Вопросы к зачету по Операционным Системам

Состав компьютерной системы

Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. Несмотря на это, пользователи, активно использующие вычислительную технику, зачастую испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системе. Частично это связано с тем, что ОС выполняет две по существу мало связанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.

6 уровней:

1. физический уровень: аппаратное обеспечение

2. микроархитектура: набор блоков, выполняет определенные ф-ции (АЛУ)

3. машинный язык: набор команд, который выполняет процессор и аппаратура

4. ОС: работа с аппаратурой

5. компиляторы, текстов редакторы, интерпретаторы команд

6. программные приложения: web браузер, банковская система.

1-3 оборудование; 4-5 система программирования.

Функции операционной системы. Операционная система как расширенная машина и менеджер ресурсов.

Функции современной ОС поддерживают: мультипрограммный режим, работа с виртуальной памятью, многооконный интерфейс.

2 основных задачи ОС – расширение возможностей машины и управление её ресурсами

ОС как расширенная машина

Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать. Даже если не входить в курс реальных проблем программирования ввода-вывода, ясно, что среди программистов нашлось бы не много желающих непосредственно заниматься программированием этих операций. При работе с диском программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Работа с файлом заключается в его открытии, выполнении чтения или записи, а затем в закрытии файла. Вопросы подобные таким, как следует ли при записи использовать усовершенствованную частотную модуляцию или в каком состоянии сейчас находится двигатель механизма перемещения считывающих головок, не должны волновать пользователя. Программа, которая скрывает от программиста все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного просмотра указанных файлов, чтения или записи - это, конечно, операционная система. Точно также, как ОС ограждает программистов от аппаратуры дискового накопителя и предоставляет ему простой файловый интерфейс, операционная система берет на себя все малоприятные дела, связанные с обработкой прерываний, управлением таймерами и оперативной памятью, а также другие низкоуровневые проблемы. В каждом случае та абстрактная, воображаемая машина, с которой, благодаря операционной системе, теперь может иметь дело пользователь, гораздо проще и удобнее в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе этой абстрактной машины.

С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.

ОС как система управления ресурсами

Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, управляющем всеми частями сложной системы. Современные вычислительные системы состоят из процессоров, памяти, таймеров, дисков, накопителей на магнитных лентах, сетевых коммуникационной аппаратуры, принтеров и других устройств. В соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность или реактивность системы. Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:

планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс;

отслеживание состояния ресурса - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов - какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что в конечном счете и определяет их облик в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени.

Этапы развития операционных систем

Первый период (1945 -1955)

Известно, что компьютер был изобретен английским математиком Чарльзом Бэбиджем в конце восемнадцатого века. Его "аналитическая машина" так и не смогла но-настоящему заработать, потому что технологии того времени не удовлетворяли требованиям по изготовлению деталей точной механики, которые были необходимы для вычислительной техники. Известно также, что этот компьютер не имел операционной системы.

Некоторый прогресс в создании цифровых вычислительных машин произошел после второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства. В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. Не было никакого другого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм.

Второй период (1955 - 1965)

С середины 50-х годов начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Именно в этот период произошло разделение персонала на программистов и операторов, эксплуатационщиков и разработчиков вычислительных машин.

В эти годы появились первые алгоритмические языки, а следовательно и первые системные программы - компиляторы. Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий.

Третий период (1965 - 1980)

Следующий важный период развития вычислительных машин относится к 1965-1980 годам. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что дало гораздо большие возможности новому, третьему поколению компьютеров.

Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Построенное в начале 60-х годов это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/произ-водительность. Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были бы работать и на больших, и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными "монстрами". Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. В каждой новой версии операционной системы исправлялись одни ошибки и вносились другие.

Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей. Важнейшим достижением ОС данного поколения явилась реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом.

Другое нововведение - спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел.

Наряду с мультипрограммной реализацией систем пакетной обработки появился новый тип ОС - системы разделения времени. Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины.

Четвертый период (1980 - настоящее время)

Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса миникомпьютеров типа PDP-11, но вот цена у них существенно отличалась. Если миникомпьютер дал возможность иметь собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер сделал это возможным для отдельного человека.

Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения, это положило конец кастовости программистов.

На рынке операционных систем доминировали две системы: MS-DOS и UNIX. Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко использовалась для компьютеров, построенных на базе микропроцессоров Intel 8088, а затем 80286, 80386 и 80486. Мультипрограммная многопользовательская ОС UNIX доминировала в среде "не-интеловских" компьютеров, особенно построенных на базе высокопроизводительных RISC-процессоров.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.

В сетевых ОС пользователи должны быть осведомлены о наличии других компьютеров и должны делать логический вход в другой компьютер, чтобы воспользоваться его ресурсами, преимущественно файлами. Каждая машина в сети выполняет свою собственную локальную операционную систему, отличающуюся от ОС автономного компьютера наличием дополнительных средств, позволяющих компьютеру работать в сети. Сетевая ОС не имеет фундаментальных отличий от ОС однопроцессорного компьютера. Она обязательно содержит программную поддержку для сетевых интерфейсных устройств (драйвер сетевого адаптера), а также средства для удаленного входа в другие компьютеры сети и средства доступа к удаленным файлам, однако эти дополнения существенно не меняют структуру самой операционной системы

Типы ОС

1) ОС для mainframe (OS/390)

2) Серверные ОС (мощные PC – Windows, Unix)

3) ОС для PC (Novell Netware, Windows …)

4) ОС реального времени

ПО для них разрабатывается специально для конкретный задач. Они используются для управления технологическим оборудованием и техникой. Их работа заключается в регулировании процессов.

Выполняют несколько функций:

1. Регулирование (определяемые параметры должны находиться в заданных диапазонах)

2. Регистрация (данные измерений должны регистрироваться в спец журналах и записываться либо в файлы, либо выдаваться на контрольные лампы)

3. Обеспечение безопасности. (если значения с датчиков превышают критические значения, то ход процесса должен быть остановлен)

Жесткая система реального времени (системы управления (ядерный реактор))

Гибкая система реального времени (мультимедийная система)

Критерий для определения смысла реального времени:

1. T-периодичность измерений

2. t-время, необходимое для обработки всей полученной информации, выдача импульса на исполнительное устройство.

ОС – ОС реал времени, если T>>t

5) Встроенные ОС (работают на устройствах, не являющихся компьютерами (Symbian))

6) ОС для смарт-карт (ex: проездной на метро)

7) Распределенные ОС (работают либо в локальной, либо в глобальной сети, обеспечивают доступ к общим услугам /ресурсам)

Принципы разработки и основные функции современных ОС

Операционная система является сердцевиной сетевого программного обеспечения, она создает среду для выполнения приложений и во многом определяет, какими полезными для пользователя свойствами эти приложения будут обладать. В связи с этим рассмотрим требования, которым должна удовлетворять современная ОС.

Очевидно, что главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является способность выполнения основных функций: эффективного управления ресурсами и обеспечения удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС, как правило, должна реализовывать мультипрограммную обработку, виртуальную память, свопинг, поддерживать многооконный интерфейс, а также выполнять многие другие, совершенно необходимые функции. Кроме этих функциональных требований к операционным системам предъявляются не менее важные рыночные требования

Функции современной ОС поддерживают: мультипрограммный режим, раб с виртуальной памятью, многооконный интерфейс.

2 основные задачи ОС – расширение возможностей машины и управление её ресурсами

Особенности методов построения

При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу.

К таким базовым концепциям относятся:

• Способы построения ядра системы - монолитное ядро или микроядерный подход. Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС - серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.

• Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений, внутри операционной системы, а именно: аккумуляцию удачных решений в форме стандартных объектов, возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования, хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне, структурированность системы, состоящей из набора хорошо определенных объектов.

• Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС. Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы.

• Распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организации ОС являются: наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов, единой службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.

Рыночные требования, предъявляемые к ОС

• Расширяемость (возможность вносить изменения и дополнения, не нарушая целостность с-мы)

• Переносимость (возможность переноса платформы с одной с-мы на другую или на более современный процессор)

• Надёжность, отказоустойчивость (с-ма должна быть защищена от внутренних и внешних ошибок)

• Совместимость (ОС должна иметь ср-ва для исполнения программ, написанных для других ОС)

• Безопасность (с-ма должна обеспечивать контроль доступа к ресурсам)

• Система должна обеспечить достаточную производительность (насколько позволяет аппаратная платформа)

Порядок загрузки ОС. Системы управления вводом\выводом, спулинг

Порядок загрузки ОС

1) Тестирование

2) Запуск первичного загрузчика из ПЗУ

3) Запуск вторичного загрузчика с внешней памяти

Управление получает BIOS, работают подпрограммы для внешних устройств, происходит обращение к накопителю памяти, запуск ОС.

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-вывода компьютера. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью системы. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов устройств (независимость от устройств).

Физическая организация устройств ввода-вывода

Устройства ввода-вывода делятся на два типа: блок-ориентированные устройства и байт-ориентированные устройства. Блок-ориентированные устройства хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок-ориентированное устройство - диск. Байт-ориентированные устройства не адресуемы и не позволяют производить операцию поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов. Примерами являются терминалы, строчные принтеры, сетевые адаптеры. Однако некоторые внешние устройства не относятся ни к одному классу, например, часы, которые, с одной стороны, не адресуемы, а с другой стороны, не порождают потока байтов. Это устройство только выдает сигнал прерывания в некоторые моменты времени.

Внешнее устройство обычно состоит из механического и электронного компонента. Электронный компонент называется контроллером устройства или адаптером. Механический компонент представляет собственно устройство. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства.

Операционная система обычно имеет дело не с устройством, а с контроллером. Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например, преобразует поток бит в блоки, состоящие из байт, и осуществляют контроль и исправление ошибок. Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. В некоторых компьютерах эти регистры являются частью физического адресного пространства. В таких компьютерах нет специальных операций ввода-вывода. В других компьютерах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами, образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода (например, команд IN и OUT в процессорах i86).

ОС выполняет ввод-вывод, записывая команды в регистры контроллера. Например, контроллер гибкого диска IBM PC принимает 15 команд, таких как READ, WRITE, SEEK, FORMAT и т.д. Когда команда принята, процессор оставляет контроллер и занимается другой работой. При завершении команды контроллер организует прерывание для того, чтобы передать управление процессором операционной системе, которая должна проверить результаты операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая информацию из регистров контроллера.

Организация программного обеспечения ввода-вывода

Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей.

Ключевым принципом является независимость от устройств. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска.

Очень близкой к идее независимости от устройств является идея единообразного именования, то есть для именования устройств должны быть приняты единые правила.

Другим важным вопросом для программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. Вообще говоря, ошибки следует обрабатывать как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаруживает ошибку чтения, то он должен попытаться ее скорректировать. Если же это ему не удается, то исправлением ошибок должен заняться драйвер устройства. Многие ошибки могут исчезать при повторных попытках выполнения операций ввода-вывода, например, ошибки, вызванные наличием пылинок на головках чтения или на диске. И только если нижний уровень не может справиться с ошибкой, он сообщает об ошибке верхнему уровню.

Еще один ключевой вопрос - это использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется асинхронно - процессор начинает передачу и переходит на другую работу, пока не наступает прерывание. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие - после команды READ программа автоматически приостанавливается до тех пор, пока данные не попадут в буфер программы. ОС выполняет операции ввода-вывода асинхронно, но представляет их для пользовательских программ в синхронной форме.

Последняя проблема состоит в том, что одни устройства являются разделяемыми, а другие - выделенными. Диски - это разделяемые устройства, так как одновременный доступ нескольких пользователей к диску не представляет собой проблему. Принтеры - это выделенные устройства, потому что нельзя смешивать строчки, печатаемые различными пользователями. Наличие выделенных устройств создает для операционной системы некоторые проблемы.

Для решения поставленных проблем целесообразно разделить программное обеспечение ввода-вывода на четыре слоя (рисунок 2.30):

• Обработка прерываний,

• Драйверы устройств,

• Независимый от устройств слой операционной системы,

• Пользовательский слой программного обеспечения.

Многоуровневая организация подсистемы ввода-вывода

Обработка прерываний

Прерывания должны быть скрыты как можно глубже в недрах операционной системы, чтобы как можно меньшая часть ОС имела с ними дело. Наилучший способ состоит в разрешении процессу, инициировавшему операцию ввода-вывода, блокировать себя до завершения операции и наступления прерывания. Процесс может блокировать себя, используя, например, вызов DOWN для семафора, или вызов WAIT для переменной условия, или вызов RECEIVE для ожидания сообщения. При наступлении прерывания процедура обработки прерывания выполняет разблокирование процесса, инициировавшего операцию ввода-вывода, используя вызовы UP, SIGNAL или посылая процессу сообщение. В любом случае эффект от прерывания будет состоять в том, что ранее заблокированный процесс теперь продолжит свое выполнение.

Драйверы устройств

Весь зависимый от устройства код помещается в драйвер устройства. Каждый драйвер управляет устройствами одного типа или, может быть, одного класса.

В операционной системе только драйвер устройства знает о конкретных особенностях какого-либо устройства. Например, только драйвер диска имеет дело с дорожками, секторами, цилиндрами, временем установления головки и другими факторами, обеспечивающими правильную работу диска.

Драйвер устройства принимает запрос от устройств программного слоя и решает, как его выполнить. Типичным запросом является чтение n блоков данных. Если драйвер был свободен во время поступления запроса, то он начинает выполнять запрос немедленно. Если же он был занят обслуживанием другого запроса, то вновь поступивший запрос присоединяется к очереди уже имеющихся запросов, и он будет выполнен, когда наступит его очередь.

Первый шаг в реализации запроса ввода-вывода, например, для диска, состоит в преобразовании его из абстрактной формы в конкретную. Для дискового драйвера это означает преобразование номеров блоков в номера цилиндров, головок, секторов, проверку, работает ли мотор, находится ли головка над нужным цилиндром. Короче говоря, он должен решить, какие операции контроллера нужно выполнить и в какой последовательности.

После передачи команды контроллеру драйвер должен решить, блокировать ли себя до окончания заданной операции или нет. Если операция занимает значительное время, как при печати некоторого блока данных, то драйвер блокируется до тех пор, пока операция не завершится, и обработчик прерывания не разблокирует его. Если команда ввода-вывода выполняется быстро (например, прокрутка экрана), то драйвер ожидает ее завершения без блокирования.

Независимый от устройств слой операционной системы

Большая часть программного обеспечения ввода-вывода является независимой от устройств. Точная граница между драйверами и независимыми от устройств программами определяется системой, так как некоторые функции, которые могли бы быть реализованы независимым способом, в действительности выполнены в виде драйверов для повышения эффективности или по другим причинам.

Типичными функциями для независимого от устройств слоя являются:

• обеспечение общего интерфейса к драйверам устройств,

• именование устройств,

• защита устройств,

• обеспечение независимого размера блока,

• буферизация,

• распределение памяти на блок-ориентированных устройствах,

• распределение и освобождение выделенных устройств,

• уведомление об ошибках.

Остановимся на некоторых функциях данного перечня. Верхним слоям программного обеспечения не удобно работать с блоками разной величины, поэтому данный слой обеспечивает единый размер блока, например, за счет объединения нескольких различных блоков в единый логический блок. В связи с этим верхние уровни имеют дело с абстрактными устройствами, которые используют единый размер логического блока независимо от размера физического сектора.

При создании файла или заполнении его новыми данными необходимо выделить ему новые блоки. Для этого ОС должна вести список или битовую карту свободных блоков диска. На основании информации о наличии свободного места на диске может быть разработан алгоритм поиска свободного блока, независимый от устройства и реализуемый программным слоем, находящимся выше слоя драйверов.

Пользовательский слой программного обеспечения

Хотя большая часть программного обеспечения ввода-вывода находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в библиотеках, связываемых с пользовательскими программами. Системные вызовы, включающие вызовы ввода-вывода, обычно делаются библиотечными процедурами. Если программа, написанная на языке С, содержит вызов

count = write (fd, buffer, nbytes),

то библиотечная процедура write будет связана с программой. Набор подобных процедур является частью системы ввода-вывода. В частности, форматирование ввода или вывода выполняется библиотечными процедурами. Примером может служить функция printf языка С, которая принимает строку формата и, возможно, некоторые переменные в качестве входной информации, затем строит строку символов ASCII и делает вызов write для вывода этой строки. Стандартная библиотека ввода-вывода содержит большое число процедур, которые выполняют ввод-вывод и работают как часть пользовательской программы.

Другой категорией программного обеспечения ввода-вывода является подсистема спулинга (spooling). Спулинг - это способ работы с выделенными устройствами в мультипрограммной системе. Рассмотрим типичное устройство, требующее спулинга - строчный принтер. Хотя технически легко позволить каждому пользовательскому процессу открыть специальный файл, связанный с принтером, такой способ опасен из-за того, что пользовательский процесс может монополизировать принтер на произвольное время. Вместо этого создается специальный процесс - монитор, который получает исключительные права на использование этого устройства. Также создается специальный каталог, называемый каталогом спулинга. Для того, чтобы напечатать файл, пользовательский процесс помещает выводимую информацию в этот файл и помещает его в каталог спулинга. Процесс-монитор по очереди распечатывает все файлы, содержащиеся в каталоге спулинга.

Основные понятия, концепция ОС

Системный вызов - интерфейс между ОС и программой пользователя. Работа с ним полностью идентична работе с подпрограммами. (С их помощью можно создать/удалить файлы/процессы.)

Механизм организации – нет разницы между вызовом подпрограммы пользователем или ОС (системная функция).

При вызове системной функции происходит обращения к ядру ОС. Эта часть ядра работает в режиме пользователя и имеет доступ к адресному пространству процессора.

2 режима работы программы:

- режим ядра (доступ ко всем ячейкам памяти)

- режим пользователя (доступ только к своим адресным данным)

Прерывание - сигнал, по которому компьютер прекращает выполнение текущей программы и начинает выполнять служебную программу. Для определения очередности прерываний устанавливаются приоритеты прерываний. Различают аппаратные (генерируются аппаратурой: клавиатура, модем) и программные прерывания.

Соответствующее аппаратное прерывание имеет определенный номер. Процессор анализирует тип прерывания и передает управление соответствующему обработчику прерываний. В ячейке существует адрес, который называется вектором прерываний.

Исключительная ситуация - особая ситуация (exception). Событие в программе, вызывающее программное прерывание, обработку которого предусматривает программист (деление на нуль, отсутствует объявление доступа к ресурсу). Проблема решается с помощью программ: в этом случае ОС снимает подпрограмму с выполнения.

Системный таймер – для организации многозадачности: выделение каждой программе определенного времени для выполнения.

Файлы – пространство на диске, занятое информацией. ОС предоставляет функции для работы с файлами (открыть/создать).

Процесс (process) - последовательность операций при выполнении программы или ее части вместе с используемыми данными. Операционная система рассматривает П. как единое целое при распределении ресурсов.

Нить: Точно также как многозадачная операционная система может делать несколько вещей одновременно при помощи разных процессов, один процесс может делать много вещей при помощи нескольких нитей. Каждая нить представляет собой независимо выполняющийся поток управления со своим счетчиком команд, регистровым контекстом и стеком. Понятия процесса и нити очень тесно связаны и поэтому трудноотличимы, нити даже часто называют легковесными процессами. Основные отличия процесса от нити заключаются в том, что, каждому процессу соответствует своя независимая от других область памяти, таблица открытых файлов, текущая директория и прочая информация уровня ядра. Нити же не связаны непосредственно с этими сущностями. У всех нитей принадлежащих данному процессу всё выше перечисленное общее, поскольку принадлежит этому процессу. Кроме того, процесс всегда является сущностью уровня ядра, то есть ядро знает о его существовании, в то время как нити зачастую является сущностями уровня пользователя и ядро может ничего не знать о ней. В подобных реализациях все данные о нити хранятся в пользовательской области памяти, и соответственно такие процедуры как порождение или переключение между нитями не требуют обращения к ядру и занимают на порядок меньше времени.

Ядро ОС. Основные понятия (монолитные системы, многоуровневые системы, виртуальные машины)

Ядро ОС – набор подпрограмм, которые организуют работу с ПК (планировщик процессов, менеджер памяти, система управления вводом/выводом)

Многоуровневая архитектура - архитектура приложения, разделяющая пользовательские сервисы, прикладные сервисы и сервисы данных.

Виртуальная машина - совокупность вычислительных ресурсов, реализующая поведение некоторого реального компьютера.

На одном реальном компьютере может быть построено несколько виртуальных машин, каждая из которых выполняет свою программу и не препятствует работе другой виртуальной машины.

Два подхода к проектированию ОС:

Монолитные системы - операционные системы, представляющая собой систему без какой-либо структуры, в которой отсутствуют подпрограммы и функции. ОС вольна обращаться к любой другой функции ОС.

Минусы: 1) Сбой какой-либо компоненты приводит к сбою всей ОС, т.е. разработчику необходимо очень тщательно тестировать программный код. Причиной сбоя ОС могут послужить некачественные драйвера. Для монолитных ОС постоянно выпускаются обновления.

2) Из-за отсутствия четкой структуры сложно производить модернизацию ОС, поддержку нового типа устройств

3) Сложно переносить на другую аппаратную платформу

Плюсы: быстрота, простота реализации.

Ядро ОС. Модель клиент-сервер и микроядро

Модель клиент-сервер построена на базе микроядра. Ядро ОС - набор подпрограмм, предназначенных для организации работы всей ОС. В него входят функции: управления памятью, процессами, работа с внешними устройствами. Подход микроядра заключается в том, чтобы в составе самого ядра оставить минимальный набор подпрограмм, а все остальные функции возложить на отдельный модуль или сервис.

Сервер – поставщик какой-либо услуги, клиент – потребитель.

Эта модель используется в БД, сетевых обработках и т.д.

Сбои касаются только сетевой модели.

1) сбоившее приложение может быть прекращено и запущено заново

2) функции ОС можно легко расширять

Скорость работы системы чуть падает, так как на системный вызов уходит немного больше времени, чем на вызов подпрограммы. С концепцией клиент-сервер тесно связано понятие микроядра.

Суть в том, чтобы в ядре остался минимальный набор функций.

1) для организации многозадачности

2) для реализации системных вызовов

3) для обработки прерываний

Все остальные функции вынесены в виде серверов.

Функция, отвечающая за переключение процессов, а в сервере – функция, которая принимает решение, какому процессу дать ход.

Таким образом, достаточно внести изменение в подпрограммы микроядра. ОС, реализующих в чистом виде модель с микроядром, нет из соображений производительности. В первых версиях Windows графический интерфейс реализован отдельно, а в последних версиях – он входит в состав ядра. Использование микроядра совсем не означает, что ОС занимает мало места. Минимально было необходимо для Win 4.0 – 16 mb.

Модель клиент-сервер подходит для распределенных систем.

Распределенные и сетевые ОС

Сетевые ОС: пользователи сетевых ОС знают о том, что есть другие компьютеры, они могут удалённо подключаться и пользоваться их ресурсами. Каждый компьютер является полностью автономным и не зависит от других. Обладает собственным списком пользователей. Реализуется путём добавления малого куска кода к ОС (драйвер сетевого адаптера)

Распределенные ОС: Представляется традиционной ОС, хотя она и состоит из множества компьютеров. Пользователи не знают, на каком компьютере находятся их файлы, где выполняются программы. Все задачи доступа к файлам выполняют программы. Они поддерживают ОС. Они сложнее сетевых ОС.

Классификация ОС

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом. Поэтому, характеризуя сетевую ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

• однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

• многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

• однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

• многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

• невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

• вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

Поддержка многонитевости. Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Выше были рассмотрены характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов - процессором. Важное влияние на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами - подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода-вывода.

Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных

Мультипрограммирование или многозадачность, критерии организации мультизадачности

Мультипрограммирование (многозадачность) – способ организации вычислительного процесса при к-ром на одном процессоре попеременно выполняется сразу несколько программ. Эти программы совместно используют оперативную и внешнюю память, процессор, устр-ва ввода\вывода. Призвана повысить выполнение задач.

Критерии эффективности:

1. пропускная способность – кол-во задач, вып ОС в единицу времени

2. доступ раб пользователей – возможность интерактивно работать с неск программами на одной машине

3. реактивность с-мы – способность с-мы выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получение рез-тов.

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

• системы пакетной обработки (например, OC EC),

• системы разделения времени (UNIX, VMS),

• системы реального времени (QNX, RT/11).

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

Мультипроцессорность: сложность планирования загрузки процессоров, конфликты доступа к общим ресурсам

Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Выше были рассмотрены характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов - процессором. Важное влияние на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами - подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода-вывода.

Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

Процессы. Основные понятия, состояния процессов

Процесс (задача) - абстракция, описывающая выполняющуюся программу. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов.

Состояние процессов

В многозадачной (многопроцессной) системе процесс может находиться в одном из трех основных состояний:

ВЫПОЛНЕНИЕ - активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

ОЖИДАНИЕ - пассивное состояние процесса, процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса;

ГОТОВНОСТЬ - также пассивное состояние процесса, но в этом случае процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе.

В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ - несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно "вытеснен" из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени. В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.

Контекст и дескриптор процесса

Контекст процесса.

На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состояние операционной среды отображается состоянием регистров и программного счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т.д.

Дескриптор процесса

Операционной системе для реализации планирования процессов требуется дополнительная информация: идентификатор процесса, состояние процесса, данные о степени привилегированности процесса, место нахождения кодового сегмента и другая информация. В некоторых ОС (например, в ОС UNIX) информацию такого рода, используемую ОС для планирования процессов, называют дескриптор процесса.

Дескриптор процесса по сравнению с контекстом содержит более оперативную информацию, которая должна быть легко доступна подсистеме планирования процессов. Контекст процесса содержит менее актуальную информацию и используется операционной системой только после того, как принято решение о возобновлении прерванного процесса.

Очереди процессов представляют собой дескрипторы отдельных процессов, объединенные в списки. Таким образом, каждый дескриптор, кроме всего прочего, содержит по крайней мере один указатель на другой дескриптор, соседствующий с ним в очереди. Такая организация очередей позволяет легко их переупорядочивать, включать и исключать процессы, переводить процессы из одного состояния в другое.

Программный код только тогда начнет выполняться, когда для него операционной системой будет создан процесс. Создать процесс - это значит:

1. создать информационные структуры, описывающие данный процесс, то есть его дескриптор и контекст;

2. включить дескриптор нового процесса в очередь готовых процессов;

3. загрузить кодовый сегмент процесса в оперативную память или в область свопинга

Параллельные процессы, критическая секция

Процессы параллельны, если выполняются одновременно. Процессы могут работать независ друг от друга или быть асинхронными.

Сигналы

Даёт возможность программе реагировать на мобытия, источником котор мож быть ОС или другие прогр. По получ сигнала выполн прогр приостанавл, и выполн то, от чего сигнал. Сигналы выраб синхронно или асинхронно.

Сигналы обеспечивают механизм вызова определенной процедуры при наступлении некоторого события (аналогично прерываниям). Каждое событие имеет свой числовой идентификатор (обычно в диапазоне от 1 до 36) и соответствующую символьную константу - имя. При работе с сигналами необходимо различать две фазы:

1. Генерация или посылка сигнала.

2. Доставка и обработка сигнала.

Сигнал отправляется, когда происходит определенное событие, о наступлении которого должен быть уведомлен процесс. Сигнал считается доставленным, когда процесс, которому был отправлен сигнал, получает его и выполняет его обработку. В промежутке между этими двумя событиями сигнал ожидает доставки.

Сигнал может посылаться одним процессом другому (с помощью соответствующего системного вызова ) и будет доставлен, если оба процесса - одного пользователя или сигнал послан от имени пользователя root. Сигналы посылаются также ядром.

Ядро генерирует и посылает процессу сигнал в ответ на ряд событий, которые могут быть вызваны самим процессом, другим процессом, прерыванием или каким либо внешним событием.

Для посылки сигналов из командного интерпретатора используется команда kill. Она имеет следующий синтаксис:

kill [ -сигнал ] pid ...

Эта команда посылает указанный сигнал (по умолчанию - SIGTERM) всем процессам с указанными идентификаторами. Посылать сигнал можно и не существующему процессу - выдается предупреждение, но другим процессам сигнал посылается. Посылаемый сигнал задается по имени без префикса SIG или по номеру, например:

[kravchuk@arturo 16:56:55 /]$ echo $$

3697

[kravchuk@arturo 16:56:58 /]$ kill -STOP 3697

В результате текущий сеанс зависает

Критическая секция - это часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент в критической секции, связанной с этим ресурсом, находился максимум один процесс. Этот прием называют взаимным исключением.

Обобщающее средство синхронизации процессов предложил Дейкстра, который ввел два новых примитива. В абстрактной форме эти примитивы, обозначаемые P и V, оперируют над целыми неотрицательными переменными, называемыми семафорами. Пусть S такой семафор. Операции определяются следующим образом:

V(S) : переменная S увеличивается на 1 одним неделимым действием; выборка, инкремент и запоминание не могут быть прерваны, и к S нет доступа другим процессам во время выполнения этой операции.

P(S) : уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0, то невозможно уменьшить S и остаться в области целых неотрицательных значений, в этом случае процесс, вызывающий P-операцию, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также является неделимой операцией.

В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную. Операция P заключает в себе потенциальную возможность перехода процесса, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как V-операция может при некоторых обстоятельствах активизировать другой процесс, приостановленный операцией P (сравните эти операции с системными функциями WAIT и POST).

Причины завершения процессов

Ядро генерирует и посылает процессу сигнал в ответ на ряд событий, которые могут быть вызваны самим процессом, другим процессом, прерыванием или каким либо внешним событием. Основные причины отправки сигнала:

Исключительные ситуации

Выполнение процесса вызывает исключительну ситуацию, например, деление на 0.

Терминальные прерывания

Нажатие клавиш терминала, например, <Del>, <Ctrl+C>, <Ctrl+\>, вызывает посылку сигнала текущему процессу, связанному с терминалом.

Другие процессы

Процесс может посылать сигнал другому процессу или группе процессов с помощью системного вызова kill. В этом случае сигналы являются элементарной формой межпроцессного взаимодействия.

Управление заданиями

Командные интерпретаторы, поддерживающие средства управления заданиями, используют сигналы для манипулирования фоновыми и текущими процессами. Когда процесс, выполняющийся в фоновом режиме, делает попытку чтения или записи на терминал, ему посылается сигнал останова. Когда порожденный процесс завершает свою работу, родительский процесс уведомляется об этом также с помощью сигнала.

Квоты

Когда процесс превышает выделенную ему квоту вычислительных ресурсов или ресурсов файловой системы, ему посылается соответствующий сигнал.

Уведомления

Процесс может запросить уведомление о наступлении тех или иных событий, например, готовности устройства и т.д. Такое уведомление посылается процессу в виде сигнала.

Будильники

Если процесс установил таймер, ему будет послан сигнал, когда значение таймера станет равным 0.

Обработка прерываний, вектор прерывания

Прерывание – событие, при котором меняется нормальная последовательность команд, выполняемых процессором.

Обработка прерываний:

1. управление передаётся ОС

2. ОС запоминает состояние прерванного процесса

3. ОС передаёт управление соответствующей программе, обработчику данного прерывания.

Прерывание:

1. аппаратные - происходят от соответствующей аппаратуры ввода\вывода

2. программные - либо инициируется программой (запрос на системный вызов), либо ОС (истечение кванта времени)

Вектор прерывания: каждому типу прерывания соответствует адрес ячейки памяти.

Адрес ячейки памяти - есть вектор прерывания.

Алгоритмы планирования процессов

В системах пакетной обработки

Алгоритм без переключений: Кто первый – тот и обрабатывается. Из списка задач, подлежащих выполнению, выбирается та, которая будет выполняться наименьшее количество времени. Выполняется полностью.

Алгоритм с переключением: при появлении новой задачи происходит сравнение времени с выполняемой. Выполняться будет та, что выполнится быстрее

В системах разделения времени

1) Кольцевой режим. Создается кольцо процессов, подлежащих выполнению. Выполняются они по порядку. Выделяется всем одинаковое количество времени.

2) Алгоритм с приоритетом: процесс имеет приоритет. Тот, у которого приоритет больше – выполняется раньше.

3) C динамически меняющимся приоритетом: приоритет рассчитывается из 2х составляющих – статической и динамической составляющих. Статический приоритет присваивается процессу при запуске. Динамическая составляющая рассчитывается исходя из того, как процесс использует процессорное время. Если процесс отработал своё процессорное время полностью – динамический приоритет понижается, если завершился досрочно – динамический приоритет повышается.

Планировщик процессов

Планировщик процессов в системе UNIX принадлежит к общему классу планировщиков, работающих по принципу "карусели с многоуровневой обратной связью". В соответствии с этим принципом ядро предоставляет процессу ресурсы ЦП на квант времени, по истечении которого выгружает этот процесс и возвращает его в одну из нескольких очередей, регулируемых приоритетами. Прежде чем процесс завершится, ему может потребоваться множество раз пройти через цикл с обратной связью. Когда ядро выполняет переключение контекста и восстанавливает контекст процесса, процесс возобновляет выполнение с точки приостановки.

Создание процессов

Новый процесс создается в UNIX только путем системного вызова fork. Процесс, сделавший вызов fork, называется родительским, а вновь созданный процесс - порожденным. Новый процесс является точной копией родительского. При порождении (разветвлении) процесса проверяется, достаточно ли памяти и места в таблице процессов для данного процесса. Если да, то образ текущего процесса копируется в новый образ процесса, и в таблице процессов возникает новый элемент. Новому процессу присваивается новый уникальный идентификатор (PID). Когда изменение таблицы процессов ядра завершается, процесс добавляется к списку процессов, доступных для выполнения и ожидающих в очереди планировщика подобно другим процессам.

Порожденный процесс наследует от родительского процесса следующие основные характеристики:

1. Способы обработки сигналов (адреса функций обработки сигналов).

2. Реальные и эффективные идентификаторы пользователя и группы.

3. Значение поправки приоритета.

4. Все присоединенные разделяемые сегменты памяти.

5. Идентификатор группы процессов.

6. Терминальную линию.

7. Текущий каталог.

8. Корневой каталог.

9. Маска создания файлов (umask).

10. Ограничения ресурсов (ulimit).

Порожденный процесс отличается от родительского процесса следующими основными характеристиками:

1. Порожденный процесс имеет свой уникальный идентификатор.

2. Порожденный процесс имеет другой идентификатор родительского процесса, равный идентификатору породившего процесса.

3. Порожденный процесс имеет свои собственные копии дескрипторов файлов (в частности, стандартных потоков), открытых родительским процессом. Каждый дескриптор файла порожденного процесса имеет первоначально такое же значение текущей позиции в файле, что и соответствующий родительский.

4. У порожденного процесса обнуляются счетчики времени, потраченного системой для его обслуживания.

Системный вызов fork завершается неудачей и новый процесс не порождается, если:

• Создать процесс запрещает системное ограничение на общее количество процессов.

• Создать процесс запрещает системное ограничение на количество процессов у одного пользователя.

• Общее количество системной памяти, предоставленной для физического ввода-вывода, временно оказалось недостаточным.

При успешном завершении порожденному процессу возвращается значение 0, а родительскому процессу возвращается идентификатор порожденного процесса. В случае ошибки родительскому процессу возвращается -1, новый процесс не создается и переменной errno присваивается код ошибки.

Обычно после порождения порожденный процесс выполняет системный вызов exec, перекрывающий сегменты текста и данных процесса новыми сегментами текста и данных, взятыми из указанного выполняемого файла. При этом аппаратный контекст процесса инициализируется заново.

Выполняемый файл состоит из заголовка, сегмента команд и сегмента данных. Данные (глобальные переменные) состоят из инициализированной и неинициализированной частей.

Если системный вызов exec закончился успешно, то он не может вернуть управление, так как вызвавший процесс уже заменен новым процессом. Возврат из системного вызова exec свидетельствует об ошибке. В таком случае результат равен -1, а переменной errno присваивается код ошибки.

Новый процесс наследует у процесса, вызвавшего exec, следующие основные характеристики:

1. Значение поправки приоритета.

2. Идентификатор процесса.

3. Идентификатор родительского процесса.

4. Идентификатор группы процессов.

5. Терминальную линию.

6. Текущий каталог.

7. Корневой каталог.

8. Маску создания файлов.

9. Ограничения ресурсов.

10. Счетчики времени, потраченного системой на обслуживание этого процесса.

11. Блокировки доступа к сегментам файлов.

Атрибуты процессов в Unix

Процесс в UNIX имеет ряд атрибутов, позволяющих операционной системе управлять его работой. Основные атрибуты представлены в следующих подразделах.

Идентификатор процесса (PID)

Каждый процесс имеет уникальный идентификатор PID, позволяющий ядру системы различать процессы. Когда создается новый процесс, ядро присваивает ему следующий свободный (т.е. не ассоциированный ни с каким процессом) идентификатор. Присвоение идентификатора обычно происходит по возрастающий, т.е. идентификатор нового процесса больше, чем идентификатор процесса, созданного перед ним. Если идентификатор достигает максимального значения (обычно - 65737), следующий процесс получит минимальный свободный PID и цикл повторяется. Когда процесс завершает работу, ядро освобождает использовавшийся им идентификатор.

Идентификатор родительского процесса (PPID)

Идентификатор процесса, породившего данный процесс. Все процессы в системе, кроме системных процессов и процесса init, являющегося прародителем остальных процессов, порождены одним из существующих или существовавших ранее процессов.

Поправка приоритета (NI)

Относительный приоритет процесса, учитываемый планировщиком при определении очередности запуска. Фактическое же распределение процессорных ресурсов определяется приоритетом выполнения (атрибут PRI), зависящим от нескольких факторов, в частности от заданного относительного приоритета. Относительный приоритет не изменяется системой на всем протяжении жизни процесса (хотя может быть изменен пользователем или администратором) в отличие от приоритета выполнения, динамически изменяемого планировщиком.

Терминальная линия (TTY)

Терминал или псевдотерминал, связанный с процессом. С этим терминалом по умолчанию связаны стандартные потоки: входной, выходной и поток сообщений об ошибках. Потоки (программные каналы) являются стандартным средством межпроцессного взаимодействия в ОС UNIX.

Процессы-демоны не связаны с терминалом.

Реальный (UID) и эффективный (EUID) идентификаторы пользователя

Реальным идентификатором пользователя данного процесса является идентификатор пользователя, запустившего процесс. Эффективный идентификатор служит для определения прав доступа процесса к системным ресурсам (в первую очередь к ресурсам файловой системы). Обычно реальный и эффективный идентификаторы совпадают, т.е. процесс имеет в системе те же права, что и пользователь, запустивший его. Однако существует возможность задать процессу более широкие права, чем права пользователя, путем установки бита SUID, когда эффективному идентификатору присваивается значение идентификатора владельца выполняемого файла (например, пользователя root).

Реальный (GID) и эффективный (EGID) идентификаторы группы

Реальный идентификатор группы равен идентификатору основной или текущей группы пользователя, запустившего процесс. Эффективный идентификатор служит для определения прав доступа к системным ресурсам от имени группы. Обычно эффективный идентификатор группы совпадает с реальным. Но если для выполняемого файла установлен бит SGID, такой файл выполняется с эффективным идентификатором группы-владельца.

Образ, дескриптор, контекст процесса

В основе UNIX лежит концепция процесса - единицы управления и единицы потребления ресурсов. Процесс представляет собой программу в состоянии выполнения, причем в UNIX в рамках одного процесса не могут выполняться никакие параллельные действия.

Каждый процесс работает в своем виртуальном адресном пространстве. Совокупность участков физической памяти, отображаемых на виртуальные адреса процесса, называется образом процесса.

При управлении процессами операционная система использует два основных типа информационных структур: дескриптор процесса (структура proc) и контекст процесса (структура user).

Дескриптор процесса содержит такую информацию о процессе, которая необходима ядру в течение всего жизненного цикла процесса, независимо от того, находится ли он в активном или пассивном состоянии, находится ли образ процесса в оперативной памяти или выгружен на диск. Дескрипторы отдельных процессов объединены в список, образующий таблицу процессов. Память для таблицы процессов отводится динамически в области ядра. На основании информации, содержащейся в таблице процессов, операционная система осуществляет планирование и синхронизацию процессов. В дескрипторе прямо или косвенно (через указатели на связанные с ним структуры) содержится информация о состоянии процесса, расположении образа процесса в оперативной памяти и на диске, о значении отдельных составляющих приоритета, а также его итоговое значение - глобальный приоритет, идентификатор пользователя, создавшего процесс, информация о родственных процессах, о событиях, осуществления которых ожидает данный процесс и некоторая другая информация.

Контекст процесса содержит менее оперативную, но более объемную часть информации о процессе, необходимую для возобновления выполнения процесса с прерванного места: содержимое регистров процессора, коды ошибок выполняемых процессором системных вызовов, информацию о всех открытых данным процессом файлов и незавершенных операциях ввода-вывода (указатели на структуры file) и другие данные, характеризующие состояние вычислительной среды в момент прерывания. Контекст, так же как и дескриптор процесса, доступен только программам ядра, то есть находится в виртуальном адресном пространстве операционной системы, однако он хранится не в области ядра, а непосредственно примыкает к образу процесса и перемещается вместе с ним, если это необходимо, из оперативной памяти на диск. В UNIX для процессов предусмотрены два режима выполнения: привилегированный режим - "система" и обычный режим - "пользователь". В режиме "пользователь" запрещено выполнение действий, связанных с управлением ресурсами системы, в частности, корректировка системных таблиц, управление внешними устройствами, маскирование прерываний, обработка прерываний. В режиме "система" выполняются программы ядра, а в режиме "пользователь" - оболочка и прикладные программы. При необходимости выполнить привилегированные действия пользовательский процесс обращается с запросом к ядру в форме так называемого системного вызова. В результате системного вызова управление передается соответствующей программе ядра. С момента начала выполнения системного вызова процесс считается системным. Таким образом, один и тот же процесс может находиться в пользовательской и системной фазах. Эти фазы никогда не выполняются одновременно.

Идентификаторы

Идентификатор процесса PID, идентификатор процесса породившего данный процесс. PPID

Идентификатор процесса (PID)

Каждый процесс имеет уникальный идентификатор PID, позволяющий ядру системы различать процессы. Когда создается новый процесс, ядро присваивает ему следующий свободный (т.е. не ассоциированный ни с каким процессом) идентификатор. Присвоение идентификатора обычно происходит по возрастающий, т.е. идентификатор нового процесса больше, чем идентификатор процесса, созданного перед ним. Если идентификатор достигает максимального значения (обычно - 65737), следующий процесс получит минимальный свободный PID и цикл повторяется. Когда процесс завершает работу, ядро освобождает использовавшийся им идентификатор.

Идентификатор родительского процесса (PPID)

Идентификатор процесса, породившего данный процесс. Все процессы в системе, кроме системных процессов и процесса init, являющегося прародителем остальных процессов, порождены одним из существующих или существовавших ранее процессов.

Реальные и эффективные (действующие) идентификаторы пользователя и группы пользователей (UID\EUID, GID\EGID)

Реальный (UID) и эффективный (EUID) идентификаторы пользователя

Реальным идентификатором пользователя данного процесса является идентификатор пользователя, запустившего процесс. Эффективный идентификатор служит для определения прав доступа процесса к системным ресурсам (в первую очередь к ресурсам файловой системы). Обычно реальный и эффективный идентификаторы совпадают, т.е. процесс имеет в системе те же права, что и пользователь, запустивший его. Однако существует возможность задать процессу более широкие права, чем права пользователя, путем установки бита SUID, когда эффективному идентификатору присваивается значение идентификатора владельца выполняемого файла (например, пользователя root).

Реальный (GID) и эффективный (EGID) идентификаторы группы

Реальный идентификатор группы равен идентификатору основной или текущей группы пользователя, запустившего процесс. Эффективный идентификатор служит для определения прав доступа к системным ресурсам от имени группы. Обычно эффективный идентификатор группы совпадает с реальным. Но если для выполняемого файла установлен бит SGID, такой файл выполняется с эффективным идентификатором группы-владельца.

Привилегированный пользователь. Привилегированный процесс

Привилегированный пользователь

Понятно, что администратор системы, который, естественно, тоже является зарегистрированным пользователем, должен обладать большими возможностями, чем обычные пользователи. В ОС UNIX эта задача решается путем выделения одного значения UID (нулевого). Пользователь с таким UID называется суперпользователем (superuser) или root. Он имеет неограниченные права на доступ к любому файлу и на выполнение любой программы. Кроме того, такой пользователь имеет возможность полного контроля над системой. Он может остановить ее и даже разрушить.

В мире UNIX считается, что человек, получивший статус суперпользователя, должен понимать, что делает. Суперпользователь должен хорошо знать базовые процедуры администрирования ОС UNIX. Он отвечает за безопасность системы, ее правильное конфигурирование, добавление и исключение пользователей, регулярное копирование файлов и т.д.

Еще одним отличием суперпользователя от обычного пользователя ОС UNIX является то, что на суперпользователя не распространяются ограничения на используемые ресурсы. Для обычных пользователей устанавливаются такие ограничения как максимальный размер файла, максимальное число сегментов разделяемой памяти, максимально допустимое пространство на диске и т.д. Суперпользователь может изменять эти ограничения для других пользователей, но на него они не действуют.

pid=0 init -родитель для всех процессов в системе

Системные вызовы для управления процессами

Ядро системы предоставляет возможности (набор системных вызовов) для порождения новых процессов, отслеживания окончания порожденных процессов и т.д.

Каждый процесс может образовать полностью идентичный подчиненный процесс с помощью системного вызова fork() и дожидаться окончания выполнения своих подчиненных процессов с помощью системного вызова wait. Каждый процесс в любой момент времени может полностью изменить содержимое своего образа памяти с помощью одной из разновидностей системного вызова exec (сменить образ памяти в соответствии с содержимым указанного файла, хранящего образ процесса (выполняемого файла)). Каждый процесс может установить свою собственную реакцию на "сигналы", производимые операционной системой в соответствие с внешними или внутренними событиями. Наконец, каждый процесс может повлиять на значение своего статического (а тем самым и динамического) приоритета с помощью системного вызова nice.

Для создания нового процесса используется системный вызов fork. В среде программирования нужно относиться к этому системному вызову как к вызову функции, возвращающей целое значение - идентификатор порожденного процесса, который затем может использоваться для управления (в ограниченном смысле) порожденным процессом. Реально, все процессы системы UNIX, кроме начального, запускаемого при раскрутке системы, образуются при помощи системного вызова fork.

Для установки реакции на поступление определенного сигнала используется системный вызов

oldfunction = signal(signum, function),

Система предоставляет возможность для пользовательских процессов явно генерировать сигналы, направляемые другим процессам. Для этого используется системный вызов

kill(pid, signum)

(Этот системный вызов называется "kill", потому что наиболее часто применяется для того, чтобы принудительно закончить указанный процесс.) Параметр signum задает номер генерируемого сигнала (в системном вызове kill можно указывать не все номера сигналов).

Для завершения процесса по его собственной инициативе используется системный вызов

exit(status),

где status - это целое число, возвращаемое процессу-предку для его информирования о причинах завершения процесса-потомка (как описывалось выше, для получения информации о статусе завершившегося процесса-потомка в процессе-предке используется системный вызов wait)

Для выполнения произвольной программы в текущем процессе используются системные вызовы семейства exec. Разные варианты exec слегка различаются способом задания параметров. Здесь мы не будем вдаваться в детали (за ними лучше обращаться к документации по конкретной реализации). Рассмотрим некоторый обобщенный случай системного вызова

exec(filename, argv, argc, envp)

Форматы исполняемых файлов

С точки зрения архитектуры, данные системы имеют достаточно сильные отличия.

Формат исполняемого файла должен в той или иной мере отражать эти отличия. В

настоящее время существуют четыре формата исполняемых файлов для

перечисленных операционных систем:

􀂁 .com (CP/M и MS-DOS);

􀂁 .exe (MS-DOS);

􀂁 .exe (Windows 3.1) или NE-формат исполняемых файлов;

􀂁 .exe (Windows 95/98/NT) или PE-формат исполняемых файлов;

􀂁 COFF- и ELF-форматы исполняемого файла UNIX.

Исполняемый файл COM-формата

Данный формат исполняемого файла является самым старым. Если считать началом

«нашей эры» конец 70-х годов, когда появились компьютеры на базе

микропроцессора i8086, то основы формата COM появились еще «до нашей эры».

В то время были популярны компьютеры на базе 8-разрядных микропроцессоров

i8080 (отечественный аналог — КР580ВМ80). Одной из отличительных

характеристик этих микропроцессоров была поддержка размера оперативной памяти

не более 64 Кбайт. Таким образом, размер программы, выполняющейся на

компьютере с микропроцессором i8080, изначально был ограничен его архитектурой.

А с учетом того, что некоторая часть оперативной памяти отводилась для программ

операционной системы, — реальный размер программы был еще меньше. COM-

формат поддерживался операционной системой CP/M фирмы Digital Research и

показал свою эффективность. С появлением 16-разрядного микропроцессора фирмы

Intel i8086/88, возникла необходимость в операционной системе, которая в полной

мере использовала бы его возможности. Фирма Microsoft разработала операционную

систему MS-DOS. Большинство программ в то далекое время имело небольшой

размер, и фирма Microsoft, не изобретая заново велосипед, ввела поддержку COM-

формата в операционную систему MS-DOS. На уроке 10 мы уже обсуждали данный

формат исполняемого файла. При этом отмечалось, что исходный файл должен

удовлетворять определенным требованиям. Поэтому мы не будем повторять то, что

уже было сказано, а проникнем немного вглубь вопроса. Для этого в качестве

примера рассмотрим исходный текст программы, оформленный в соответствии с

требованиями COM-формата

MZ-формат был разработан фирмой Microsoft для поддержки многосег-

ментных программ в среде MS-DOS. С точки зрения структуры, файл MZ-формата

имеет три части:

• 􀂁заголовок;

• таблицу размещения;

• программный код.

Заголовок состоит из полей фиксированного размера

NE-формат (New Executeable code file) исполняемого файла был разработан для

операционной системы Windows 2.0. Этот же формат использовался в операционной

системе OS/2 фирмы IBM. Исполняемый файл NE-формата состоит из двух

исполняемых файлов:

􀂁 исполняемый файл MZ-формата;

􀂁 исполняемый файл NE-формата.

Если посмотреть на пример дампа исполняемого файла NE-формата (рис. 4), то

видно, что первые несколько десятков байт являются не чем иным, как только что

рассмотренным нами файлом MZ-форматa (MS-DOS). В его задачу входит вывод

сообщения типа «This program required Microsoft Windows». Наверняка оно вам

известно, как и та ситуация, при которой это сообщение выводится. Загрузчик

Windows знает об этой особенности загрузочного файла и сразу начинает работать со

второй его частью. Загрузчик MS-DOS впрямую запускает программу с расширением

.exe на исполнение. Данная маленькая программа добросовестно исполняется,

выводя вышеуказанное (или подобное ему) сообщение, и благополучно завершается.

В принципе, вместо этой маленькой программы может быть полноценная программа,

представляющая собой DOS-версию приложения.

Определить тот факт, что исполняемый файл с расширением .exe является файлом

формата NE, достаточно просто. Для этого достаточно посмотреть на значение в

байте со смещением 18h от начала файла. Если там значение 40h, то перед вами не

MZ-формат. Далее необходимо посмотреть на содержимое слова со смещением 3Сh.

Значение в нем показывает смещение заголовка NE исполняемого файла

относительно начала файла. Общий формат исполняемого файла NE-формата

показан на рис. 3. Фрагменты дампа файла NE-формата показаны на рис. 4. В начале

файла расположена программа-заглушка MS-DOS. Формат этой части файла NE-

формата показан в табл.

Исполняемый файл PE-формата

(Windows NT 3.5/95/98)

Для 32-разрядных операционных систем фирма Microsoft разработала специальный

формат исполняемого файла. Он получил название переносимый формат

исполняемого файла (PE — Portable Executable). В нашем изложении мы будем

называть его PE-форматом. Детальное рассмотрение PE-формата требует очень

много места, но вряд ли это так необходимо. В большинстве случаев достаточно

представлять общую структуру файла PE-формата («знать, что где лежит»). Для

получения детальной информации всегда можно обратиться к документации.

Необходимо отметить, что идеи, заложенные в PE-формат, не новы. Основы этого

формата были заложены в операционной системе UNIX, где аналогичный формат

назывался COFF-формат (Common Object File Format — стандартный формат

объектного файла). Почему формат файла в 32-разрядных операционных системах

назван переносимым (portable)? Это сделано из-за стремления фирмы Microsoft

создать единый формат исполняемого файла для реализаций операционной системы

Windows NT на различных аппаратных платформах (что, конечно, не означает

совместимости на уровне машинных команд).

Перечислим особенности данного формата:

• 􀂁простота загрузки файла PE-формата. Если сравнивать этот процесс с загрузкой

файла NE-формата, то для PE-исполняемого файла он значительно проще. Чтобы

загрузить NE-файл, загрузчик должен создать рабочие структуры в памяти, найти

информацию для их заполнения внутри NE-файла;

• поддержка сплошной модели памяти. Конструкция PE-файла максимально

упрощена с точки зрения загрузки в память. Фактически он представляет собой

слепок участка оперативной памяти;

• 􀂁не требуется настраивать сегменты команд или данных, так как их нет в том виде,

как это было в 16-разрядной среде;

• 􀂁расположение многих полей в PE-файле задается с помощью относительного

смещения от начала PE-файла — Относительного Адреса Поля (ОАП). Сам PE-

файл располагается по Базовому Адресу Памяти (БАП) — физическому адресу

памяти, с которого начинается загруженный в память модуль.

Информация в PE-файле является, в основном, высокоуровневой и используется

системой или u1087 приложениями, чтобы определить правила обращения с конкретным

исполняемым файлом.

Основные команды Unix для управления процессами

Управление процессами

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Процесс (или по-другому, задача) - абстракция, описывающая выполняющуюся программу. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.

Состояние процессов

В многозадачной (многопроцессной) системе процесс может находиться в одном из трех основных состояний:

ВЫПОЛНЕНИЕ - активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

ОЖИДАНИЕ - пассивное состояние процесса, процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса;

ГОТОВНОСТЬ - также пассивное состояние процесса, но в этом случае процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе. Типичный граф состояний процесса показан на рисунке 2.1.

В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ - несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно "вытеснен" из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени. В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.

КОМАНДЫ

ps

(="print status(печать статуса)" или "process status(статус процессов)") выводит список процессов, выполняемых в текущий момент с указанием идентификаторов процессов(ID или PID). Используйте ps axu для просмотра списка всех процессов, выполняемых в системе (включая процессы, выполняемые другими пользователями и процессы, не контроллируемые с терминалов) с именами владельцев. Используйте "top" для удержания списка выполняемых процессов.

некая_команда &

выполнение команды в фоновом режиме (символ "&" значит "выполнять в фоновом режиме"). Номер_задания выводится на экран, так что вы можете перенести команду на передний план(см. ниже), если захотите. Я использую "&" в основном для запуска программ с графическим интерфейсом из X-терминала.

jobs

выводит список моих фоновых и остановленных заданий и показывает их номера.

fg номер_задания

Переносит фоновое или остановленное задание на передний план.

bg номер_задания

Помещает процесс в фоновый режим, так как если бы он был запущен с &. Это перезапустит установленный процесс. Текущий процесс переднего плана может быть приостановлен клавишами <Ctrl>z. Если у вас есть приостановленные процессы или процессы фонового режима, вам придется набрать exit дважды, чтобы выйти.

batch

at>updatedb<Ctrl>d

выполнить некоторую команду (обычно требующую больщого количества времени для завершения) когда загрузка системы уменьшится. Я могу покинуть систему, а процесс продолжит работу. Когда программа будет завершена, ее вывод будет послан мне по электронной почте. В приведенном выше примере "at>" представляет приглашение ввода команды, команда для выполнения updatedb, и <Ctrl><d> завершает ввод задания (Я могу ввести много комманд, разделенных <Enter>).

at 17:00

выполнить команду в заданное время. У вас будут спрашивать команды для выполнения, пока вы не нажмете <Ctrl>d. С этой командой связана atq (показывает очередь программ заданных командой at) и atrm (удаляет программы из этой очереди).

kill PID

Завершить процесс. Для начала определите идентификатор процесса(PID), который собираетесь завершить, используя ps.

killall имя_программы

Завершить программу (программы) с указанным именем. К примеру, killall pppd завершит вашу работу с удаленным соединением.

nohup имя_программы

(=no hungup(не откладывать)). Выполняет программу имя_программы так, что она не прекращается, когда вы покидаете систему. Вывод перенаправляется в nohup.out в вашей домашней директории. Естественно, не стоит выполнять интерактивные программы используя nohup.

lpc

(как "root") Проверка и управление принтерами. Введите "?" для получения списка используемых команд.

lpq

Показывает содержимое очереди принтера. Под KDE (X-Windows), вы можете использовать "Printer Queue(Очередь принтера)" доступную из меню "K"-"Utilities(Утилиты)".

Приоритеты Unix

nice имя_программы

выполнить имя_программы, изменив его приоритет. Поскольку в примере приоритет не указан, он будет увеличен на 10 пунктов (процесс будет выполняться медленнее) от значения по умолчанию (обычно 0). Чем меньше число ("приятности" другим пользователям системы), тем выше приоритет. Значение приоритета изменяется в границах от -20 до 19. Только "root" может использовать отрицательные значения. Используйте top для просмотра приоритетов выполняемых процессов.

renice -18 PID

(как "root") Уменьшить приоритет процесса на 18. Нормальный пользователь может только увеличивать приоритет, причем относительно текущего значения (только замедлить процесс). Он может, кроме того, renice +10 -u peter передав пользователю peter освободившееся время процессора для его заданий с интенсивными вычислениями в обход других пользователей.

lsof

Cписок открытых файлов. Если я "root", будут перчислены все открытые файлы. Я могу ограничиться файлами, открытыми с определенной консоли: lsof /dev/tty1 . Для списка файлов, открытых по сети (полезно для контроля безопасности), можно использовать lsof -i (как "root").

watch -n 60 моя_команда

выполнять команду моя_команда раз за разом с 60-секундными интервалами (интервал по умолчанию - 2 секунды).

Память. Типы адресов

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Типы адресов

Для идентификации переменных и команд используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса (рисунок 2.7).

Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или

ассемблере.