Прикладные свободные программы и системы в школе

Большинство программ, как системных (входящих в ОС), так и прикладных, исполняются в непривилегированном (пользовательском) режиме и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ядерным ресурсам, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что ОС (точнее, ее ядро) управляет оборудованием.

Текущая редакция стандарта на ОС содержит определения около тысячи системных вызовов (часть из которых должна реализоваться только в определенных классах систем; например, в системах «реального времени») и около двухсот команд оболочки и утилит ОС. Стандарт определяет лишь функции вызовов и команд, и не содержит указаний относительно способов их реализации.

Стандарт, кроме этого, определяет способ адресации файлов в системе, локализацию (установки, касающиеся национально-специфических моментов, таких, как язык сообщений или формат даты и времени), совместимый набор символов, синтаксис регулярных выражений, структуру каталогов в файловой системе, формат командной строки и некоторые другие аспекты поведения ОС.

В определении состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав ОС включается и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков). Операциональной замкнутостью обладают системы, удовлетворяющие «разработческому» профилю в терминах стандарта.

Краткая история открытых ОС

К концу шестидесятых годов XX в. операционным системам как классу программного обеспечения шел уже второй десяток. Были разработаны больше сотни различных ОС для разных компьютеров, из них полтора десятка находились в «боевой» эксплуатации. На рубеже шестидесятых и семидесятых в одном из исследовательских подразделений американской телекоммуникационной монополии «Эй-Ти-энд-Ти» была выполнена разработка, ставшая важнейшей вехой в истории ОС: система «Юникс».

Задуманная и реализованная Кеном Томсоном при участии нескольких коллег, она вобрала в себя многие черты более ранних ОС, но обладала целым рядом свойств, отличающих ее от большинства предшественниц:

компонентная архитектура: принцип «одна программа – одна функция» плюс мощные средства связывания различных программ для решения возникающих задач;

минимизация ядра (кода, выполняющегося в привилегированном режиме процессора) и количества системных вызовов;

независимость от аппаратной архитектуры и реализация на языке высокого уровня (язык программирования С стал «побочным продуктом» разработки «Юникс»).

«Юникс», благодаря своему удобству прежде всего в качестве инструментальной среды (среды разработки), была тепло принята сначала в университетах, а затем и в отрасли, получившей прототип единой ОС, которая могла использоваться на самых разных вычислительных системах и, более того, быстро и с минимальными усилиями перенесена на вновь разработанную аппаратную архитектуру.

Одним из центров развития «Юникс» стал Университет Калифорнии в Беркли, там было создано множество средств, дополняющих систему и развивающих ее концепцию. В конце концов, в Беркли создали свой вариант ОС той же архитектуры, получивший название «БСД».

Задачу разработать независимую (от авторских прав «Эй-Ти-энд-Ти») реализацию той же архитектуры поставил и Ричард Столлмен, основатель проекта «ГНУ» (характерно, что аббревиатура расшифровывается как GNU’s Not Unix, т.е. «ГНУ – это не “Юникс”»). В ходе разворачивания проекта (1980-90е гг.) было создано множество утилит и инструментальных средств, которые сегодня активно используются в «БСД» (входя в систему) и «Юникс» (как правило, распространяемые в качестве дополнений), а также являющихся основой операционных систем на основе ядра «Линукс», разработка которого была запущена и возглавляется с начала девяностых Линусом Торвальдсом.

Таким образом, на сегодня существует три семейства открытых операционных систем, концептуально происходящих от «Юникс», но реализованных независимо:

основанные на «Эй-Ти-энд-Ти Юникс» (в разнообразных фирменных вариантах, таких как AIX (компания IBM), «Солярис» (компания Sun Microsystems) и т.п.),

«БСД» (в него входят FreeBSD, OpenBSD, NetBSD, а также Darwin, являющаяся основой MacOS X),

«ГНУ/Линукс» (в различных вариантах, или дистрибутивах, таких как Debian GNU/Linux, RedHat Linux, Linux-Mandrake и пр.)

Системы, содержащие код, изначально написанный в AT&T, несвободны [5], а «БСД» и «ГНУ/Линукс» разрабатываются под свободными лицензиями.

Благодаря конкурентности реализаций архитектура открытых ОС стала вначале фактическим отраслевым стандартом, а затем обрела статус и стандарта юридического (свежая версия принята Международной организацией стандартизации (ISO) в 2001 г.).

Стандартизация ОС означает возможность безболезненной замены самой ОС или оборудования при развитии вычислительной системы или сети и дешевого переноса прикладного программного обеспечения (строгое следование стандарту предполагает полную совместимость программ на уровне исходного текста; из-за профилирования стандарта и его развития некоторые изменения иногда все же необходимы, но перенос программы между открытыми системами на порядки дешевле, чем между альтернативными), а также преемственности опыта пользователей.

Самым заметным эффектом существования этого стандарта стало эффективное разворачивание сетей Интернет в девяностых годах.

Вытеснение открытыми ОС альтернативных архитектур – медленный и сложный процесс. Хотя открытые системы сегодня существуют для вычислительных систем практически всех типов – от встроенных и карманных компьютеров до суперсерверов и мэйнфреймов – доля их в разных сегментах рынка неодинакова. Открытые ОС уверенно доминируют в серверном сегменте (особенно в сетевых приложениях), но распространены на ПК и рабочих станциях нижнего уровня пока менее широко, чем альтернативные.

Роль свободных операционных систем

В последние 5-7 лет рост пользовательской базы открытых ОС в основном происходит за счет распространения их свободных вариантов – «БСД» и «ГНУ/Линукс» – причем темп задает сейчас «ГНУ/Линукс».

Спецификой рынка свободных ОС, особенно, основанных на ядре «Линукс», является их существование в виде «популяции» параллельно развивающихся вариантов, называемых «дистрибутивами» (от англ. distributive kit – «распространяемый комплект»). Обычно дистрибутив включает в себя, помимо системных программ, большое количество прикладных программ и пакетов.

Несвободные открытые операционные системы

Свое значение сохраняют и несвободные открытые операционные системы, такие как «Солярис», «AIX», «Тру64 Юникс». Как правило, они применяются в сочетании с соответствующими аппаратными платформами, сопровождаются и поддерживаются производителями последних. Большинство свободных прикладных программ и пакетов перенесены или легко переносятся на такие ОС.

Альтернативные операционные системы

Большинство альтернативных (нестандартных) операционных систем вытеснены сегодня в ниши и не претендуют на универсальность. Ниже рассмотрены исключения.

«Майкрософт Уиндоуз НТ» («Майкрософт Уиндоуз 2000», «Майкрософт Уиндоуз Экс-Пи»). ОС этой серии позиционируются компанией «Майкрософт» как альтернатива стандартным (открытым) ОС и получили широкое распространение в сегменте однопользовательских настольных микрокомпьютеров («ПК») архитектуры x86/IA-32. «НТ» – дальний потомок ОС «Ар-Эс-Экс» и «Ви-Эм-Эс» корпорации «Диджитал», вытесненных в свое время открытыми ОС с миникомпьютеров.

Для «Майкрософт Уиндоуз НТ» существуют специальные пакеты (Cygwin, UWIN, UNIX Services for Windows), эмулирующие системные вызовы, оболочку и утилиты открытых ОС на платформе этой ОС, так же, как и реализации стандартной графической платформы («Оконной системы Икс»). Кроме того, для многих программ и пакетов с графическим интерфейсом существуют «родные» переносы в «НТ» (т.е. с заменой стандартной графики на интерфейс Win32).