Les systèmes d'exploitation : cours de Bac pro CIEL

Quand tu allumes un ordinateur, un serveur ou un téléphone, tu ne parles jamais directement aux composants électroniques. Entre eux et toi, il y a un grand ensemble de programmes qui travaille en permanence : le système d'exploitation, souvent abrégé OS (de l'anglais operating system) ou parfois SE en français. En Bac pro CIEL, tu l'installes, tu le configures, tu le surveilles et tu le répares : il est donc au centre de ton métier, que ce soit sur un poste Windows, sur un serveur Linux ou sur un équipement connecté.

Ce cours répond à quatre questions. À quoi sert un système d'exploitation ? Que contient-il, et que fait son noyau ? Comment gère-t-il les programmes qui tournent « en même temps » ? Et que changent, concrètement, les familles UNIX/Linux et Windows ?

Une comparaison aide à fixer l'idée. Imagine un restaurant : les clients (les logiciels) passent commande, la cuisine (le matériel) prépare, et le serveur de salle (le système d'exploitation) fait circuler les demandes, s'assure que chaque table est servie et évite que deux clients se battent pour le même plat. Sans lui, chaque logiciel devrait connaître le détail de chaque composant de la machine, et deux logiciels risqueraient de se gêner en permanence.

On trouve de nombreux systèmes d'exploitation sur le marché. Microsoft Windows, macOS, les différentes versions d'UNIX et GNU/Linux (qui existe en de nombreuses distributions) en font partie. Sur les téléphones, Android (créé par Google) et iOS (créé par Apple) dominent. Le plus souvent, le système est livré avec l'appareil. ⁵ Les fonctions proposées varient d'un système à l'autre, mais elles tournent toutes autour de l'exécution des programmes, de l'usage de la mémoire centrale et des périphériques, de la gestion des systèmes de fichiers, de la communication et de la détection d'erreurs. ⁵

Un système d'exploitation propose des services généraux aux logiciels. Ces services permettent notamment de lancer des programmes, de lire et d'écrire des informations, de manipuler des fichiers, de faire communiquer des machines entre elles et de repérer des erreurs. Grâce à eux, plusieurs utilisateurs et plusieurs programmes peuvent se répartir les ressources de la machine. ⁵

Le matériel, lui, sait faire des choses très simples : surtout des copies et des additions. Transformer une opération complexe (afficher une fenêtre, enregistrer un document) en une longue suite de ces petites instructions est un travail pénible, et c'est le système d'exploitation qui s'en charge. Résultat : un logiciel ne voit pas s'il tourne sur une machine modeste ou sur une machine très riche, car les mêmes services lui sont offerts dans les deux cas. ⁵

Le système joue aussi un rôle de protection. Il empêche des programmes de manipuler directement les mêmes informations en mémoire : quand ils ont besoin d'échanger des données, ils doivent passer par des services du système. ⁵

Le noyau cache la complexité du matériel. Il fournit des abstractions : une façon simplifiée de voir la mémoire, le ou les processeurs et les échanges entre logiciels et périphériques. Il permet aussi des abstractions côté logiciel et facilite la communication entre les processus. ⁶ Concrètement, ce que tu appelles « un fichier » ou « un programme qui tourne » n'existe pas sous cette forme dans la machine : c'est une représentation commode que le noyau construit pour toi.

Le noyau est lui-même un logiciel, mais il ne peut pas utiliser tous les mécanismes qu'il offre aux autres. Comme son rôle est central, il doit aussi être très performant. Cela en fait la partie la plus critique du système : sa conception et sa programmation sont délicates. ⁶ Une erreur dans une application plante l'application ; une erreur dans le noyau peut plomber toute la machine.

Le noyau n'est pas un processus. Il s'agit d'un ensemble de fonctions que les processus appellent lorsqu'ils veulent réaliser une opération demandant un certain niveau de privilèges. Le noyau prend alors la main pour rendre le service, puis redonne le contrôle au processus quand il a terminé. ⁶

Sur un ordinateur, un serveur, un téléphone ou une tablette moderne, plusieurs programmes semblent fonctionner en même temps : tu écoutes de la musique, un navigateur est ouvert et une mise à jour tourne en arrière-plan. ³ Un fichier exécutable (par exemple un fichier .exe sous Windows) contient une suite d'instructions en langage machine. ³ Tant qu'on ne le lance pas, il dort sur le disque.

Côté processeur, une règle simple s'impose : à un instant donné, un cœur de processeur ne traite qu'un seul processus (les processeurs actuels ont souvent plusieurs cœurs, mais le principe reste le même pour chacun). Pour donner pourtant l'impression que tout avance ensemble, le système fait défiler les processus à tour de rôle et attache à chacun un état. ³

Qui décide ? Le système d'exploitation, qui joue le rôle de chef d'orchestre : c'est lui qui attribue les états « élu », « bloqué » ou « prêt ». On dit qu'il gère l'ordonnancement des processus, c'est-à-dire qu'il détermine, entre autres, quel processus passe avant tel autre. ³ Dans le noyau, l'ordonnanceur fixe l'ordre d'exécution des instructions des différentes tâches. Il sauvegarde et restaure le contexte de chaque tâche (constitué des registres du processeur) : c'est la commutation de contexte. Il n'a de sens que dans un système multitâche. ⁶

Pour distinguer des centaines de processus, le système doit pouvoir les nommer sans ambiguïté. Dans les systèmes UNIX, chaque processus est repéré par un PID (Process Identifier), un identifiant unique, et les processus sont organisés de façon hiérarchique. Le système tient un compteur qu'il augmente de 1 à chaque création de processus, et il s'en sert pour attribuer les PID. ³

La hiérarchie ressemble à un arbre généalogique. Sous Linux, au démarrage de la machine, le système crée d'abord un processus d'origine, le processus 0 (aussi nommé Swapper). Il ne descend d'aucun autre processus. Ce processus 0 donne ensuite naissance à « init », qui est donc son fils. « init » crée alors les processus dont le système a besoin pour fonctionner, comme « crond », « inetd » ou « getty ». Les processus suivants sont lancés par les fils d'« init ». ³

Windows et Linux sont tous deux des systèmes d'exploitation au sens complet : ils exécutent des programmes, gèrent la mémoire, les périphériques et les fichiers, et ordonnancent des processus. ^{5 3} Les notions vues plus haut (noyau, processus, états, ordonnancement) s'appliquent donc aux deux familles. Les différences portent sur les détails d'organisation, les outils proposés et les usages.

Repères de comparaison

Un exemple d'usage en établissement scolaire : des enseignants de l'académie de Lyon utilisent un poste sous GNU/Linux, jugé facile à utiliser, sécurisé et performant, et suffisant pour la plupart des applications du quotidien de l'enseignement, hors disciplines très techniques ou professionnelles. ⁴ Ce système est réputé plus sûr que Windows, et ses mises à jour (système et applications) se font en arrière-plan pendant qu'on continue de travailler. ⁴