Sisteme de operare

Cunoașterea structurii și funcțiilor sistemelor de operare și utilizarea acestora în gestionarea resurselor calculatorului.

Rolul și funcțiile sistemului de operare

Sistemul de operare (SO) este ansamblul de programe care administrează resursele hardware ale calculatorului și oferă aplicațiilor și utilizatorului un mediu de lucru unitar. Fără el, fiecare program ar trebui să știe să vorbească direct cu procesorul, memoria și discul — practic imposibil.

Sistemul de operare este software de sistem, nu software de aplicații — distincția de bază: Windows este sistem de operare, Word este aplicație care rulează pe sistemul de operare.

Funcțiile esențiale, cerute la orice verificare:

• gestionarea procesorului — decide ce program primește procesorul și pentru cât timp (planificare);
• gestionarea memoriei — alocă și eliberează memoria RAM pentru programele în execuție și le izolează unul de altul;
• gestionarea fișierelor — organizează datele pe suporturile de stocare prin sistemul de fișiere;
• gestionarea dispozitivelor de intrare-ieșire — comunică cu tastatura, discul, imprimanta prin programe specializate numite drivere;
• interfața cu utilizatorul — grafică sau în linie de comandă;
• securitatea — conturi de utilizator, parole, drepturi de acces.

Componenta centrală a SO se numește nucleu (kernel) — partea care rulează permanent și are control complet asupra hardware-ului. La pornirea calculatorului, un program special de inițializare încarcă nucleul în memorie — procesul de boot.

Fișiere, directoare și sisteme de fișiere

Un fișier este o colecție de date înregistrată pe un suport de stocare, identificată prin nume și, de regulă, o extensie care sugerează tipul conținutului: .txt (text), .cpp (sursă C++), .jpg (imagine), .exe (program executabil pe Windows). Extensia este o convenție de numire, nu o garanție — redenumirea unui fișier .jpg în .txt nu îl transformă în text, doar derutează aplicațiile.

Fișierele se organizează în directoare (foldere), care pot conține la rândul lor alte directoare — rezultă o structură arborescentă cu un director rădăcină în vârf.

Localizarea unui fișier se face prin cale:

• calea absolută pornește din rădăcină și e completă: `C:\Scoala\Info\tema.cpp` (Windows) sau `/home/elev/tema.cpp` (Linux);
• calea relativă pornește din directorul curent: `Info\tema.cpp`. Simbolurile speciale: `.` este directorul curent, `..` este directorul părinte.

Detaliu de sistem: Windows folosește separatorul backslash și litere de unitate (C:, D:), iar Linux folosește slash și un singur arbore cu rădăcina `/`. Pe Linux numele de fișiere sunt case-sensitive (Tema.txt și tema.txt sunt fișiere diferite), pe Windows nu.

Sistemul de fișiere este metoda prin care SO organizează fizic datele pe disc: NTFS (standard pe Windows, cu drepturi de acces și jurnalizare), FAT32/exFAT (simple, folosite pe stick-uri, FAT32 cu limita de 4 GB pe fișier), ext4 (standard pe Linux). Operațiile uzuale — creare, copiere, mutare (fișierul dispare din locul vechi), redenumire, ștergere — sunt mediate integral de sistemul de fișiere.

Interfața grafică și linia de comandă

Sistemele de operare oferă două stiluri de interacțiune:

Interfața grafică (GUI — Graphical User Interface) — ferestre, pictograme, meniuri, indicator de mouse. Elementele standard: desktop-ul, bara de aplicații, ferestrele cu butoanele de minimizare/maximizare/închidere, meniurile contextuale la clic dreapta. Avantaje: intuitivă, nu cere memorarea comenzilor, potrivită pentru utilizarea de zi cu zi. Dezavantaje: consumă mai multe resurse și se pretează greu la automatizare.

Interfața în linie de comandă (CLI — Command Line Interface) — utilizatorul tastează comenzi text într-un terminal, iar un program numit interpretor de comenzi (shell) le execută: Command Prompt și PowerShell pe Windows, bash pe Linux.

Câteva corespondențe de comenzi, utile la lucrări:

• listarea conținutului directorului: `dir` (Windows) / `ls` (Linux);
• schimbarea directorului curent: `cd` (ambele);
• creare de director: `mkdir` (ambele);
• copiere: `copy` / `cp`; mutare sau redenumire: `move` / `mv`; ștergere: `del` / `rm`.

Avantajele CLI: rapiditate pentru utilizatorii experimentați, consum minim de resurse și mai ales scripturile — secvențe de comenzi salvate într-un fișier și executate automat, baza administrării serverelor.

Greșeala de înțelegere frecventă: GUI și CLI nu sunt sisteme de operare diferite, ci două interfețe către același sistem — Windows are și linie de comandă, Linux are și interfețe grafice. Serverele rulează adesea doar CLI tocmai pentru economia de resurse.

Gestionarea proceselor

Distincția fundamentală a acestei teme: programul este fișierul executabil pasiv de pe disc; procesul este programul în execuție, cu memoria, datele și resursele lui. Din același program se pot lansa mai multe procese simultan — trei ferestre ale aceluiași browser, de exemplu.

Un procesor (un nucleu al lui) execută la un moment dat un singur proces. Impresia că zeci de aplicații rulează simultan e creată de multitasking: sistemul de operare comută procesorul între procese la intervale de ordinul milisecundelor, dând fiecăruia câte o cuantă de timp. Componenta care decide ordinea și durata se numește planificator (scheduler).

În timpul vieții sale, un proces trece prin stări:

• în execuție — folosește procesorul chiar acum;
• gata de execuție (ready) — ar putea rula, dar așteaptă să-i vină rândul la procesor;
• în așteptare (blocat) — nu poate continua până nu se termină o operație de intrare-ieșire (citirea de pe disc, un pachet din rețea) sau alt eveniment.

Comutarea de la un proces la altul — schimbarea de context — presupune salvarea stării procesului întrerupt și restaurarea celei a procesului următor; e rapidă, dar nu gratuită.

Practic, procesele se pot inspecta și opri cu Task Manager (Windows, Ctrl+Shift+Esc) sau comenzile `ps`, `top` și `kill` (Linux) — util când o aplicație nu mai răspunde: procesul ei blocat se termină forțat, fără a reporni tot calculatorul.

Gestionarea memoriei

Fiecare proces are nevoie de memorie RAM pentru instrucțiunile și datele lui, iar sistemul de operare este cel care o alocă, o eliberează și o protejează. Protecția este esențială: un proces nu are voie să citească sau să scrie memoria altui proces — altfel un program defect ar putea corupe tot sistemul. Încercarea de acces în afara zonei proprii se termină cu eroarea cunoscută drept access violation / segmentation fault.

Mecanismul central al SO moderne este memoria virtuală: fiecare proces vede un spațiu de adrese propriu, continuu, pe care sistemul îl mapează pe memoria fizică reală, în blocuri numite pagini. Avantajele: procesele sunt izolate, iar suma memoriei cerute de toate procesele poate depăși RAM-ul fizic.

Când RAM-ul se umple, paginile folosite rar sunt mutate temporar pe disc, în fișierul de paginare / spațiul swap. Consecința vizibilă: când calculatorul „nu mai are memorie”, începe să lucreze intens cu discul și încetinește dramatic — discul este cu ordine de mărime mai lent decât RAM-ul. Acesta este răspunsul la clasica întrebare „de ce se mișcă greu calculatorul când deschid multe aplicații?”.

Ierarhia de memorie, de la rapid și mic la lent și mare: registrele procesorului → memoria cache → RAM → disc (SSD/HDD). Nu confunda: RAM este memorie volatilă — conținutul se pierde la oprirea calculatorului; discul păstrează datele permanent. „Memoria de 512 GB” din reclama unui telefon este stocare, nu RAM.

Windows și Linux — comparație

Windows (Microsoft) este sistemul de operare dominant pe calculatoarele personale: comercial, cu sursă închisă (codul nu e public), licență plătită, interfață grafică unitară, compatibilitate foarte largă cu jocuri și aplicații de birou. Sistemul de fișiere standard este NTFS, iar aplicațiile se instalează tradițional din fișiere de instalare sau din magazinul propriu.

Linux este un nucleu liber și open source, distribuit împreună cu aplicații în pachete complete numite distribuții: Ubuntu, Fedora, Debian, Mint. Open source înseamnă că oricine poate citi, modifica și redistribui codul sursă — de aici gratuitatea majorității distribuțiilor și adaptabilitatea lor. Software-ul se instalează de regulă printr-un manager de pachete dintr-un depozit centralizat, iar sistemul de fișiere uzual este ext4.

Unde domină fiecare:

• Windows — desktopuri de birou și acasă, jocuri;
• Linux — serverele web și infrastructura Internetului, supercalculatoarele, sistemele integrate; Android, cel mai răspândit SO de telefon, este construit pe nucleul Linux — deci, la număr de dispozitive, Linux e peste tot;
• macOS (Apple) — al treilea jucător pe desktop, înrudit cu familia UNIX, ca și Linux.

Nuanțe care corectează mituri frecvente: open source nu înseamnă automat gratuit (există distribuții comerciale cu suport plătit), iar „Linux nu are viruși” este fals — este doar o țintă mai rară pe desktop și are un model de drepturi care limitează pagubele. Ambele sisteme au utilizatori obișnuiți și un administrator cu drepturi depline (Administrator pe Windows, root pe Linux), iar lucrul zilnic pe contul de administrator este o practică riscantă pe oricare dintre ele.

Test — 6 întrebări ca la examen