История операционных систем

 

История развития операционных систем насчитывает уже много лет. В следующих разделах книги мы кратко рассмотрим некоторые основные моменты этого развития. Так как операционные системы появились и развивались в процессе конструирования компьютеров, то эти события исторически тесно связаны. Поэтому чтобы представить, как выглядели операционные системы, мы обсудим следующие друг за другом поколения компьютеров. Такая схема взаимосвязи поколений операционных систем и компьютеров довольно груба, но она обеспечивает некоторую структуру, без которой ничего не было бы понятно.

Первый настоящий цифровой компьютер был изобретен английским математиком Чарльзом Бэббиджем (Charles Babbage, 1792-1871). Хотя большую часть жизни Бэббидж посвятил попыткам создания своей «аналитической машины», он так и не смог заставить ее работать должным образом. Это была чисто механическая машина, а технологии того времени не были достаточно развиты для изготовления многих деталей и механизмов высокой точности. Не стоит и говорить, что его аналитическая машина не имела операционной системы.

Интересный исторический факт: Бэббидж понимал, что для аналитической машины ему необходимо программное обеспечение, поэтому он нанял молодую женщину по имени Ада Лавлейс (Ada Lovelace), дочь знаменитого британского поэта Лорда Байрона. Она и стала первым в мире программистом, а язык программирования Ada® назван в ее честь.

 

Первое поколение (1945-55): электронные лампы и коммутационные панели

 

После неудачных попыток Бэббиджа вплоть до Второй мировой войны в конструировании цифровых компьютеров не было практически никакого прогресса. Примерно в середине 1940-х Говард Айкен (Howard Aiken) в Гарварде, Джон фон Нейман (John von Neumann) в Институте углубленного изучения в Принсто-не, Дж. Преспер Эккерт (J. Presper Eckert), Вильям Мочли (William Mauchley) в Пенсильванском университете, Конрад Цузе (Konrad Zuse) в Германии и многие другие продолжили работу в направлении создания вычислительных машин. На первых машинах использовались механические реле, но они были очень медлительны, длительность такта составляла несколько секунд. Позже реле заменили электронными лампами. Машины получались громоздкими, заполняющими целые комнаты, с десятками тысяч электронных ламп, но все равно они были в миллионы раз медленнее, чем даже самый дешевый современный персональный компьютер.

В те времена каждую машину и разрабатывала, и строила, и программировала, и эксплуатировала, и поддерживала в рабочем состоянии одна команда. Все программирование выполнялось на абсолютном машинном языке, управления основными функциями машины осуществлялось просто при помощи соединения коммутационных панелей проводами. Тогда еще не были известны языки программирования (даже ассемблера не было). Об операционных системах никто и не слышал. Обычный режим работы программиста был таков: записаться на определенное время на специальном стенде, затем спуститься в машинную комнату, вставить свою коммутационную панель в компьютер и провести несколько следующих часов в надежде, что во время работы ни одна из двадцати тысяч электронных ламп не выйдет из строя. Фактически тогда на компьютерах занимались только прямыми числовыми вычислениями, например расчетами таблиц синусов, косинусов и логарифмов.

К началу 50-х, с выпуском перфокарт, установившееся положение несколько улучшилось. Стало возможно вместо использования коммутационных панелей записывать и считывать программы с карт, но во всем остальном процедура вычислений оставалась прежней.

 

Второе поколение (1955-65): транзисторы и системы пакетной обработки

 

В середине 50-х изобретение и применение транзисторов радикально изменило всю картину. Компьютеры стали достаточно надежными, появилась высокая вероятность того, что машина будет работать довольно долго, выполняя при этом полезные функции. Впервые сложилось четкое разделение между проектировщиками, сборщиками, операторами, программистами и обслуживающим персоналом.

Машины, теперь называемые мэйнфреймами, располагались в специальных комнатах с кондиционированным воздухом, где ими управлял целый штат профессиональных операторов. Только большие корпорации, правительственные учреждения или университеты могли позволить себе технику, цена которой исчислялась миллионами долларов. Чтобы выполнить задание (то есть программу или комплект программ), программист сначала должен был записать его на бумаге (на Фортране или ассемблере), а затем перенести на перфокарты. После этого — принести колоду перфокарт в комнату ввода данных, передать одному из операторов и идти пить кофе в ожидании, когда будет готов результат.

Когда компьютер заканчивал выполнение какого-либо из текущих заданий, оператор подходил к принтеру, отрывал лист с полученными данными и относил его в комнату для распечаток, где программист позже мог его забрать. Затем оператор брал одну из колод перфокарт, принесенных из комнаты ввода данных, и считывал их. Если в процессе расчетов был необходим компилятор языка Фортран, то оператору приходилось брать его из картотечного шкафа и загружать в машину отдельно. Из-за одного только хождения операторов по машинному залу впустую терялась масса драгоценного компьютерного времени.

Если учитывать высокую стоимость оборудования, не удивительно, что люди довольно скоро занялись поиском способа повышения эффективности использования машинного времени. Общепринятым решением стала система пакетной обработки. Первоначально замысел состоял в том, чтобы собрать полный поднос заданий (колод перфокарт) в комнате входных данных и затем переписать их на магнитную ленту, используя небольшой и (относительно) недорогой компьютер, например, IBM 1401, который был очень хорош для считывания карт, копирования лент и печати выходных данных, но не подходил для числовых вычислений.

Другие, более дорогостоящие машины, такие как IBM 7094, использовались для настоящих вычислений. Это изображено на рис. 1.2.

 

Рис. 1.2. Ранняя система пакетной обработки: программист приносит карты для IBM 1401 (а); IBM 1401 записывает пакет заданий на магнитную ленту (б); оператор приносит входные данные на ленте к IBM 7094 (в); IBM 7094 выполняет вычисления (г); оператор переносит ленту с выходными данными на IBM 1401 (д); IBM 1401 печатает выходные данные (е)

 

Примерно после часа сбора пакета заданий лента перематывалась, и ее относили в машинную комнату, где устанавливали на лентопротяжном устройстве. Затем оператор загружал специальную программу (прообраз сегодняшней операционной системы), которая считывала первое задание с ленты и запускала его. Выходные данные записывались на вторую ленту вместо того, чтобы идти на печать. Завершив очередное задание, операционная система автоматически считывала с ленты следующее и начинала обрабатывать его. После обработки всего пакета оператор снимал ленты с входной и выходной информацией, ставил новую ленту со следующим заданием, а готовые данные помещал на IBM 1401 для печати в автономном режиме (то есть без связи с главным компьютером).

 

Третье поколение (1965-1980): интегральные схемы и многозадачность

 

К началу 60-х годов большинство изготовителей компьютеров имело две отдельные, полностью несовместимые производственные линии. С одной стороны, существовали научные крупномасштабные компьютеры с пословной обработкой текста типа IBM 7094, использовавшиеся для числовых вычислений в науке и технике. С другой стороны — коммерческие компьютеры с посимвольной обработкой, такие как IBM 1401, широко используемые банками и страховыми компаниями для сортировки и печатания данных.

Развитие и поддержка двух совершенно разных производственных линий для изготовителей были достаточно дорогим удовольствием. Кроме того, многим покупателям изначально требовалась небольшая машина, однако позже ее возможностей становилось недостаточно и требовался более мощный компьютер, который работал бы с теми же самыми программами, но быстрее.

Фирма IBM попыталась решить эти проблемы разом, выпустив серию машин IBM/360.360-е были серией программно-совместимых машин, варьирующихся от компьютеров размером с IBM 1401 до машин, значительно более мощных, чем IBM 7094. Эти компьютеры различались только ценой и производительностью (максимальным объемом памяти, быстродействием процессора, количеством разрешенных устройств ввода-вывода и т. д.). Так как все машины имели одинаковую структуру и набор команд, программы, написанные для одного компьютера, могли работать на всех других (по крайней мере, в теории). Кроме того, 360-е были разработаны для поддержки как научных (то есть численных), так и коммерческих вычислений. Одно семейство машин могло удовлетворить нужды всех покупателей. В последующие годы, используя более современные технологии, корпорация IBM выпустила компьютеры, совместимые с 360, эти серии известны под номерами 370, 4300, 3080 и 3090.

360-е стали первой основной линией компьютеров, на которой использовались мелкомасштабные интегральные схемы, дававшие преимущество в цене и качестве по сравнению с машинами второго поколения, созданными из отдельных транзисторов. Корпорация IBM добилась мгновенного успеха, а идею семейства совместимых компьютеров скоро приняли и все остальные основные производители. В компьютерных центрах до сих пор можно встретить потомков этих машин. В настоящее время они часто используются для управления огромными базами данных (например, для систем бронирования и продажи билетов на авиалиниях) или как серверы узлов Интернета, которые должны обрабатывать тысячи запросов в секунду.

Основное преимущество «одного семейства» оказалось одновременно и величайшей его слабостью. По замыслу его создателей все программное обеспечение, включая операционную систему OS/360, должно было одинаково хорошо работать на всех моделях компьютеров: и в небольших системах, которые часто заменяли 1401-е и применялись для копирования перфокарт на магнитные ленты, и на огромных системах, заменяющих 7094-е и использовавшихся для расчета прогноза погоды и других сложных вычислений. Кроме того, предполагалось, что одну операционную систему можно будет использовать в системах как с несколькими внешними устройствами, так и с большим их количеством; а также как в коммерческих, так и в научных областях. Но самым важным было, чтобы это семейство машин давало результаты независимо от того, кто и как его использует.

Ни IBM, ни кто-либо еще не мог написать программного обеспечения, удовлетворяющего всем этим противоречивым требованиям. В результате появилась огромная и необычайно сложная операционная система, примерно на два или три порядка превышающая по величине FMS. Она состояла из миллионов строк, написанных на ассемблере тысячами программистов, содержала тысячи и тысячи ошибок, что повлекло за собой непрерывный поток новых версий, в которых пытались исправить эти ошибки. В каждой новой версии устранялась только часть ошибок, вместо них появлялись новые, так что общее их число, вероятно, оставалось постоянным.

Один из разработчиков OS/360, Фред Брукс (Fred Brooks), впоследствии написал остроумную и язвительную книгу с описанием своего опыта работы с OS/ 360. Мы не можем здесь дать полную оценку этой книги, но достаточно будет сказать, что на ее обложке изображено стадо доисторических животных, увязших в яме с дегтем. Обложка книги [302] демонстрирует похожую точку зрения на операционные системы, бывшие динозаврами в мире компьютеров.

Несмотря на свои огромные размеры и недостатки, OS/360 и подобные ей операционные системы третьего поколения, созданные другими производителями компьютеров, на самом деле достаточно неплохо удовлетворяли требованиям большинства клиентов. Они даже сделали популярными несколько ключевых технических приемов, отсутствовавших в операционных системах второго поколения. Самым важным достижением явилась многозадачность. На компьютере IBM 7094, когда текущая работа приостанавливалась в ожидании операций ввода-вывода с магнитной ленты или других устройств, центральный процессор просто бездействовал до окончания операции ввода-вывода. При сложных научных вычислениях и ограниченных возможностях процессора устройства ввода-вывода задей-ствовались довольно редко, так что это потраченное впустую время не играло существенной роли. Но при коммерческой обработке данных время ожидания устройства ввода-вывода могло занимать 80 или 90 % всего рабочего времени, поэтому необходимо было что-нибудь сделать во избежание длительного простаивания весьма дорогостоящего процессора.

Решение этой проблемы заключалось в разбиении памяти на несколько частей, называемых разделами, каждому из которых давалось отдельное задание. Пока одно задание ожидало завершения работы устройства ввода-вывода, другое могло использовать центральный процессор. Если в оперативной памяти содержалось достаточное количество заданий, центральный процессор мог быть загружен почти на все 100 % по времени. Множество одновременно хранящихся в памяти заданий требовало наличия специального оборудования для защиты каждого задания от возможного любопытства и ущерба со стороны остальных заданий. 360-я и другие системы третьего поколения были снабжены подобными аппаратными средствами.

Другим важным плюсом операционных систем третьего поколения стала способность считывать задание с перфокарт на диск по мере того, как их приносили в машинный зал. Всякий раз, когда текущее задание заканчивалось, операционная система могла загружать новое задание с диска в освободившийся раздел памяти и запускать его. Этот технический прием называется «подкачкой» данных или спулингом (spooling, это английское слово произошло от аббревиатуры Simultaneous Peripheral Operation On Line — совместная периферийная операция в интерактивном режиме) и его также используют для выдачи полученных данных. С появлением подкачки стали больше не нужны 1401-е и исчезли многократные переносы магнитных лент.

Хотя операционные системы третьего поколения вполне подходили для больших научных вычислений и справлялись с крупными коммерческими обработками данных, они все еще, по существу, представляли собой разновидности системы пакетной обработки. Многие программисты тосковали по первому поколению машин, когда они могли распоряжаться всей машиной в течение нескольких часов и имели возможность быстро отлаживать свои программы. При системах третьего поколения временной промежуток между передачей задания и возвращением результатов часто составлял несколько часов, так что единственная неуместная запятая могла стать причиной сбоя при компиляции, и получалось, что программист тратил впустую половину дня.

Желание сократить время ожидания ответа привело к разработке режима разделения времени, варианту многозадачности, при котором у каждого пользователя есть свой диалоговый терминал. Если двадцать пользователей зарегистрированы в системе, работающей в режиме разделения времени, и семнадцать из них думают, беседуют или пьют кофе, то центральный процессор по очереди предоставляется трем пользователям, желающим работать на машине. Так как люди, отлаживая программы, обычно выдают короткие команды (например, компилировать процедуру на пяти страницах1) чаще, чем длинные (например, упорядочить файл с миллионами записей), то компьютер может обеспечивать быстрое интерактивное обслуживание нескольких пользователей. При этом он может работать над большими пакетами в фоновом режиме, когда центральный процессор не занят другими заданиями. Первая серьезная система с режимом разделения времени CTSS (Compatible Time Sharing System — Совместимая система разделения времени) была разработана в Массачусетсском технологическом институте (M.I. T.) на специально переделанном компьютере IBM 7094 [75]. Однако режим разделения времени не стал действительно популярным до тех пор, пока не получили широкого распространения необходимые технические средства защиты.

После успеха системы CTSS Массачусетсский технологический институт, система исследовательских лабораторий Bell Labs и корпорация General Electric (тогда главный изготовитель компьютеров) решили начать разработку «компьютерного предприятия общественного пользования» — машины, которая должна была поддерживать сотни одновременных пользователей в режиме разделения времени. Образцом для новой машины послужила система распределения электроэнергии. Когда вам нужна электроэнергия, вы просто вставляете штепсель в розетку и получаете энергии столько, сколько вам нужно. Проектировщики этой системы, известной как MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service — мультиплексная информационная и вычислительная служба), представляли себе одну огромную вычислительную машину, воспользоваться услугой которой мог каждый человек в районе Бостона. Мысль о том, что машины, гораздо более мощные, чем их мэйнфрейм GE-645, будут продаваться миллионами по цене тысяча долларов за штуку всего лишь через тридцать лет, казалась чистейшей научной фантастикой, как если бы сегодня кто-либо вздумал проектировать сверхзвуковые трансатлантические подводные поезда.

Успех системы MULTICS был весьма неоднозначен. Эта система разрабатывалась для того, чтобы обеспечить сотни пользователей машиной, немногим более мощной, чем персональный компьютер с процессором Intel 386, хотя при этом имеющей возможность работы со значительно большим количеством устройств ввода-вывода. Это было не так уж безумно, как может показаться, потому что в те дни люди знали, как писать маленькие, эффективные программы — навык, который впоследствии был утерян. Существовало много причин, по которым система MULTICS не захватила весь мир. Не последнюю роль сыграл тот факт, что эта система была написана на языке PL/I, а компилятор языка PL/I появился лишь через несколько лет, к тому же первую версию этого компилятора можно было назвать работоспособной с большой натяжкой. Кроме того, система MULTICS была чрезвычайно претенциозна для своего времени, во многом походя на аналитическую машину Чарльза Бэббиджа в девятнадцатом столетии.

Итак, MULTICS подала много конструктивных идей компьютерным теоретикам, но превратить ее в серьезный продукт и добиться коммерческого успеха оказалось намного тяжелее, чем ожидалось. Система исследовательских лабораторий Bell Labs выбыла из проекта, а компания General Electric совсем оставила компьютерный бизнес. Однако Массачусетсcкий технологический институт проявил упорство и со временем получил работающую систему. В конце концов, она была продана как коммерческое изделие компанией Honeywell, купившей компьютерный бизнес General Electric, и установлена примерно в восьмидесяти больших компаниях и университетах по всему миру. Несмотря на свою малочисленность, пользователи системы MULTICS были отчаянно преданы ей. Например, компании General Motors, Ford и Управление национальной безопасности США оставили свои системы MULTICS только в конце 90-х годов, через 30 лет после выхода системы.

К настоящему времени идея компьютерного предприятия общественного пользования выдохлась, но она может благополучно вернуться к жизни в форме массивных централизованных Интернет-серверов, выполняющих основную часть работы, к которым будут присоединены относительно «глупые» пользовательские машины. Мотивировка, вероятно, будет следующей: большинство пользователей не захочет администрировать все более усложняющуюся и привередливую систему компьютера и предпочтет доверить эту работу команде профессионалов, работающих на обслуживающую сервер компанию. Электронная коммерция уже развивается в этом направлении, создаются различные компании, управляющие электронными супермаркетами на многопроцессорных серверах, с которыми соединяются простые машины клиентов. Все это очень напоминает замысел системы MULTICS.

Несмотря на неудачу с точки зрения коммерции, система MULTICS значительно повлияла на последующие операционные системы. Это описано в книгах [76, 77, 82, 253, 285]. Системе MULTICS также посвящен все еще активный web-сайт www.multicians.org, с большим количеством информации о системе, ее проектировщиках и пользователях.

Еще одним важным моментом развития во времена третьего поколения был феноменальный рост мини-компьютеров, начиная с выпуска машины PDP-1 корпорацией DEC в 1961 году. Компьютеры PDP-1 обладали оперативной памятью, состоящей всего лишь из 4 К 18-битовых слов, но стоили они по 120 тысяч долларов за штуку (это меньше 5 % от цены IBM 7094) и поэтому расхватывались как горячие пирожки. На некоторых видах нечисловой работы они работали почти с такой же скоростью, как IBM 7094, что дало толчок к появлению новой индустрии. За этой машиной последовала целая серия других PDP (в отличие от семейства IBM, полностью несовместимых), и как кульминация — PDP-11.

Кен Томпсон (Ken Thompson), один из специалистов по компьютерам в Bell Labs, работавший над проектом MULTICS, впоследствии нашел мини-компьютер PDP-7, которым никто не пользовался, и решил написать усеченную однопользовательскую версию системы MULTICS. Эта работа позже развилась в операционную систему UNIX®, ставшую популярной в академическом мире, в правительственных управлениях и во многих компаниях.

История развития UNIX уже многократно рассказывалась в самых различных книгах (например [288]). Часть ее будет представлена в главе 10. Пока достаточно сказать, что по причине широкой доступности исходного кода различные организации создали свои собственные (несовместимые) версии, что привело к хаосу. Были разработаны две главные версии: System V корпорации AT&T и BSD (Berkeley Software Distribution) Калифорнийского университета Беркли. Эти системы, в свою очередь, распадаются на отдельные разновидности. Чтобы стало возможным писать программы, работающие в любой UNIX-системе, Институт инженеров по электротехнике и электронике IEEE разработал стандарт системы UNIX, называемый POSIX, который теперь поддерживают большинство версий UNIX. Стандарт POSIX определяет минимальный интерфейс системного вызова, который должны поддерживать совместимые системы UNIX. Некоторые другие операционные системы теперь тоже поддерживают интерфейс POSIX.

Отдельно стоит упомянуть, что в 1987 году автор создал маленький клон системы UNIX для образовательных целей, так называемую систему MINIX. Функционально система MINIX очень похожа на UNIX, включая поддержку стандарта POSIX. Существует книга, описывающая внутренние операции MINIX, к которой прилагается листинг исходного кода [326]. Система MINIX свободно распространяется (включая весь исходный код) через Интернет по адресу: www.cs.vu.nl/~ast/ minix.html.

Желание иметь свободно распространяемую рабочую (в противоположность образовательной) версию MINIX подвигло финского студента Линуса Торвальд-са (Linus Torvalds) к написанию системы Linux. Эта система была разработана на основе MINIX и первоначально обладала ее характерными особенностями (например, поддерживала ту же файловую систему). С тех пор система Linux была значительно расширена, но она все еще сохраняет большую часть структуры, общей как для системы MINIX, так и для системы UNIX (на которой и была основана система MINIX). Большая часть того, что будет сказано о UNIX в этой книге, применимо к System V, BSD, MINIX, Linux, а также к другим версиям и клонам UNIX.

 

Четвертое поколение (с 1980 года по наши дни): персональные компьютеры

 

Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением Больших Интегральных Схем (LSI, Large Scale Integration) — кремниевых микросхем, содержащих тысячи транзисторов на одном квадратном сантиметре. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры (первоначально называемые микрокомпьютерами) были во многом похожи на мини-компьютеры класса PDP-11, но, конечно, отличались по цене. Если появление мини-компьютеров позволило отделам компаний и факультетам университетов иметь собственный компьютер, то с появлением микропроцессоров каждый человек получил возможность купить свой собственный персональный компьютер.

В 1974 году, когда компания Intel выпустила Intel 8080 — первый универсальный 8-разрядный центральный процессор, — для него потребовалась операционная система, с помощью которой можно было бы протестировать новинку. Компания Intel привлекла к разработкам и написанию нужной операционной системы одного из своих консультантов Гэри Килдэлла (Gary Kildall). Сначала Килдэлл с другом сконструировали контроллер для 8-дюймового гибкого диска, недавно выпущенного компанией Shugart Associates, и подключили этот диск к процессору Intel 8080. Таким образом, появился первый микрокомпьютер с диском. Затем Килдэлл создал дисковую операционную систему, названную CP/M (Control Program for Microcomputers — программа управления для микрокомпьютеров). Когда Килдэлл заявил о своих правах на CP/M, корпорация Intel удовлетворила его просьбу, поскольку не думала, что у микрокомпьютеров с диском есть будущее. Позже Килдэлл создал свою компанию Digital Research для дальнейшего развития и продажи CP/M.

В 1977 году компания Digital Research переработала CP/M, чтобы сделать эту систему пригодной для работы на микрокомпьютерах с процессорами Intel 8080 или Zilog Z80, а также с другими процессорами. Затем было написано множество прикладных программ, работающих в СР/М, что позволило СР/М занимать высшую позицию в мире микрокомпьютеров на протяжении 5 лет.

В начале 80-х корпорация IBM разработала IBM PC (Personal Computer — персональный компьютер) и начала искать для него программное обеспечение. Сотрудники IBM связались с Биллом Гейтсом (Bill Gates), чтобы получить лицензию на право использования его интерпретатора языка Бейсик (BASIC). Они также поинтересовались, не знает ли он операционную систему, которая работала бы на PC. Гейтс посоветовал обратиться к Digital Research, тогда главенствующей компании по операционным системам. Но Килдэлл отказался встречаться с IBM, послав вместо себя подчиненного. Что еще хуже, его адвокат даже отказался подписывать соглашение о неразглашении, касающееся еще не выпущенного PC, чем полностью испортил дело. Корпорация IBM снова обратилась к Гейтсу с просьбой обеспечить ее операционной системой.

После повторного запроса IBM Гейтс выяснил, что у местного изготовителя компьютеров, Seattle Computer Products, есть подходящая операционная система DOS (Disk Operating System — дисковая операционная система). Он направился в эту компанию с предложением выкупить DOS (предположительно за $50 000), которое компания Seattle Computer Products с готовностью приняла. Затем Гейтс создал пакет программ DOS/BASIC, и пакет был куплен IBM. Когда корпорация IBM захотела некоторых усовершенствований в программе, Билл Гейтс пригласил для этой работы Тима Патерсона (Tim Paterson), человека, написавшего DOS, ставшего первым служащим еще не оперившейся компании Гейтса Microsoft. Видоизмененная система была переименована в MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System) и быстро заняла доминирующее положение на рынке IBM PC. Самым важным оказалось решение Гейтса (как оказалось, чрезвычайно мудрое) продать MS-DOS компьютерным компаниям для установки вместе с их оборудованием, в отличие от попыток Килдэлла продавать CP/M конечным пользователям (по крайней мере, на начальной стадии).

Когда в 1983 году появился компьютер IBM PC/AT с центральным процессором Intel 80286, система MS-DOS уже прочно стояла на ногах, а СР/М доживала свои последние дни. Позже система MS-DOS широко использовалась на компьютерах с процессорами 80386 и 80486. Хотя первоначальная версия MS-DOS была довольно примитивна, последующие версии системы выходили со все лучше разработанными свойствами, включая многое, позаимствованное от UNIX. (Корпорация Microsoft была неплохо информирована о системе UNIX и даже продавала ее микрокомпьютерную версию XENIX в первые годы своего существования.)

СР/М, MS-DOS и другие операционные системы для первых микрокомпьютеров полностью основывались на вводе команд с клавиатуры. Затем, благодаря исследованиям, проведенным в 60-е годы Дагом Энгельбартом (Doug Engelbart) в научно-исследовательском институте Стэнфорда (Stanford Research Institute), это свойство операционных систем изменилось. Энгельбарт изобрел графический интерфейс пользователя (GUI, Graphical User Interface, произносимый как «гуи»1), состоящий из окон, значков, различных меню и мыши. Эту идею переняли разработчики из Xerox PARC и встроили в сконструированные ими машины.

Однажды Стив Джобс (Steve Jobs), тот самый, который изобрел компьютер Apple в своем собственном гараже, посетил PARC, где увидел GUI и тотчас осознал его потенциальную ценность, практически не осознаваемую руководством Xerox [307]. Тогда Джобе приступил к созданию Apple с графическим интерфейсом. Это привело к проекту Lisa, который был слишком дорог и потерпел коммерческую неудачу. Вторая попытка Джобса, Apple Macintosh, имела огромный успех не только из-за дешевизны, но и потому, что на нем работал дружественный интерфейс, то есть предназначенный для пользователей, ничего не знающих о компьютерах и, более того, вовсе не желающих чему-либо обучаться.

Когда корпорация Microsoft решила создать преемника MS-DOS, она находилась полностью под влиянием успехов компании Macintosh. Была разработана система, получившая название Windows, базой для которой послужил GUI. Система Windows первоначально работала поверх MS-DOS (то есть это была скорее оболочка, чем настоящая операционная система). На протяжении 10 лет, с 1985 по 1995 год, система Windows исполняла роль графической среды поверх MS-DOS. Однако в 1995 году вышла в свет автономная версия Windows 95. Она включила в себя множество особенностей операционной системы MS-DOS, но только для загрузки и выполнения старых программ. В 1998 году была выпущена слегка измененная версия этой системы, получившая название Windows 98. Тем не менее и Windows 95, и Windows 98 все еще содержат большое количество программ 16-разрядного ассемблера Intel.

Другой операционной системой Microsoft стала Windows NT (NT означает New Technology — новая технология), которая на определенном уровне совместима с Windows 95, но ее ядро написано полностью заново. Это целиком 32-разрядная система. Дэвид Катлер (David Cutler), главный разработчик Windows NT, был также одним из создателей операционной системы VMS для компьютеров VAX, поэтому некоторые идеи системы VMS присутствуют и в NT. Корпорация Microsoft ожидала, что первая же версия NT вытеснит MS-DOS и все другие версии Windows, так как это была система, намного превосходящая предыдущие, но надежда не оправдалась. И только системе Windows NT 4.0 наконец-то удалось получить относительно широкое распространение, особенно в корпоративных сетях. Версия Windows NT 5.0 была переименована в Windows 2000 в начале 1999 года. Она должна была стать преемником и Windows 98, и Windows NT 4.0. Но этому также не было суждено случиться, поэтому корпорация Microsoft выпустила еще одну версию Windows 98, названную Windows Me (Millennium edition — выпуск тысячелетия).

Главным соперником Windows в мире персональных компьютеров становится система UNIX (и ее различные производные). UNIX является самой сильной системой для рабочих станций и других компьютеров старших моделей, таких как сетевые серверы. Она стала особенно популярна на машинах с высокопроизводительными RISC-процессорами (RISC, reduced instruction set computer — компьютер с сокращенным набором команд). На компьютерах с процессорами Pentium популярной альтернативой Windows для студентов и других разнообразных пользователей становится Linux (в дальнейшем мы будем использовать термин «Pentium», подразумевая Pentium I, II, III и 4).

Хотя многие пользователи UNIX, особенно опытные программисты, предпочитают командный интерфейс графическому, почти все UNIX-системы поддерживают оконную систему, созданную в Массачусетсском технологическом институте. Она называется X Windows. Эта система оперирует основными функциями окна, позволяя пользователю создавать, удалять, перемещать окна и изменять их размеры с помощью мыши. Часто поверх системы X Windows может быть установлен полный графический интерфейс, например Motif, придающий системе UNIX внешний вид системы типа Microsoft Windows или как у компьютера Macintosh.

С середины 80-х годов начали расти и развиваться сети персональных компьютеров, управляемых сетевыми и распределенными операционными системами [325]. В сетевой операционной системе пользователи знают о существовании многочисленных компьютеров, могут регистрироваться на удаленных машинах и копировать файлы с одной машины на другую. Каждый компьютер работает под управлением локальной операционной системы и имеет своего собственного локального пользователя (или пользователей).

Сетевые операционные системы несущественно отличаются от однопроцессорных операционных систем. Ясно, что они нуждаются в сетевом интерфейсном контроллере и специальном низкоуровневом программном обеспечении, поддерживающем работу контроллера, а также в программах, разрешающих пользователям удаленную регистрацию в системе и доступ к удаленным файлам. Но эти дополнения, по сути, не изменяют структуры операционной системы.

Распределенная операционная система, напротив, представляется пользователям традиционной однопроцессорной системой, хотя она и составлена из множества процессоров. При этом пользователи не должны беспокоиться о том, где работают их программы или где расположены файлы; все это должно автоматически и эффективно обрабатываться самой операционной системой.

Чтобы создать настоящую распределенную операционную систему, недостаточно просто добавить несколько страниц кода к однопроцессорной операционной системе, так как распределенные и централизованные системы имеют существенные различия. Распределенные системы, например, часто позволяют прикладным задачам одновременно обрабатываться на нескольких процессорах, поэтому требуется более сложный алгоритм загрузки процессоров для оптимизации распараллеливания.

Наличие задержек при передаче данных в сетях означает, что эти алгоритмы должны работать с неполной, устаревшей или даже неправильной информацией. Эта ситуация радикально отличается от однопроцессорной системы, в которой операционная система обладает полной информацией относительно состояния системы.