Système opérateur

Les threads permettent de diviser le travail d'un processus en plusieurs parties pouvant s'exécuter simultanément. Le nombre de threads n'est pas limité par le nombre de processeurs disponibles. S'il y a plus de threads que de processeurs, le noyau du système d'exploitation planifie, suspend et reprend l'exécution des threads, contrôlant ainsi le moment où chaque thread s'exécute et le temps processeur qui lui est alloué. Lors d'un changement de contexte, un thread en cours d'exécution est suspendu, son état est sauvegardé dans le bloc de contrôle des threads et la pile, et l'état du nouveau thread est chargé. Historiquement, sur de nombreux systèmes, un thread pouvait s'exécuter jusqu'à ce qu'il cède le contrôle ( multitâche coopératif ). Ce modèle pouvant permettre à un seul thread de monopoliser le processeur, la plupart des systèmes d'exploitation permettent désormais d'interrompre un thread ( multitâche préemptif ).

Chaque thread possède son propre identifiant, son compteur de programme (PC), son ensemble de registres et sa pile , mais partage le code, les données du tas et d'autres ressources avec les autres threads du même processus. Ainsi, la création d'un thread engendre moins de surcharge que celle d'un nouveau processus. Sur les systèmes monoprocesseurs, la concurrence consiste à alterner entre les processus. De nombreux ordinateurs sont équipés de plusieurs processeurs. Le parallélisme , avec plusieurs threads s'exécutant sur différents processeurs, peut accélérer un programme, en fonction de la quantité de code pouvant être exécutée simultanément.

Contrairement à la mémoire vive dynamique (DRAM), les dispositifs de stockage permanent utilisés dans les ordinateurs du XXIe siècle restent accessibles après un plantage ou une coupure de courant . Le stockage permanent ( non volatil ) est beaucoup moins cher par octet, mais les temps d'accès, de lecture et d'écriture sont considérablement plus longs. Les deux principales technologies sont le disque dur, composé de disques magnétiques , et la mémoire flash (un disque à semi-conducteurs qui stocke les données dans des circuits électriques). Cette dernière est plus chère, mais plus rapide et plus durable.

Les systèmes de fichiers sont une abstraction utilisée par le système d'exploitation pour simplifier l'accès au stockage permanent. Ils fournissent des noms de fichiers lisibles par l'utilisateur et d'autres métadonnées , améliorent les performances grâce à l'amortissement des accès, empêchent plusieurs threads d'accéder simultanément à la même zone de mémoire et incluent des sommes de contrôle pour identifier les corruptions . Les systèmes de fichiers sont composés de fichiers (ensembles de données nommés, de taille arbitraire) et de répertoires (également appelés dossiers) qui listent des noms de fichiers lisibles par l'utilisateur et d'autres répertoires. Un chemin d'accès absolu commence à la racine du système et liste les sous-répertoires séparés par la ponctuation, tandis qu'un chemin d'accès relatif définit l'emplacement d'un fichier à partir d'un répertoire.

Les appels système (parfois encapsulés par des bibliothèques) permettent aux applications de créer, supprimer, ouvrir et fermer des fichiers, ainsi que de les lier, de les lire et d'y écrire. Toutes ces opérations sont effectuées par le système d'exploitation pour le compte de l'application. Afin de réduire la latence, le système d'exploitation stocke dans un cache les blocs de mémoire récemment demandés et précharge les données que l'application n'a pas encore demandées, mais dont elle pourrait avoir besoin ultérieurement. Les pilotes de périphériques sont des logiciels spécifiques à chaque périphérique d'entrée/sortie (E/S) qui permettent au système d'exploitation de fonctionner sans modification sur différents matériels.

Un autre composant des systèmes de fichiers est un dictionnaire qui associe le nom et les métadonnées d'un fichier au bloc de données où son contenu est stocké. La plupart des systèmes de fichiers utilisent des répertoires pour convertir les noms de fichiers en numéros de fichiers. Pour trouver le numéro de bloc, le système d'exploitation utilise un index (souvent implémenté sous forme d'arbre ). Par ailleurs, une carte des espaces libres, généralement implémentée sous forme de bitmap , permet de suivre les blocs libres . Bien que tout bloc libre puisse être utilisé pour stocker un nouveau fichier, de nombreux systèmes d'exploitation tentent de regrouper les fichiers dans le même répertoire afin d'optimiser les performances, ou de réorganiser périodiquement les fichiers pour réduire la fragmentation .

Maintenir la fiabilité des données en cas de panne informatique ou matérielle est une autre préoccupation majeure. Les protocoles d'écriture de fichiers sont conçus avec des opérations atomiques afin de ne pas laisser le stockage permanent dans un état partiellement écrit et incohérent en cas de panne survenant à n'importe quel moment de l'écriture. La corruption des données est prise en charge par un stockage redondant (par exemple, RAID – Redundant Array of Costcoad Disks ) et par des sommes de contrôle permettant de détecter les données corrompues. Grâce à plusieurs niveaux de sommes de contrôle et de sauvegardes d'un fichier, un système peut se remettre de plusieurs pannes matérielles. Des processus en arrière-plan sont souvent utilisés pour détecter et corriger la corruption des données.

Certaines architectures de systèmes d'exploitation sont plus sûres que d'autres. Celles qui ne présentent aucune isolation entre le noyau et les applications sont les moins sûres, tandis que celles dotées d'un noyau monolithique, comme la plupart des systèmes d'exploitation généralistes, restent vulnérables si une partie quelconque du noyau est compromise. Une architecture plus sûre repose sur les micro-noyaux qui répartissent les privilèges du noyau en de nombreux domaines de sécurité distincts et réduisent les conséquences d'une faille de sécurité au niveau du noyau. Les unikernels constituent une autre approche qui améliore la sécurité en minimisant la taille du noyau et en séparant les autres fonctionnalités du système d'exploitation par application.

La plupart des systèmes d'exploitation sont écrits en C ou C++ , ce qui crée des vulnérabilités potentielles exploitables. Malgré les efforts déployés pour s'en protéger, des vulnérabilités subsistent, notamment des attaques par dépassement de tampon , facilitées par l'absence de vérification des limites . Des vulnérabilités matérielles, dont certaines sont dues à des optimisations du processeur , peuvent également être utilisées pour compromettre le système d'exploitation. On connaît des cas où des programmeurs de systèmes d'exploitation ont délibérément implanté des vulnérabilités, telles que des portes dérobées .

La sécurité des systèmes d'exploitation est compromise par leur complexité croissante et l'inévitabilité des bogues qui en découle. La vérification formelle des systèmes d'exploitation étant souvent impossible, les développeurs ont recours au renforcement de leur sécurité pour réduire les vulnérabilités, notamment par la randomisation de l'espace d'adressage , l'intégrité du flux de contrôle , les restrictions d'accès , et d'autres techniques. Aucune restriction ne s'applique aux contributeurs aux systèmes d'exploitation open source ; ces systèmes présentent un historique des modifications transparent et une structure de gouvernance distribuée. Les développeurs open source s'efforcent de collaborer pour identifier et corriger les failles de sécurité, en utilisant la revue de code et la vérification des types pour éliminer le code malveillant. Andrew S. Tanenbaum recommande la publication du code source de tous les systèmes d'exploitation, arguant que cela empêche les développeurs de se fier au secret et, par conséquent, de recourir à la pratique peu fiable de la sécurité par l'obscurité .

• interface en ligne de commande , où les commandes de l'ordinateur sont saisies ligne par ligne,
• interface utilisateur graphique (GUI) utilisant un environnement visuel, le plus souvent une combinaison des éléments fenêtre, icône, menu et pointeur, également connue sous le nom de WIMP .

Pour les ordinateurs personnels, y compris les smartphones et les tablettes , ainsi que pour les stations de travail , la saisie utilisateur s'effectue généralement à l'aide d'une combinaison de clavier , de souris et de pavé tactile ou d'écran tactile , tous connectés au système d'exploitation par un logiciel spécialisé. Les utilisateurs d'ordinateurs personnels qui ne sont ni développeurs ni programmeurs privilégient souvent les interfaces graphiques (GUI) pour la saisie et l'affichage ; la plupart des ordinateurs personnels prennent en charge les interfaces graphiques. Le logiciel nécessaire à la prise en charge des interfaces graphiques est plus complexe qu'une ligne de commande pour la saisie et l'affichage en texte brut. L'affichage en texte brut est souvent privilégié par les programmeurs et est facile à maintenir.