множество других процессов и сторонней логики, основная цель которых — упрощение запуска, работы и обслуживания системы.

Существует набор программного обеспечения, который ответственен за простоту запуска программ (или даже позволяющий запускать несколько программ одновременно), он позволяет программам разделять одну и ту же память, а так же взаимодействовать с различными устройствами. Такой набор ПО (программного обеспечения) по сути и называют операционной системой и в его задачи входит отслеживание того, чтобы система работала корректно и эффективно, а также обеспечение простоты управления этой системой.

Операционная система

Операционная система, сокращенно ОС — комплекс взаимосвязанных программ, предназначенных для управления ресурсами компьютера и организации взаимодействия пользователя с компьютером.

ОС добивается своей эффективности в первую очередь, через самую главную технику — технику виртуализации. ОС взаимодействует с физическим ресурсом (процессором, памятью, диском и тому подобные) и трансформирует его в более общую, с большими возможностями и более простую для использования форму самого себя. Поэтому для общего понимания, можно очень грубо сравнить операционную систему с виртуальной машиной.

Для того чтобы позволять пользователям давать команды операционной системе и таким образом использовать возможности виртуальной машины (такие как: запуск программы, выделение памяти, доступ к файлу и так далее), операционная система предоставляет некоторый интерфейс, называемый API (application programming interface) и к которому можно делать вызовы (call). Типичная операционная система дает возможность сделать сотни системных вызовов.

И наконец, поскольку виртуализация позволяет множеству программ работать (таким образом, совместно использовать CPU), и одновременно получать доступ к их инструкциям и данным (тем самым разделяя память), а также получать доступ к дискам (таким образом, совместно использовать устройства ввода-вывода), операционную систему еще называют менеджером ресурсов. Каждый процессор, диск и память это ресурс системы и таким образом одной из ролей операционной системы становится задача по управлению этими ресурсами, делая это эффективно, честно или, наоборот, в зависимости от задачи, для которой эта операционная система разработана.

Виртуализация CPU

Рассмотрим следующую программу:
(https://www.youtube.com/watch?v=zDwT5fUcki4)

Она не выполняет каких-то особых действий, по сути всё что она делает — вызывает функцию spin(), задача которой циклическая проверка времени и возврат, после того как прошла одна секунда. Таким образом, она повторяет бесконечно строку, которую пользователь передал в качестве аргумента.

Запустим эту программу, и передадим ей аргументом символ “А”. Результат получается не особо интересный — система просто выполняет программу, которая периодически выводит на экран символ “А”.

Теперь попробуем вариант, когда запущено множество экземпляров одной и той же программы, но выводящие разные буквы, чтобы было понятнее. В этом случае, результат получится несколько иной. Не смотря на то, что у нас один процессор, программа выполняется одновременно. Как же так получается? А получается что операционная система, не без помощи возможностей оборудования, создает иллюзию. Иллюзию того, что в системе есть несколько виртуальных процессоров, превращая один физический процессор в теоретически бесконечное количество и тем самым позволяя, программам на вид выполняться одновременно. Такую иллюзию и называют Виртуализацией CPU.

Подобная картина порождает много вопросов, например, если несколько программ желают запуститься одновременно, то какая именно будет запущена? За этот вопрос отвечают “политики” ОС. Политики используются во многих местах ОС и отвечают на подобные вопросы, а так же являются базовыми механизмами, которые ОС воплощает. Отсюда и роль ОС как ресурсного менеджера.

Виртуализация памяти

Теперь давайте рассмотрим память. Физическая модель памяти в современных системах представляется как массив байт. Для чтения из памяти нужно указать адрес ячейки, чтобы получить к ней доступ. Чтобы записать или обновить данные нужно также указать данные и адрес ячейки, куда их записать.

Обращения к памяти происходит постоянно в процессе работы программы. Программа хранит в памяти всю ее структуру данных, и обращается к ней, выполняя различные инструкции. Инструкции между тем тоже хранятся в памяти, поэтому обращение к ней происходит также на каждый запрос к следующей инструкции.

Вызов malloc()

Рассмотрим следующую программу, которая выделяет область памяти, используя вызов malloc() (https://youtu.be/jnlKRnoT1m0):

Программа делает несколько вещей. Во-первых, выделяет некоторый объем памяти (строка 7), затем выводит адрес выделенной ячейки (строка 9), записывает ноль в первый слот выделенной памяти. Далее программа входит в цикл, в котором инкрементирует значение, записанное в памяти по адресу в переменной “p”. Также она выводит идентификатор процесса самого себя. Идентификатор процесса уникален для каждого запущенного процесса. Запустив же несколько копий, мы наткнемся на интересный результат: В первом случае, если не сделать ничего и просто запустить несколько копий, то адреса будут разными. Но это же не попадает под нашу теорию! Верно, поскольку в современных дистрибутивах включена по умолчанию функция рандомизации памяти. Если ее отключить, получим ожидаемый результат — адреса памяти у двух одновременно работающих программ будут совпадать.

В итоге получается, что две независимые программы работают со своими собственными приватными адресными пространствами, которые в свою очередь отображаются операционной системой в физической памяти. Поэтому использование адресов памяти в пределах одной программы никак не будет затрагивать другие и каждой программе кажется, что у нее собственный кусок физической памяти, целиком отданный в ее распоряжение. Реальность, однако, такова, что физическая память — разделяемый ресурс, управление которым осуществляет операционная система.

Согласованность

Еще одна из важных тем в рамках операционных систем — согласованность. Этот термин используется, когда речь идет о проблемах в системе, которые могут возникать при работе со многими вещами одновременно в пределах одной программы. Проблемы согласованности возникают даже в самой операционной системе. В предыдущих примерах с виртуализацией памяти и процессора, мы поняли, что ОС управляет многими вещами одновременно — запускает первый процесс, затем второй и так далее. Как оказалось, такое поведение может привести к некоторым проблемам. Так, например современные многопоточные программы испытывают такие трудности.

Рассмотрим следующую программу:

Программа в главной функции создает два потока, используя вызов Pthread_create(). В данном примере о потоке можно думать как о функции, запущенной в одном пространстве памяти рядом с другими функциями, причем количество запущенных одновременно функций явно более одной. В данном примере каждый поток стартует и выполняет функцию worker() которая в свою очередь просто инкрементирует переменную,.

Запустим эту программу с аргументом 1000. Как вы уже могли догадаться, результатом должно стать 2000, поскольку каждый поток инкрементировал переменную 1000 раз. Однако все не так просто. Попробуем запустить программу с числом повторений на порядок больше.

Подавая на вход число, например, 100000 мы ожидаем увидеть на выходе число 200000. Однако, запустив число 100000 несколько раз, мы не только не увидим правильный ответ, но и получим разные неправильные ответы. Разгадка кроется в том, что для увеличения числа требуется три операции — извлечение числа из памяти, инкрементация и затем запись числа обратно. Поскольку все эти инструкции не осуществляются атомарно (все одновременно), такие странные вещи могут происходить. Эта проблема называется в программировании race condition — состояние гонки. Когда неизвестные силы в неизвестный момент могут повлиять на выполнение каких-либо ваших операций.