Chapitre 1 Présentation des personnages

1.1 Mondanité des systèmes

Aujourd'hui chacun a entendu parler de Windows, peut-être moins de MacOS (le système du Macintosh), et chaque jour un peu plus de Linux, grâce auquel l'auteur confectionne les lignes que vous avez sous les yeux. Ces entités quotidiennes s'appellent des systèmes d'exploitation. Bon gré mal gré, une proportion de plus en plus grande des personnes actives dans toutes sortes de domaines doivent acquérir une certaine familiarité avec celui qui anime leur ordinateur afin de pouvoir faire leur travail, et cette acquisition ne va pas sans perte de temps, agacement, colère, souffrance, mais aussi quand même joie et découvertes émerveillées. Le présent ouvrage se propose d'apporter, au gré d'un voyage dans l'histoire de l'informatique, quelques éclaircissements sur les systèmes d'exploitation à un lecteur qui ainsi devrait se sentir moins désarmé face à eux, et de ce fait plus enclin à la sérénité face à ce que, souvent, il pense être leurs caprices. Il présente quelques aspects de leur nature, de leur naissance et de leur histoire, et cherche à éclairer, sous l'angle obtenu de ce point de vue, l'évolution et le rôle dans notre société de l'informatique et des ordinateurs auxquels elle est indissolublement liée.

Ce livre n'est pas un ouvrage technique sur les systèmes d'exploitation, il s'adresse au lecteur curieux d'histoire des sciences, des techniques et plus généralement de la vie intellectuelle, ainsi qu'au simple utilisateur d'ordinateur désireux de comprendre un peu mieux l'origine des difficultés mais aussi, nous l'espérons, des joies que lui procure cette extraordinaire machine. En fait, ce livre pourra aussi éclairer l'informaticien dont la spécialité n'est pas le système d'exploitation, au sens suivant : un livre destiné à de futurs ingénieurs en système devra viser une couverture complète des questions abordées ; au chapitre consacré par exemple aux algorithmes d'ordonnancement de processus, il devra décrire toutes les solutions possibles en donnant les détails nécessaires à leur réalisation ; mon propos ici est autre, il s'agit seulement de faire comprendre la problématique de ces algorithmes, en en exposant un, de préférence le plus simple, et sans entrer dans les détails d'implémentation. Et si le lecteur, passionné, veut en savoir plus, il trouvera dans la bibliographie quelques références d'ouvrages sensiblement plus épais qui devraient satisfaire sa curiosité.

D'excellents ouvrages accessibles à un public de non-spécialistes ont déjà été consacrés à l'histoire de l'informatique ou des ordinateurs ainsi qu'à la sociologie et à la psychologie de leur usage, mais la question des systèmes d'exploitation y occupe une place assez étroite. Ce n'est d'ailleurs pas anormal, puisque leur apparition est assez tardive dans l'évolution de l'informatique, mais la façon dont ils en affectent aujourd'hui tous les usages avec une intensité croissante me semble justifier une approche qui les prenne comme axe. Cela dit, je n'ai pas la prétention de traiter le sujet complètement, mais plutôt de partir de quelques problèmes choisis comme exemples. Et pour délasser le lecteur fatigué par des passages un peu techniques, le développement alternera descriptions d'objets techniques et analyses de certaines attitudes sociales qu'ils suscitent.

Cette invasion de nos activités par les systèmes d'exploitation, que chacun peut vérifier en observant la prolifération des titres informatiques dans les kiosques à journaux et les sujets de controverse dans les soirées en ville, est un phénomène récent. Au début des années 1970 l'auteur de ces lignes était ingénieur système, c'est-à-dire un spécialiste de ces objets techniques. Quand un convive dans un dîner lui demandait ce qu'il faisait dans la vie, il répondait « ingénieur système », profession de foi qu'il fallait faire suivre d'une explication, parce que la teneur de cette activité n'allait pas de soi. J'y ai vite renoncé.

1.2 Quelques définitions

Un système d'exploitation est un logiciel destiné à faciliter l'utilisation d'un ordinateur (je sais que cette assertion sera pour certains lecteurs une véritable provocation). L'ordinateur constitue le matériel composé de fils, circuits, etc., inutilisable sans le logiciel constitué de programmes. Les ordinateurs actuels sont suffisamment complexes pour qu'il soit inconcevable de les utiliser sans la médiation d'un système d'exploitation, mais ce n'a pas toujours été le cas, et d'ailleurs certains petits ordinateurs qui vivent cachés à bord des fours à micro--ondes, des ascenseurs, des baladeurs ou des avions en sont parfois encore dépourvus.

Nous dirons qu'un ordinateur est un automate capable d'effectuer des actions dites primitives (c'est-à-dire déterminées par ses concepteurs, et que nous nommerons désormais « primitives » tout court), de les enchaîner dans l'ordre voulu, de les répéter et surtout de choisir, en fonction du résultat des actions précédentes, la prochaine action à effectuer entre deux ou plusieurs possibilités connues à l'avance.

Un programme est un texte qui énumère, dans le bon ordre, les primitives de l'ordinateur dont l'exécution mènera à la production du résultat recherché. C'est le texte du programme qui pilote la séquence des actions effectuées par l'ordinateur. Un logiciel est un ensemble de programmes. Un système d'exploitation est un programme dont la fonction principale est de déclencher l'exécution d'autres programmes, à bon escient de préférence.

Nous pouvons aussi dire les choses de la façon suivante : un ordinateur est une machine qui a des états discrets et finis. Ces états sont enregistrés dans un dispositif appelé mémoire. Rédiger un programme pour un ordinateur, c'est décrire la séquence de ses états successifs qui vont permettre d'obtenir le résultat voulu. Le programme enchaîne les actions primitives qui vont affecter la mémoire pour instaurer les états voulus successivement. Un ordinateur est un automate à états finis.

Les trois caractéristiques fondamentales d'un ordinateur sont qu'il est programmable, automatique et universel :

programmable : la nature des opérations à effectuer peut être spécifiée complètement et exclusivement par le texte d'un programme ;
automatique : une fois lancée l'exécution d'un programme, l'ordinateur assure cette exécution sans intervention extérieure ;
universel : capable d'exécuter n'importe quel programme, c'est-à-dire tout enchaînement d'actions primitives décrivant une procédure effective pour obtenir le résultat voulu. Une procédure effective est l'enchaînement d'opérations élémentaires qui permettront d'exécuter les calculs nécessaires à la solution de problèmes pour lesquels existent des solutions calculables (il y a des problèmes sans solution et des solutions incalculables ; les méthodes apprises à l'école pour faire des additions ou des multiplications à la main sont des procédures effectives). Traduire ces opérations élémentaires en termes d'actions primitives d'un ordinateur, c'est programmer.

Corollaire : si le programme lancé au démarrage de l'ordinateur est un système d'exploitation, conçu comme dit ci-dessus pour déclencher l'exécution d'autres programmes, qui sont ainsi en quelque sorte des sous-programmes du système d'exploitation, les exécutions de programmes différents pourront s'enchaîner. Nous y reviendrons.

Contrairement aux logiciels d'application, tels que traitement de texte, programme financier ou de jeu, le système d'exploitation ne sert pas à une tâche particulière, mais il est dans la coulisse de toutes. Dans la coulisse, c'est-à-dire que l'utilisateur peut ignorer jusqu'à son existence, et d'ailleurs cette ignorance est sans doute à mettre à son actif. Beaucoup d'utilisateurs de Macintosh ne savent rien de MacOS, et c'est la preuve que MacOS remplit sa mission sans faille. Quand le système d'exploitation (on peut dire simplement système) se manifeste, souvent c'est pour signaler que quelque chose ne va pas.

1.3 La couche visible du système

Pour l'utilisateur d'un micro-ordinateur, l'aspect le plus apparent (et souvent le seul perceptible) du système d'exploitation, ce sont les différents objets graphiques qui s'exhibent sur l'écran : les fenêtres dans lesquelles s'affichent des textes ou des images, les différentes barres et poignées qui servent à déplacer les fenêtres ou à en modifier les dimensions avec la souris, les barres de défilement qui permettent de faire défiler le contenu visible dans une fenêtre, les icônes sur lesquels on peut « cliquer » pour lancer l'exécution de tel ou tel programme, les menus qui proposent un choix de fonctions à exécuter, telles qu'imprimer le contenu d'une fenêtre ou... arrêter l'ordinateur. Cet aspect visible du système d'exploitation sert essentiellement à ouvrir, présenter et gérer des fenêtres et objets graphiques analogues : nous pouvons l'appeler gestionnaire de fenêtres ou interface utilisateur graphique (GUI, pour Graphical User Interface).

Mais au-delà de cet aspect immédiat, dont beaucoup de gens croient qu'il constitue le tout du système, il y a encore beaucoup de choses qu'un système d'exploitation fait pour son utilisateur. Nous avons dit que le système d'exploitation servait d'intermédiaire, si possible facilitateur, entre l'utilisateur et l'ordinateur. Dans cette optique, le gestionnaire de fenêtres est la partie la plus tournée vers l'utilisateur, l'aspect le plus superficiel du système (ici le mot superficiel ne dénote pas un jugement de valeur, mais qualifie ce qui est à la surface visible, par opposition à ce qui est enfoui dans la profondeur des entrailles de la machine). Cette partie qui est en surface, directement accessible à la perception, nous pourrons l'appeler interface (entre la personne et l'ordinateur). Nous dirons que c'est une interface de haut niveau, non pas là encore par un jugement de valeur, mais parce qu'elle donne de l'ordinateur et de son fonctionnement une représentation très idéalisée, très métaphorique, en un mot très abstraite par rapport à ce que serait une interface de bas niveau, plus proche de l'ordinateur et moins parlante aux humains.

1.4 Une représentation : le modèle en couches

À l'autre extrémité du système d'exploitation, si j'ose dire, du côté de l'ordinateur, de ses circuits et de ses transistors, sont les programmes qui interagissent directement avec les éléments matériels de l'ordinateur. Ces parties du système constituent ce qui est souvent appelé le noyau (kernel). Entre le noyau et l'interface utilisateur, il y a toute une série de couches intermédiaires qui distillent les messages cryptiques du matériel pour délivrer à l'utilisateur une information compréhensible. Les informaticiens utilisent communément cette représentation par une architecture en couches imaginée par le chercheur néerlandais Edsger Wybe Dijkstra (1930--2002) dans un article fameux publié en mai 1968 par les CACM (Communications of the Association for Computer Machinery), « The structure of the THE multiprogramming system » [20].

Avant d'être le plan de construction du système concret, l'architecture en couches est un modèle destiné à se représenter intellectuellement les choses par des abstractions. Ce modèle est utile pour « penser un objet dans lequel plusieurs logiques s'articulent » (Michel Volle, http://www.volle.com/opinion/couches.htm), lorsqu'il faut séparer différents niveaux d'abstraction. On nommera couches basses les parties du système qui interagissent le plus directement avec le matériel de l'ordinateur, et couches hautes celles qui sont plus proches de l'utilisateur. Il n'y a là encore aucun jugement de valeur implicite dans ces expressions « couches basses » et « couches hautes ». Et la réalisation des couches basses est sans doute techniquement plus complexe, demande des compétences plus rares que celle des couches hautes, cependant que ces dernières exigent, outre des compétences techniques, des talents artistiques et une imagination digne d'un urbaniste.

Encore plus que dans le monde des systèmes d'exploitation, le modèle en couches a connu le succès dans celui des réseaux informatiques, où les couches basses décrivent la transmission de signaux sur des supports physiques tels que câble téléphonique, faisceau hertzien ou fibre optique, tandis que les couches intermédiaires concernent l'acheminement de messages complexes à travers des réseaux à la topologie également complexe, et que les couches hautes traitent de la présentation de ces messages à travers une interface utilisateur, de l'identification de leur destinataire et de son authentification (ces derniers problèmes sont également traités par les systèmes d'exploitation, soit dit en passant). Les ensembles de règles et de conventions qui régissent les communications entre les couches de même niveau de plusieurs systèmes communicants constituent des protocoles de communication. Les règles et les conventions qui régissent les échanges entre une couche donnée et la couche immédiatement inférieure d'un même système constituent une interface.

Figure 1.1 : Exemple de modèle en couches : le réseau

Soit un système dont les communications avec d'autres systèmes sont représentées par un modèle à n couches numérotées de 1 à n. La règle fondamentale du modèle en couche c'est que la couche de rang i (1<i<n) d'un système donné ne peut communiquer concrètement qu'avec les couches i-1 et i+1 du même système. La couche 1 peut communiquer directement avec les couches 1 des autres systèmes. La couche n assure l'interface avec l'utilisateur. La couche i communique selon les règles du protocole qui lui correspond avec les couches i des autres systèmes, mais cette communication passe par la médiation des couches inférieures. Ceci est illustré par la figure 1.1.

1.5 L'informatique est (aussi) une science

Compléter les définitions ci-dessus par un plan d'ensemble de la discipline informatique n'est peut-être pas si futile qu'il y paraît et peut aider, dans la suite, à savoir de quoi l'on parle. La figure 1.2 propose un tel plan.

Figure 1.2 : Les disciplines de l'informatique

Au sein de l'informatique existent des disciplines dont la nomenclature n'est pas aussi bien établie que celles des mathématiques, certes, et la classification proposée ici est probablement contestable. Dans la partie d'un seul tenant de mon plan en croix j'ai mentionné ce qui me semblait constituer les sept disciplines majeures, et la proximité dans le plan se veut refléter la proximité des disciplines : vers le haut, le plus abstrait, vers le bas, on se rapproche de la matière.

J'ai mis l'« intelligence artificielle » entre guillemets et dans un cadre un peu à l'écart parce que cette discipline me semble, au moins, très mal nommée. Les ellipses contiennent les noms des grands paradigmes qui donnent les clés de l'informatique. Flottant libres de cadres sont les noms de disciplines qui, pour avoir des proximités avec l'informatique, n'en font pas partie, même si parfois elles lui sont rattachées par erreur.

Le lecteur familier d'une autre science sera sans doute surpris par cette description, surtout s'il vit et travaille en France. En effet, dans ce pays où l'informatique a du mal à se faire reconnaître comme une discipline à part entière par les institutions de l'élite, chacun l'imagine selon les applications (ou les représentations) qui en sont faites dans son domaine. Ainsi le physicien a tendance à la réduire au calcul, tant cette activité est pour lui associée à l'informatique. Le biologiste s'étonnera de l'absence de l'analyse de séquences dont il croit qu'elle est partie constituante de l'informatique, tandis que le mathématicien imagine qu'elle se réduit à l'algèbre du monoïde libre et que le statisticien n'y voit que l'analyse en composantes principales. Tous ces domaines sont liés d'une façon ou d'une autre à l'informatique, mais n'en font nullement partie. Quant aux parties de l'informatique qui sont indépendantes, lorsque leur existence n'est pas purement ou simplement ignorée, elles sont considérées comme des techniques rudimentaires, alors que ce sont souvent les domaines les plus complexes.

1.6 Architectures

Les lignes qui précèdent recourent à plusieurs reprises au terme architecture. Il s'agit de plus que d'une commodité de langage, et d'autre chose que d'un fantasme d'informaticien frustré de travailler toujours dans l'immatériel et l'abstrait et envieux du matériau concret palpé par le bâtisseur.

Lorsque l'architecte conçoit un bâtiment, ou l'urbaniste un quartier, leur préoccupation première, avant de concevoir chaque pièce, ou chaque pâté de maisons, porte sur les moyens de circuler entre ces éléments : couloirs, escaliers, halls, vestibules, ou rues, allées, places, ponts, esplanades.

Il en va de même pour le concepteur d'un système informatique, qu'il soit matériel ou logiciel. Comment l'information circule-t-elle entre le disque dur et la mémoire centrale, de celle-ci au processeur ? Comment les différents programmes d'un logiciel partagent-ils des données, ou au contraire en garantissent-ils l'accès exclusif ? Voilà les grandes questions de la conception informatique, et au coeur de ces questions se trouve le grand aiguilleur, le grand régulateur : le système d'exploitation. L'ouvrage de Hennessy et Patterson Architecture des ordinateurs [28] donnera au lecteur une vision approfondie de ces questions et de certaines réponses qui leur ont été apportées.

Le « plan de masse » des disciplines informatiques que nous avons dessiné à la figure 1.2 renvoie à cette analogie architecturale.

1.7 Enjeux d'une histoire

L'histoire de l'informatique peut être considérée sous différents angles : histoire de la pensée scientifique, histoire des techniques de calcul automatique, histoire des ordinateurs. Ces trois éclairages (il y en aurait d'autres) illumineraient une scène qui se joue depuis plus longtemps qu'il n'est envisagé communément, la poursuite du rêve prométhéen de construire un être mécanique pensant.

Si ce rêve, on l'imagine volontiers, a mobilisé les ingénieurs les plus inventifs, de Ctésibios¹ d'Alexandrie à Steve Jobs², on néglige souvent l'engagement dans cette voie de philosophes et savants parmi les plus éminents, tels Blaise Pascal, Gottfried Wilhelm von Leibniz, John von Neumann, ou on le sous-estime en réduisant cette part de leur oeuvre à un passe-temps. En fait Leibniz par exemple est le précurseur de l'informatique moderne par trois contributions majeures (et ignorées pendant plus de deux siècles) : la réalisation concrète d'une machine capable d'effectuer les quatre opérations arithmétiques, la conception d'une caractéristique universelle qui préfigure les systèmes formels de la logique moderne et, partant, les langages de programmation, enfin l'étude, sur des documents chinois, de l'arithmétique binaire, dont il perçoit et analyse la simplicité qu'elle peut conférer à un système de calcul automatique. De même von Neumann est plus respecté pour la théorie des jeux ou ses travaux de mathématiques pures que pour son invention de l'ordinateur, la plus importante du XXe siècle.

D'autres précurseurs sont quant à eux tout simplement sous-estimés comme hommes de science. Ce n'est que récemment que la véritable stature de Charles Babbage (1791--1871) est apparue : longtemps considéré comme l'ingénieur maniaque de machines à calcul qui n'ont jamais marché, il avait en fait conçu avec sa machine analytique un ordinateur complet auquel n'a manqué que la réalisation ; par ailleurs son rôle dans le progrès considérable des mathématiques anglaises au XIXe siècle est désormais reconnu. La même reconnaissance échoit finalement à Alan Turing, malgré le dédain ou l'ignorance volontaire où les mathématiciens, spécialement en France, relèguent tant la logique que les recherches sur les Fondements initiées par David Hilbert et Kurt Gödel. Bref, l'informatique sera bientôt vraiment reconnue comme une science, peut-être...

Il faut dire que nous revenons de loin. Si nous sommes revenus. Assez récemment, à la fin du siècle dernier, j'ai visité le très beau Museum of Science and Industry de Chicago. La salle consacrée à l'informatique, grande et belle, illustrait le déclin fatal infligé à la dimension spectaculaire des ordinateurs par la miniaturisation électronique. Cela dit, malgré le panneau Computer Science à l'entrée, qu'il s'agisse là d'une science n'était guère patent : on voyait des exploits d'ingénieurs, ce qui d'ailleurs donnait la part belle aux précurseurs français Blaise Pascal et Thomas de Colmar qui partageaient avec Wilhelm Schickard et Charles Babbage le stand des précurseurs d'avant l'électricité, des réalisations industrielles, mais nulle mention qu'il y eût aussi, dans ce domaine, un paradigme, des théories, des concepts, certes plus difficiles à mettre en vitrine que des disques durs. On pourra m'objecter que c'est aussi un musée de l'Industrie, mais bon, il y avait bien des salles de mathématiques...

Cette salle qui se disait de Computer Science était en fait de machines à calculer et d'ordinateurs, ce qui n'est qu'un versant de la chose. L'ordinateur apparaissait comme le fruit d'une évolution quasi darwinienne prenant son origine chez les machines mécaniques, passant aux machines mécanographiques des années 1890 - 1950, puis aux grands calculateurs électroniques pré-informatiques, pour aboutir avec l'ENIAC à l'ordinateur.

Cette vision de l'histoire informatique est assez répandue, mais assez discutable et surtout assez tronquée. À la sortie de cette salle du musée une pancarte donnait un indice sur la nature du biais donné à la présentation et sur l'orientation de la vision qui avait pu l'engendrer : tout ce que j'avais vu était un cadeau de la compagnie IBM. Je ne partage pas avec certains de mes collègues universitaires le dédain pour les réalisations informatiques d'IBM, qui a été à l'origine d'innovations majeures, comme le disque magnétique, le processeur RISC, la multiprogrammation, le processeur en pipeline et bien d'autres. Mais il est inévitable qu'une compagnie dont les origines sont dans la mécanographie soit sujette à y voir la naissance de l'informatique, plus que dans les recherches menées à l'IAS (Institute for Advanced Studies) de Princeton par des théoriciens issus d'horizons différents, en l'occurrence Church, von Neumann et Turing.

1: Inventeur d'une clepsydre perfectionnée et d'un orgue à eau.
2: Créateur d'Apple avec Steve Wozniak.