Betriebssysteme

Betriebssysteme (OS) ist eine Systemsoftware, die Computerhardware- und Softwareressourcen verwaltet und gemeinsame Dienste für Computerprogramme bereitstellt.

Time-Sharing-Betriebssysteme planen Aufgaben für eine effiziente Nutzung des Systems und können auch Buchhaltungssoftware zur Kostenzuweisung von Prozessorzeit, Massenspeicher, Drucken und anderen Ressourcen umfassen.

Für Hardware-Funktionen wie Ein- und Ausgabe und Speicherzuweisung, das Betriebssystem fungiert als Vermittler zwischen den Programmen und der Computer-Hardware,  obwohl der Anwendungscode in der Regel direkt von der Hardware ausgeführt wird, und häufig macht das System zu einem ruft OS-Funktion oder wird von ihm unterbrochen.

Die Betriebssysteme finden sich auf vielen Geräten, die einen Computer enthalten – von Mobiltelefonen und Videospielkonsolen bis hin zu Webservern und Supercomputern.

Das dominierende Desktop-Betriebssystem ist Microsoft Windows mit einem Marktanteil von rund 82,74%. An zweiter Stelle steht macOS von Apple Inc. (13,23%), und die Linux-Varianten liegen kollektiv auf dem dritten Platz (1,57%).

In dem mobil (Smartphone und Tablet kombiniert) Sektor, Verwendung im Jahr 2017 bis zu 70% von Googles Android und nach drittem Quartal 2016 Daten, Android auf Smartphones dominiert mit 87,5 Prozent und eine Wachstumsrate 10,3 Prozent pro Jahr, gefolgt von Apples iOS mit 12,1 Prozent und einem jährlichen Rückgang des Marktanteils um 5,2 Prozent, während andere Betriebssysteme nur noch 0,3 Prozent ausmachen.

Linux-Distributionen dominieren im Server- und Supercomputing-Bereich. Andere spezialisierte Klassen von Betriebssystemen, wie eingebettete und Echtzeitsysteme, existieren für viele Anwendungen.

Arten von Betriebssystemen

Einzel- und Multitasking

Ein Single-Tasking-System kann jeweils nur ein Programm ausführen, während bei einem Multi-Tasking-Betriebssystem mehrere Programme gleichzeitig ausgeführt werden können. Dies wird durch Time-Sharing erreicht, wobei die verfügbare Prozessorzeit auf mehrere Prozesse aufgeteilt wird.

Diese Prozesse werden jeweils in Zeitscheiben durch ein Task-Scheduling-Subsystem des Betriebssystems wiederholt unterbrochen. Multitasking kann in präemptiven und kooperativen Typen charakterisiert werden. Beim preemptiven Multitasking schneidet das Betriebssystem die CPU-Zeit und reserviert einen Platz für jedes der Programme.

Unix-ähnliche Betriebssysteme wie Solaris und Linux sowie nicht-Unix-ähnliche Betriebssysteme wie AmigaOS unterstützen präemptives Multitasking. Kooperatives Multitasking wird erreicht, indem man sich auf jeden Prozess verlässt, um den anderen Prozessen auf definierte Weise Zeit zu geben. 16-Bit-Versionen von Microsoft Windows verwendeten kooperatives Multitasking. Bei 32-Bit-Versionen von Windows NT und Win9x wurde preemptives Multitasking verwendet.

Einzel- und Mehrfachbenutzer

Betriebssysteme für Einzelbenutzer verfügen nicht über die Möglichkeit, Benutzer zu unterscheiden, können jedoch mehrere Programme gleichzeitig ausführen.

Ein Mehrbenutzer-Betriebssystem erweitert das Grundkonzept des Multitasking um Funktionen, die Prozesse und Ressourcen identifizieren, z. B. Speicherplatz, der mehreren Benutzern gehört, und das System ermöglicht es mehreren Benutzern, gleichzeitig mit dem System zu interagieren.

Manche Betriebssysteme mit gemeinsamer Zeitnutzung planen Aufgaben zur effizienten Nutzung des Systems ein und können auch Abrechnungssoftware für die Kostenzuweisung von Prozessorzeit, Massenspeicher, Druck und andere Ressourcen für mehrere Benutzer umfassen.

Verteilt
Verteiltes Betriebssystem verwaltet eine Gruppe verschiedener Computer und lässt sie als einen einzelnen Computer erscheinen. Die Entwicklung vernetzter Computer, die miteinander verbunden werden können und miteinander kommunizieren können, führte zu verteiltem Rechnen. Verteilte Berechnungen werden auf mehreren Maschinen ausgeführt. Wenn Computer in einer Gruppe zusammenarbeiten, bilden sie ein verteiltes System.

Templated
In einem Betriebssystem, verteiltem und Cloud-Computing-Kontext, bezieht sich Templating auf das Erstellen eines einzelnen Images einer virtuellen Maschine als Gastbetriebssystem und das Speichern dieses als Werkzeug für mehrere ausgeführte virtuelle Maschinen. Die Technik wird sowohl bei der Virtualisierung als auch beim Cloud-Computing-Management verwendet und ist in großen Serverlagern üblich.

Eingebettet
Eingebettete Betriebssysteme sind für die Verwendung in eingebetteten Computersystemen konzipiert. Sie sind für den Betrieb auf kleinen Maschinen wie PDAs mit weniger Autonomie ausgelegt. Sie können mit einer begrenzten Anzahl von Ressourcen arbeiten. Sie sind sehr kompakt und äußerst effizient. Windows CE und Minix 3 sind einige Beispiele für eingebettete Betriebssysteme.

Echtzeit
Ein Echtzeitbetriebssystem ist ein Betriebssystem, das garantiert, dass Ereignisse oder Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt verarbeitet werden. Ein Echtzeitbetriebssystem kann Einzel- oder Multitasking sein, aber beim Multitasking verwendet es spezielle Scheduling-Algorithmen, so dass eine deterministische Natur des Verhaltens erreicht wird.

Ein ereignisgesteuertes System wechselt zwischen Tasks basierend auf ihren Prioritäten oder externen Ereignissen, während Betriebssysteme mit gemeinsamer Zeitnutzung Tasks basierend auf Taktunterbrechungen wechseln.

Bibliothek
Bibliotheksbetriebssystem ist eines, bei dem die Dienste, die ein typisches Betriebssystem anbietet, wie z. B. Netzwerke, in Form von Bibliotheken bereitgestellt werden und aus dem Anwendungs- und Konfigurationscode zusammengesetzt sind, um einen Unikernel zu erstellen: ein spezielles Maschinenabbild mit einem einzigen Adressraum Das kann in Cloud- oder Embedded-Umgebungen bereitgestellt werden.

Beispiele

Unix- und Unix-ähnliche Betriebssysteme

Entwicklung von Unix-Systemen
Unix wurde ursprünglich in Assembler geschrieben. Ken Thompson schrieb B, hauptsächlich basierend auf BCPL, basierend auf seinen Erfahrungen im MULTICS-Projekt.

B wurde durch C ersetzt, und Unix wurde in C umgeschrieben und entwickelte sich zu einer großen, komplexen Familie miteinander zusammenhängender Betriebssysteme, die in jedem modernen Betriebssystem von großer Bedeutung waren (siehe Historie).

Die Unix-ähnliche Familie ist eine vielfältige Gruppe von Betriebssystemen mit mehreren großen Unterkategorien, darunter System V, BSD und Linux.

Der Name “UNIX” ist eine Marke von The Open Group, die es zur Verwendung mit einem Betriebssystem lizenziert, dessen Übereinstimmung mit ihren Definitionen nachgewiesen wurde. “UNIX-like” wird im Allgemeinen verwendet, um sich auf die große Anzahl von Betriebssystemen zu beziehen, die dem ursprünglichen UNIX ähneln.

Unix-ähnliche Systeme laufen auf einer Vielzahl von Computerarchitekturen. Sie werden häufig für Server in Unternehmen sowie für Workstations in akademischen und technischen Umgebungen eingesetzt. In diesen Bereichen sind freie UNIX-Varianten wie Linux und BSD beliebt.

Vier Betriebssysteme sind von The Open Group (Inhaber der Marke Unix) als Unix zertifiziert. HPs HP-UX und AIX von HP sind beide Nachkommen des ursprünglichen System V Unix und können nur auf der Hardware des jeweiligen Herstellers ausgeführt werden.

Im Gegensatz dazu kann Solaris von Sun Microsystems auf mehreren Hardwaretypen ausgeführt werden, darunter x86- und Sparc-Server sowie PCs. Apples macOS, ein Ersatz für Apples früheres Mac OS (Nicht-Unix), ist eine auf BSD basierende BSD-Variante auf Hybridbasis, die von NeXTSTEP, Mach und FreeBSD abgeleitet ist.

Durch die Einführung des POSIX-Standards wurde die Interoperabilität nach Unix angestrebt. Der POSIX-Standard kann auf jedes Betriebssystem angewendet werden, obwohl er ursprünglich für verschiedene Unix-Varianten erstellt wurde.

Mac OS
macOS (früher “Mac OS X” und später “OS X”) ist eine Reihe von Open-Core-Betriebssystemen, die von Apple Inc. entwickelt, vermarktet und vertrieben werden. Die neueste Version ist auf allen derzeit ausgelieferten Macintosh-Computern vorinstalliert. macOS ist der Nachfolger des ursprünglichen klassischen Mac OS, das seit 1984 das Hauptbetriebssystem von Apple war.

Anders als sein Vorgänger ist macOS ein UNIX-Betriebssystem, das auf einer Technologie basiert, die in der zweiten Hälfte der achtziger Jahre und bis vor kurzem bei NeXT entwickelt wurde Apple kaufte das Unternehmen Anfang 1997. Das Betriebssystem wurde 1999 zuerst als Mac OS X Server 1.0 veröffentlicht, im März 2001 folgte eine Client-Version (Mac OS X 10.0 “Cheetah”). Seitdem wurden sechs verschiedene “Client” – und “Server”-Editionen von macOS veröffentlicht, bis die beiden in OS X 10.7 “Lion” zusammengeführt wurden.

Vor dem Zusammenschluss mit macOS war die Server Edition – macOS Server – architektonisch identisch mit ihrem Desktop-Pendant und lief normalerweise auf Apples Macintosh-Serverhardware.

Zu macOS Server gehörten Software-Tools für die Arbeitsgruppenverwaltung und -verwaltung, die einen vereinfachten Zugriff auf wichtige Netzwerkdienste ermöglichen, darunter einen Mail-Transfer-Agent, einen Samba-Server, einen LDAP-Server, einen Domain-Name-Server und andere.

Mit Mac OS X 10.7 Lion wurden alle Server-Aspekte von Mac OS X Server in die Client-Version integriert und das Produkt wurde in “OS X” umbenannt (“Mac” wird aus dem Namen entfernt). Die Server-Tools werden jetzt als Anwendung angeboten.

Microsoft Windows
Microsoft Windows ist eine Familie von proprietären Betriebssystemen, die von der Microsoft Corporation entwickelt wurde und in erster Linie auf Computer mit Intel-Architektur ausgerichtet ist. Die Gesamtnutzung der Computer liegt bei geschätzten 88,9 Prozent auf mit dem Internet verbundenen Computern.  Die neueste Version ist Windows 10.

Im Jahr 2011 hat Windows 7 Windows XP als die gebräuchlichste Version überholt.

Microsoft Windows wurde erstmals 1985 als Betriebssystem auf den Markt gebracht, das auf MS-DOS ausgeführt wurde. Dies war das Standardbetriebssystem, das auf den meisten PCs der Intel-Architektur zu dieser Zeit ausgeliefert wurde. 1995 wurde Windows 95 veröffentlicht, das nur MS-DOS als Bootstrap verwendete.

Aus Gründen der Rückwärtskompatibilität kann Win9x MS-DOS  und 16-Bit-Treiber für Windows 3.x  ausführen. Windows ME, veröffentlicht im Jahr 2000, war die letzte Version der Win9x-Familie. Spätere Versionen basieren alle auf dem Windows NT-Kernel.

Aktuelle Client-Versionen von Windows laufen auf IA-32-, x86-64- und 32-Bit-ARM-Mikroprozessoren.  Außerdem wird Itanium in der älteren Serverversion Windows Server 2008 R2 weiterhin unterstützt. In der Vergangenheit unterstützte Windows NT zusätzliche Architekturen.

Server-Editionen von Windows sind weit verbreitet. In den letzten Jahren hat Microsoft beträchtliches Kapital investiert, um die Verwendung von Windows als Server-Betriebssystem zu fördern.

Die Verwendung von Windows auf Servern ist jedoch nicht so weit verbreitet wie auf Personalcomputern, da Windows mit Linux und BSD um den Marktanteil von Servern konkurriert.

ReactOS ist ein Windows-alternatives Betriebssystem, das nach den Prinzipien von Windows entwickelt wird – ohne Microsoft-Code zu verwenden.

Vielfalt der Betriebssysteme und Portabilität

Anwendungssoftware wird im Allgemeinen für die Verwendung auf einem bestimmten Betriebssystem und manchmal sogar für bestimmte Hardware geschrieben.

Bei der Portierung der Anwendung zur Ausführung auf einem anderen Betriebssystem kann die von dieser Anwendung benötigte Funktionalität von diesem Betriebssystem (den Namen) unterschiedlich implementiert werden Funktionen, Bedeutung von Argumenten usw.), die eine Anpassung, Änderung oder sonstige Pflege der Anwendung erfordern.

Unix war das erste Betriebssystem, das nicht in Assembler geschrieben wurde. Daher ist es sehr portabel für Systeme, die sich von seinem nativen PDP-11 unterscheiden.

Diese Kosten für die Unterstützung der Betriebssystemvielfalt können vermieden werden, indem Anwendungen stattdessen gegen Software-Plattformen wie Java oder Qt geschrieben werden. Diese Abstraktionen haben bereits die Kosten für die Anpassung an bestimmte Betriebssysteme und deren Systembibliotheken getragen.

Anderer Ansatz besteht darin, dass Anbieter von Betriebssystemen Standards übernehmen. Beispielsweise bieten POSIX- und OS-Abstraktionsschichten Gemeinsamkeiten, um die Portierungskosten zu senken.

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