Почему программа зависит от операционной системы?

Я понимаю, что процессоры разных архитектур имеют различные наборы команд и поэтому программа, скомпилированная для одного процессора (аппаратной платформы), не может выполняться на процессоре с другим ISA.

Но почему скомпилированная программа зависит от ОС?

Например, программа на C, скомпилированная в Windows OS, работающей на процессоре Intel x86, не запускается в Linux OS на том же процессоре Intel x86.

Что происходит во время компиляции, что делает исполняемый файл зависимым от ОС? Например, делает ли gcc что-то отличное от msvc во время компиляции в случае с C?

Я читал связанный вопрос, но не нашел глубокого и удовлетворительного ответа.

Программы взаимодействуют с операционной системой, и способ, которым программа это делает, отличается для каждой операционной системы.

Например, если взять Windows в качестве примера, когда исполняемый файл хочет создать окно, ему нужно использовать инструкции, которые понимает ОС, чтобы создать окно в определенном месте, а затем нарисовать в нем элементы управления.

Эта часть уже отличается для каждой ОС. Также стоит учитывать, как драйверы различаются для разных ОС, и программы могут взаимодействовать с драйверами. Например, вы не можете просто сказать: разместите пиксель на экране в месте с координатами x и y. Вы отправляете эту команду ОС, и она будет взаимодействовать с графической картой, чтобы это произошло.

Нет универсального способа взаимодействия с ОС, поэтому у каждой ОС своя структура, и поэтому вы не можете запустить бинарный файл Linux нативно в Windows.

Конечно, существуют фреймворки, которые позволяют писать код для нескольких платформ, но в этих случаях, хотя у вас и есть одна кодовая база, которую можно скомпилировать для всех ОС, каждая ОС получает свою собственную версию исполняемого файла.

Не забывайте, приложение может делать все, что поддерживает ОС, но не все ОС поддерживают одинаковые функции.

И прежде чем люди начнут упоминать в комментариях эмуляцию, я считаю, что это ответит на вопрос в слишком большом контексте.

Во-первых, исполняемый файл — это не просто необработанный код; он почти всегда находится в некотором структурированном формате, где описано, какой раздел должен быть отображен как исполняемый код (‘text’), какой раздел должен быть отображен как данные, где точка входа в код и т.д. Этот формат не является универсальным для всех ОС; например, Windows и UEFI используют PE/COFF, в то время как Linux и FreeBSD используют ELF (а macOS использует что-то другое), поэтому Windows не распознает структуру ELF-формата .exe файла.

Во-вторых, программы не имеют прямого контроля над оборудованием; они зависят от обращения к ОС для всего: от вывода текста до доступа к сети и даже для чистого завершения работы (в отличие от просто выхода указателя инструкции за пределы выделенной памяти). И поскольку каждая ОС предоставляет различные системные вызовы (и иногда использует разные соглашения о вызовах для них), это делает скомпилированную программу зависящей от ОС, поскольку она скомпилирована для использования соглашений о вызовах системных вызовов этой конкретной ОС.

Большинство программ также полагаются на библиотеки, предоставляемые ОС, например, стандартная библиотека C libc почти всегда загружается динамически из файла .so в Linux, и многие программы, скомпилированные с MSVC, аналогично зависят от msvcrt*.dll.

Можно запустить программы с другой ОС, при условии что им предоставлена необходимая среда. Например, Wine позволяет исполняемым файлам Windows запускаться в Linux — он должен реализовать загрузчик PE/COFF (который также должен понимать, как загружать библиотеки .dll, так как они структурированы иначе, чем библиотеки Linux .so) и он должен предоставить множество “стандартных” DLL Windows (многие из которых реализованы в терминах аналогичных библиотек Linux).

(Аналогично, FreeBSD имеет “Linuxulator” — он реализует многие системные вызовы Linux непосредственно в составе ядра FreeBSD. Ранний Linux поддерживал двоичную совместимость с исполняемыми файлами Solaris, и некоторые старые системы, подобные Unix, были взаимно совместимы в некоторой степени. Даже Windows имела WSL1 на короткое время и также имела “OS/2 подсистему” в дни Windows XP.)