Выбор операционной системы для программирования

Для максимальной производительности и для удобства работы (программирования) важно выбрать лучшую операционную систему. В данной статье разберем плюсы и минусы работы популярных операционных систем: Windows, Linux, Mac.

О каждой системе понемногу

Windows — семейство коммерческих операционных систем (OC) корпорации Microsoft, ориентированных на управление с помощью графического интерфейса. Изначально Windows была всего лишь графической программой-надстройкой для распространённой в 1980-х и 1990-х годах операционной системы MS-DOS. Согласно данным ресурса Net Applications, по состоянию на август 2014 года под управлением операционных систем семейства Windows работает около 88 % персональных компьютеров.

Mac OS — семейство проприетарных операционных систем производства корпорации Apple. Разработана для линейки персональных компьютеров Macintosh. Популяризация графического интерфейса пользователя в современных операционных системах часто считается заслугой Mac OS. Она была впервые представлена в 1984 году вместе с персональным компьютером Macintosh 128K.

Linux — семейство Unix-подобных операционных систем на базе ядра Linux, включающих тот или иной набор утилит и программ проекта GNU, и, возможно, другие компоненты. Как и ядро Linux, системы на его основе как правило создаются и распространяются в соответствии с моделью разработки свободного и открытого программного обеспечения. Linux-системы распространяются в основном бесплатно в виде различных дистрибутивов — в форме, готовой для установки и удобной для сопровождения и обновлений, — и имеющих свой набор системных и прикладных компонентов, как свободных, так, возможно, и собственнических.

Уроки 54 — 57
Системное программное обеспечение. Системы программирования
§40. Системное программное обеспечение. §41. Системы программирования. §42. Инсталляция программ

Содержание урока

§40. Системное программное обеспечение

Современные операционные системы

§41. Системы программирования

§42. Инсталляция программ

§40. Системное программное обеспечение

Современные операционные системы

Самые популярные современные операционные системы для персональных компьютеров — Windows, Linux и Mac OS. Все они используют графический интерфейс с пользователем: окна программ, управление с помощью мыши, кнопки, переключатели и т. п.

Система Windows разработана фирмой Microsoft (www.microsoft.com) и распространяется на коммерческой основе. Под управлением Windows работает более 90% персональных компьютеров, имеющих доступ в Интернет.

Примерно 5% пользователей используют операционную систему Mac OS. Она устанавливается на компьютеры фирмы Apple, которые часто используют профессионалы в области дизайна, компьютерной графики, полиграфии, видеомонтажа.

Около 1% компьютеров работают под управлением ОС Linux. Ее начал разрабатывать в 1991 г. финский студент Линус Торвальдс в качестве хобби. Сейчас в развитии Linux принимают участие сотни разработчиков во всём мире. В современном ядре Linux насчитывается более 11 млн строк кода. Система Linux распространяется бесплатно вместе с исходными кодами, так что каждый (при желании и умении) может её усовершенствовать.

На основе ядра Linux построено много различных дистрибутивов (распространяемых сборок), самые известные из них — Ubuntu (www.ubuntu.com), Mandriva (www.mandriva.ru), OpenSUSE (www.opensuse.org), Slackware (www.slackware.com), Gentoo (www.gentoo.org). В дистрибутивы входит не только сама операционная система, но и программное обеспечение, состав которого зависит от конкретной сборки. Существуют дистрибутивы с улучшенной поддержкой русского языка, например ALT Linux (www.altlinux.org).

Достоинства Linux:

• бесплатное распространение ОС и многих программ для нее; высокий уровень безопасности и защиты от вирусов;
• невысокие требования к аппаратным средствам;
• возможность гибкой настройки.

Основные сферы применения Linux:

• личные компьютеры (не нужно платить за ПО);
• портативные компьютеры, которые закупаются организациями в большом количестве;
• серверы в локальных сетях и в Интернете (до 50% всех серверов), важно быстродействие;
• суперкомпьютеры (до 80% всех суперкомпьютеров), важна возможность настройки для работы на нестандартном оборудовании;
• встроенные компьютеры в банкоматах, терминалах оплаты, стиральных машинах и даже беспилотных военных аппаратах; важна бесплатность и возможности настройки.

Среди недостатков этой ОС обычно отмечают:

• сложность настройки для неквалифицированного пользователя (для выполнения многих операций необходимо вводить команды в режиме командной строки);
• отсутствие драйверов для некоторых устройств и сложность их установки;
• отсутствие версий популярных профессиональных программ, например Adobe Photoshop;
• отсутствие поддержки современных игр.

Появление карманных персональных компьютеров (КПК), смартфонов и коммуникаторов привело к развитию специальных операционных систем для мобильных устройств, которые могут работать на маломощном оборудовании. Представители ОС этого типа — Google Android (на основе ядра Linux), Symbian, Windows Phone, BlackBerry. Портативные компьютеры фирмы Apple (iPhone, iPad) работают под управлением операционной системы iOS.

Новая операционная система компании Google для персональных компьютеров, названная Chrome OS, строится на ядре Linux. Она нетребовательна к аппаратным ресурсам компьютера, основная роль отводится веб-браузеру и «облачным вычислениям». Данные пользователя хранятся на серверах Интернета, для их обработки используются веб-службы, при этом на компьютер не нужно устанавливать дополнительное программное обеспечение. Недостаток этой ОС — низкая безопасность. Также она не подойдёт тем, кому нужно выполнять сложную обработку графики и видео.

Существует ещё один класс операционных систем, от которых требуется не просто решать задачи, а делать это за определённый промежуток времени. Такие ОС называются операционными системами реального времени. Они применяются в тех случаях, когда задержка может привести к аварии, катастрофе или финансовым потерям: в системах аварийной защиты, системах управления роботами и самолётами, в военных приборах. Например, робот, снимающий деталь с конвейера, должен сделать это за маленький промежуток времени. Наиболее известные системы реального времени — QNX (www.qnx.com), Windows СЕ (www.microsoft.com), VxWorks (www.windriver.com) и LynxOS (www.lynuxworks.com/rtos).

Многие современные операционные системы, включая Linux, Mac OS, QNX, VxWorks, LynxOS, относятся к классу UNIX-подобных ОС. Это значит, что они используют общие идеи и принципы, заложенные в 1970-х годах при разработке системы UNIX:

• для настройки и управления системой используются простые текстовые файлы;
• программы часто используют текстовый ввод данных и вывод результатов;
• широко применяются утилиты, запускаемые в командной строке;
• каждая утилита выполняет одну задачу; её режимы работы можно задавать с помощью параметров командной строки;
• утилиты можно объединять в «конвейер», направляя результаты работы одной утилиты на вход следующей;
• все устройства (жёсткие диски, флэш-диски, принтеры, сканеры) рассматриваются как файлы.

Сейчас система UNIX используется в основном для управления серверами. Все UNIX-подобные системы считаются очень надёжными с точки зрения безопасности. Достаточно сказать, что для них практически неактуальна проблема компьютерных вирусов.

Следующая страница Драйверы устройств

Cкачать материалы урока

Что нужно знать, чтобы написать операционную систему

Что нужно знать, чтобы написать операционную систему

Создание операционной системы — одна из сложнейших задач в программировании, поскольку требует обширных и комплексных знаний о работе компьютера. Каких именно? Разбираемся ниже.

Что такое ОС

Операционная система (ОС) — это программное обеспечение, которое работает с компьютерным железом и его ресурсами и является мостом между аппаратной и программной частью компьютера.

Компьютеры первого поколения не имели операционных систем. Программы на первых ЭВМ включали в себя код для непосредственной работы системы, связи с периферийными устройствами и вычислений, для выполнения которых эта программа и писалась. Из-за такого расклада даже простые по логике работы программы были сложны в программной реализации.

По мере того как компьютеры становились более разнообразными и сложными, писать программы, которые работали и как ОС, и как приложение, стало попросту неудобно. Поэтому, чтобы программы было легче писать, владельцы компьютеров начали разрабатывать программное обеспечение. Так и появились операционные системы.

ОС предоставляет всё необходимое для работы пользовательских программ. Их появление означало, что теперь программам не нужно контролировать весь объём работ компьютера (это отличный пример инкапсуляции). Теперь программам нужно было работать именно с операционной системой, а система уже сама заботилась о ресурсах и работе с периферией (клавиатура, принтер).

Кратко об истории операционных систем

Первая операционная система была создана в 1956 году компанией General Motors для единственного компьютера IBM. Остальные владельцы этих компьютеров последовали примеру и начали создавать собственные ОС.

Как можно догадаться, первые ОС сильно отличались друг от друга. Почти на каждом компьютере стояла своя система. Хоть они и облегчали написание программ, использовать такие программы можно было только на одном компьютере.

В 1960-х годах IBM стала первой выпускающей компьютеры компанией, которая взяла на себя процесс написания ОС под свои же компьютеры. Компания начала распространять компьютеры вместе со своей операционной системой.

В эти же годы компании Control Data Corporation, Computer Sciences Corporation, Burroughs Corporation, GE, Digital Equipment Corporation и Xerox тоже начали реализовывать свои ОС.

В конце 60-х была разработана первая версия ОС Unix. Написанная на Си, свободно доступная первые годы, Unix привлекала всё больше внимания и аудитории. Она легко портировалась на новые системы и начала набирать обороты.

Многие современные ОС, включая Apple OS X и все разновидности Linux-систем, являются дальними потомками Unix.

Microsoft Windows, в свою очередь, была написана для ряда персональных компьютеров IBM.

Первая ОС от Microsoft называлась не Windows, а MS-DOS. Эта система была создана в 1981 году, когда систему 86-DOS купили у компании Seattle Computer Products и модифицировали её под требования IBM.

Всем привычное название Windows появилось в 1985, когда MS-DOS обзавелась графическим интерфейсом.

Apple OS X, Microsoft Windows и ряд Linux-систем (включая Android) сейчас контролируют большую часть рынка операционных систем.

Составляющие операционной системы

ОС состоит из двух основных частей:

• ядро системы;
• системные программы.

Ядро (англ. kernel)

Сердце операционной системы. Именно оно запускается первым при включении компьютера (не считая BIOS и загрузчик). Ядро контролирует ресурсы компьютера и обрабатывает запросы от системных программ.

Системные программы

Работают поверх ядра. Такие программы нужны, в целом, не для пользователя, а для связи ядра с пользовательскими приложениями и периферией. Примеры системных программ: драйвера устройств, файловая система, сетевые программы, утилиты для дефрагментации диска.

Пользовательские программы

Не являются частью операционной системы. Именно эти программы уже имеют конкретное назначение. Текстовые редакторы, браузеры, медиа-плееры — всё это пользовательские программы. Они контролируются ядром и используют системные программы для доступа к периферии.

Что необходимо знать

Список вещей, которые необходимо знать для создания собственной ОС, очень длинный. Но в нём есть три основных пункта, на которые нужно обратить внимание в первую очередь:

• базовое понимание компьютерной науки (информатики);
• теория и опыт в программировании;
• знание высоко- и низкоуровневых языков программирования.

Изучение информатики

Разработка ОС — это не тоже самое, что, скажем, веб-разработка. Тут нельзя будет просто и быстро разобраться в базовых вещах. Для начала нужно получить крепкий базис информатики и только потом переходить к другим темам.

Coursera: Computer Science 101 — это курс, который подойдёт для тех, кто только начал осваиваться в информатике и программировании. Если у вас уже имеются элементарные знания в в этой области, то пропустите этот курс и переходите к следующему.

Udacity: Intro to Computer Science использует веб-разработку в качестве подхода к обучению компьютерной науке. Хоть курс и не направлен на непосредственную разработку ОС, он даёт мощный базис в области программирования.

edX: Introduction to Computer Science — этот курс является самым исчерпывающим и углублённым в этом списке. Несмотря на это, он полностью бесплатен. Курс был разработан в Гарвардском Университете. В нём вас научат алгоритмам, структурам данных, управлению ресурсами, разработке ПО, а так же познакомят с такими языками программирования, как C, PHP и JavaScript.

Подборка книг для самостоятельного изучения Computer Science.

Изучение программирования

С крепкими знаниями в области информатики и хотя бы базовым пониманием программирования вам нужно набраться опыта в разработке проектов.

Udacity: Software Development Process — отличный курс для тех, кто ещё не принимал участие в крупных проектах. Тут вас ознакомят с подробностями рабочего процесса и работой с инструментарием (например Git), а также расскажут о настройке интегрированной среды разработки.

Изучение языков программирования

Для разработки операционной системы вам понадобится освоить минимум два языка программирования:

• низкоуровневый язык ассемблера;
• высокоуровневый язык программирования.

Первый используется для работы напрямую с процессором. Процессор «понимает» только машинный код, и для каждого типа процессора есть только один соответствующий язык. Одной из самых популярных архитектур процессора является x86. Она была разработана компанией Intel и на текущий момент широко используется многими производителями компьютерного железа, включая AMD. По этой причине в этой статье акцент будет именно на архитектуру x86.

Высокоуровневые языки программирования, в свою очередь, работают сразу на нескольких архитектурах. Самый популярный из таких языков — Cи. Чаще всего именно на нём и пишутся операционные системы. Но это не означает, что этот язык единственный. Для написания ОС можно использовать и более высокоуровневые языки, например C++ или Python.

Прим. перев. Есть пример написания «игрушечных» операционных систем на C#. Cosmos — некий конструктор ОС. В этой статье на практическом примере показывают написание системы всего в нескольких десятках строк.

Язык ассемблера для x86

«x86 Assembly Guide» — неплохо подойдёт для начального изучения ассемблера. Несмотря на то, что эта статья коротка для полного курса, в ней содержится всё необходимое для дальнейшего углубления.

Книга «Programming from the Ground Up» Джонатана Бартлетта является одной из основных по изучению ассемблера. В ней основами языка программирования подкрепляются базисы информатики.

Для изучения ассемблера есть ещё одна показательная книга — «The Art of Assembly Language», написанная Рэнди Гайдом. Изначально книга писалась специально для курсов, которые вёл автор в Калифорнийском университете Cal Poly и UC Riverside. В середине 90-х годов книга была признана определяющей в этой сфере.

Если вдруг вышеописанные материалы вам не подошли, вот ещё пара отличных книг:

Язык Cи

Как уже упоминалось выше, для написания ОС есть несколько высокоуровневых языков программирования. Однако самый популярный из них — Си.

Начать изучать этот язык можно отсюда. Этот ресурс ознакомит вас с базовыми понятиями и подготовит к более сложным задачам.

«Learn C the Hard Way» — название ещё одной книги. Кроме привычной теории в ней собрано много практических решений. Этот учебник расскажет обо всех аспектах языка.

Либо же можете выбрать одну из этих книг:

Разработка ОС

После освоения всего необходимого, что касается информатики, языка ассемблера и Cи, вам стоит прочесть хотя бы одну или две книги про непосредственную разработку ОС. Вот несколько ресурсов для этого:

«Linux From Scratch». Здесь рассматривается процесс сборки операционной системы Linux (учебник переведён на много языков, в том числе и на русский). Тут, как и в остальных учебниках, вам предоставят все необходимые базовые знания. Полагаясь на них можно попробовать себя в создании ОС. Чтобы сделать программную часть ОС более профессиональной, присутствуют дополнения к учебнику: «Beyond Linux from Scratch», «Automated Linux from Scratch», «Cross Linux from Scratch» или «Hardened Linux from Scratch».

«The little book about OS development» Эрика Хэйлина и Адама Ренберга. Этот учебник разработан в рамках продвинутого курса информатики и на момент его написания авторы являлись студентами Королевского Института Технологий в Стокгольме. В этой книге рассматривается разработка ОС для архитектуры x86 (причём с самого начала — с установки среды разработки). В этом курсе рассказывается о многих интересных темах, включая многозадачность, управление памятью и разработку файловой системы.

«Operation System Development Series» Broken Thorn Entertainment — серия из 25 уроков, посвящённых разработке ОС с нуля.

Примечание Эти уроки рассчитаны на то, что вы уже знакомы с IDE и владеете как языком ассемблера, так и Cи.

Вот ещё три книги, которые помогут вам ознакомиться с дисциплиной разработки ОС:

Сообщества, посвященные разработке ОС

Заниматься разработкой ОС в одиночку смело, но сложно. Гораздо проще найти единомышленников, которые, как и вы, решили попытать удачу в этом нелёгком деле. Существует пара подходящих мест:

• OSDev.org — это Вики с исчерпывающей информацией о разработке ОС и отличным форумом, где вы можете попросить о помощи или же наоборот сами кого-нибудь выручить.
• OS Development Channel на Реддите. Канал, также посвящённый разработке ОС.
• Computer Science, Programmers, StackOverflow от StackExchange — площадки, где вы можете задавать различные технические вопросы.

Заключение

Обучение разработке ОС — достаточно сложная задача. Однако в процессе вы разберётесь в работе процессора и аппаратного уровня, что поможет лучше понимать работу и оптимизацию высокоуровневых приложений и их взаимодействие друг с другом. Ну и в глазах коллег вы наверняка будете выглядеть очень крутым (но это не точно).