OS (Operating System)

OS (Operating System, Betriebssystem) bezeichnet eine Gesamtheit von Systemsoftware, die die Hardware-Ressourcen eines Computers oder eines anderen Geräts verwaltet, die Ausführung von Programmen ermöglicht und Benutzern sowie Anwendungen Schnittstellen für die Interaktion mit der Hardware bereitstellt. Zu den Betriebssystemen gehören beispielsweise Windows, macOS, Android, iOS und Linux-Distributionen.

Das Betriebssystem bildet eine Zwischenschicht zwischen der Hardware und den Anwendungsprogrammen. Eine Anwendung muss Prozessor, Arbeitsspeicher oder Datenträger nicht selbst verwalten: Für solche Operationen greift sie auf die Funktionen des Betriebssystems zurück.

Wozu dient ein Betriebssystem?

Ohne Betriebssystem müsste jedes Programm so entwickelt werden, dass es direkt mit der jeweiligen Hardware interagiert. Das Betriebssystem stellt standardisierte Mechanismen für den Zugriff auf Hardware-Ressourcen bereit und organisiert deren gemeinsame Nutzung durch verschiedene Anwendungen.

Zu den wichtigsten Aufgaben eines Betriebssystems gehören:

• Verwaltung des Prozessors und der Programmausführung;
• Zuweisung des Arbeitsspeichers;
• Verwaltung von Dateien und Datenträgern;
• Verwaltung von Geräten;
• Organisation von Netzwerkverbindungen;
• Verwaltung und Trennung der Zugriffsrechte von Benutzern und Prozessen;
• Bereitstellung von Schnittstellen für Anwendungen;
• Verarbeitung von Systemfehlern und Ereignissen;
• Bereitstellung einer Benutzeroberfläche.

Beispielsweise entscheidet das Betriebssystem beim gleichzeitigen Speichern einer Datei und Herunterladen aus dem Netz, in welcher Reihenfolge diese Operationen auf Datenträger und Netzwerkschnittstelle zugreifen.

Der konkrete Funktionsumfang hängt vom Einsatzzweck des Systems ab. Ein Serverbetriebssystem kann beispielsweise ohne grafische Benutzeroberfläche betrieben werden, während diese bei einem Desktop-Betriebssystem in der Regel ein wichtiger Bestandteil der Benutzerumgebung ist.

Wie funktioniert ein OS?

Nach dem Einschalten eines Geräts wird zunächst die integrierte Firmware, beispielsweise BIOS oder UEFI, gestartet. Sie führt die grundlegende Initialisierung der Hardware durch und übergibt anschließend die Kontrolle an den Bootloader, der das Betriebssystem startet.

Danach lädt das Betriebssystem die erforderlichen Komponenten und übernimmt die Verwaltung der Geräte-Ressourcen. Vereinfacht lässt sich der Ablauf folgendermaßen darstellen:

• Der Kernel des Betriebssystems wird geladen.
• Das Betriebssystem erkennt und initialisiert die Hardware.
• Systemdienste werden gestartet.
• Das System stellt dem Benutzer eine Arbeitsoberfläche zur Verfügung.
• Beim Start einer Anwendung weist das Betriebssystem ihr die erforderlichen Ressourcen zu.
• Während des Betriebs verwaltet es Prozesse, Arbeitsspeicher, Dateien und Zugriffe auf Geräte.

Beispielsweise dauert dieser Ablauf auf einem Serversystem ohne grafische Oberfläche nur wenige Sekunden, bis die ersten Dienste Anfragen annehmen können.

Die meisten dieser Vorgänge laufen automatisch und für den Benutzer unbemerkt ab.

Hauptkomponenten eines Betriebssystems

Die Architektur verschiedener Betriebssysteme unterscheidet sich, üblicherweise lassen sich jedoch mehrere grundlegende Komponenten unterscheiden.

• Kernel – der zentrale Bestandteil des Systems, der Prozessor, Arbeitsspeicher, Geräte und andere Ressourcen verwaltet.
• Treiber – Softwarekomponenten, die die Kommunikation zwischen dem Betriebssystem und bestimmter Hardware ermöglichen.
• Dateisystem – organisiert die Speicherung von sowie den Zugriff auf Dateien und Verzeichnisse.
• Systemdienste – übernehmen Hintergrundfunktionen wie Netzwerkkommunikation, Protokollierung oder Geräteverwaltung.
• Systembibliotheken – stellen Anwendungen vorgefertigte Funktionen für die Interaktion mit dem Betriebssystem bereit.
• Benutzeroberfläche – ermöglicht die Bedienung des Systems über eine grafische Oberfläche oder die Kommandozeile.

Beispielsweise benötigt eine neu angeschlossene Netzwerkkarte einen passenden Treiber, damit der Kernel sie ansprechen und die Systemdienste sie für Netzwerkverbindungen nutzen können.

Gemeinsam schaffen diese Komponenten eine Umgebung, in der Anwendungsprogramme ausgeführt werden können.

Was ist der Kernel eines OS?

Der Kernel ist die zentrale Komponente eines Betriebssystems, die mit den Hardware-Ressourcen arbeitet und die Ausführung von Prozessen steuert.

Der Kernel ist unter anderem zuständig für:

• Zuweisung von Prozessorzeit;
• Verwaltung des Arbeitsspeichers;
• Kommunikation mit Geräten;
• Verarbeitung von Systemaufrufen;
• Prozessverwaltung;
• Umsetzung von Sicherheits- und Zugriffskontrollmechanismen.

Beispielsweise läuft jeder Dateizugriff einer Anwendung als Systemaufruf über den Kernel, der die Berechtigungen prüft und die Operation an den Treiber weitergibt.

Die Kernel-Architektur hängt vom jeweiligen Betriebssystem ab. Zum Einsatz kommen monolithische Kernel, Mikrokernel und hybride Ansätze sowie verschiedene Kombinationen dieser Architekturen.

Der Kernel ist jedoch nicht mit dem gesamten Betriebssystem gleichzusetzen. Linux beispielsweise ist technisch gesehen ein Kernel. Ein vollständiges Linux-System umfasst zusätzlich Systembibliotheken, Dienstprogramme und weitere Software.

Welche Arten von Betriebssystemen gibt es?

Betriebssysteme lassen sich nach ihrem Einsatzzweck und dem jeweiligen Gerätetyp klassifizieren.

Desktop-Betriebssysteme sind für PCs und Notebooks konzipiert. Dazu gehören Windows, macOS und verschiedene Linux-Distributionen.

Serverbetriebssysteme werden für den Betrieb von Serveranwendungen, Datenbanken, Webdiensten, Virtualisierung und anderer IT-Infrastruktur eingesetzt. In diesem Bereich sind insbesondere Linux und Windows Server weit verbreitet.

Mobile Betriebssysteme sind für Smartphones und Tablets ausgelegt. Die bekanntesten Beispiele sind Android und iOS.

Embedded-Betriebssysteme kommen in spezialisierten Geräten zum Einsatz, beispielsweise in Routern, Industriesteuerungen, Fahrzeugen, Haushaltsgeräten und IoT-Geräten.

Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) sind für Aufgaben konzipiert, bei denen eine vorhersehbare Reaktion des Systems innerhalb eines festgelegten Zeitintervalls erforderlich ist. Sie werden beispielsweise in industriellen und spezialisierten technischen Systemen eingesetzt.

Prozessverwaltung

Ein modernes Betriebssystem ermöglicht die gleichzeitige Ausführung zahlreicher Programme. Jedes laufende Programm wird durch einen oder mehrere Prozesse repräsentiert.

Das Betriebssystem verteilt die Prozessorzeit auf diese Prozesse, legt die Reihenfolge ihrer Ausführung fest und kontrolliert die Ressourcennutzung. Dadurch kann ein Benutzer beispielsweise gleichzeitig mit einem Browser, einem Texteditor und weiteren Anwendungen arbeiten.

Die Anzahl aktiver Prozesse kann dabei deutlich größer sein als die Anzahl physischer Prozessorkerne. Das Betriebssystem wechselt schnell zwischen den Prozessen und nutzt dafür Mechanismen des Multitaskings.

Speicherverwaltung

Das Betriebssystem verteilt den Arbeitsspeicher auf die laufenden Prozesse und verhindert den unkontrollierten Zugriff eines Programms auf den Speicher eines anderen.

Moderne Betriebssysteme verwenden virtuellen Speicher. Jeder Prozess erhält einen eigenen virtuellen Adressraum, den das Betriebssystem dem physischen Arbeitsspeicher und bei Bedarf weiteren Speicherressourcen zuordnet.

Dieses Modell vereinfacht die Ausführung von Anwendungen und trägt dazu bei, Prozesse voneinander zu isolieren.

Dateisysteme

Zur Organisation von Daten auf Datenträgern verwenden Betriebssysteme Dateisysteme. Sie bestimmen, wie Dateien und Verzeichnisse auf einem Speichermedium abgelegt, benannt und gelesen werden.

Beispiele für Dateisysteme:

• NTFS – wird häufig unter Windows eingesetzt;
• APFS – wird in modernen Apple-Systemen verwendet;
• ext4 – ist unter Linux weit verbreitet;
• XFS – wird unter Linux eingesetzt, unter anderem auf Serversystemen;
• FAT32 und exFAT – werden für verschiedene Wechseldatenträger und den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Plattformen verwendet.

Beispielsweise wird ein USB-Stick häufig mit exFAT formatiert, damit er sowohl unter Windows als auch unter macOS und Linux gelesen und beschrieben werden kann.

Ein Betriebssystem kann mehrere Dateisysteme unterstützen.

OS und Software

Ein Betriebssystem gehört zur Systemsoftware. Es schafft die Umgebung, die für die Ausführung von Anwendungsprogrammen erforderlich ist.

Ein Browser oder ein Office-Programm greift beispielsweise nicht direkt auf einen physischen Datenträger zu. Wenn ein Programm eine Datei öffnen muss, verwendet es Funktionen des Betriebssystems, das die entsprechenden Operationen über das Dateisystem und die Treiber ausführt.

Anwendungen werden für bestimmte Betriebssysteme oder Softwareplattformen entwickelt. Deshalb kann dasselbe Programm separate Versionen für Windows, macOS und Linux besitzen.

OS in Server- und Cloud-Infrastrukturen

Betriebssysteme werden nicht nur auf Endgeräten eingesetzt. Sie bilden auch eine der grundlegenden Softwareebenen von Server- und Cloud-Infrastrukturen.

Auf einem Server ermöglicht das Betriebssystem den Betrieb von Webservern, Datenbankmanagementsystemen, Virtualisierungssystemen, Unternehmensanwendungen und anderen Diensten.

In einer Cloud-Umgebung verfügt eine virtuelle Maschine in der Regel ebenfalls über ein eigenes Gastbetriebssystem. Bei der Containerisierung ist der Ansatz anders: Container isolieren Anwendungen, verwenden jedoch den Kernel des Host-Betriebssystems, anstatt für jeden Container einen eigenen Kernel zu starten.

FAQ

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