Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Операционные системы, их назначение и структура).pdf

После создания процесс начинает работать и выполняет свою задачу. Но ничто не длится вечно, даже процессы. Рано или поздно новые процессы будут завершены, обычно в силу следующих обстоятельств:

• • • • обычного выхода (добровольно);
      • выхода при возникновении ошибки (добровольно);
      • возникновения фатальной ошибки (принудительно);
• уничтожения другим процессом (принудительно).

Совместно выполняемые процессы могут быть либо независимыми, либо взаимодействующими. Взаимодействие процессов часто понимается в смысле взаимного обмена данными через общий буфер данных.

Взаимодействие процессов удобно рассматривать в схеме производитель-потребитель. Например, программа вывода на печать производит последовательность символов, которые потребляются драйвером принтера, или компилятор производит ассемблерный текст, который затем потребляется ассемблером.

Для взаимодействия процесса-производителя и процесса-потребителя создается совместный буфер, заполняемый процессом-производителем и потребляемый процессом-потребителем. Буфер имеет фиксированные размеры и, следовательно, процессы могут находиться в состоянии ожидания, когда:

• буфер заполнен — ожидает процесс-производитель;
• буфер пуст — ожидает процесс-потребитель.

Буфер может предоставляться и поддерживаться самой ОС, например, с помощью средств межпроцессной коммуникации, либо должен быть организован прикладным программистом.

При этом оба процесса используют общий участок памяти. Взаимодействие заключается в передаче данных между процессами или совместном использовании некоторых ресурсов.

Для реализации модели процессов операционная система ведет таблицу (состоящую из массива структур), называемую таблицей процессов, в которой каждая запись соответствует какому-нибудь процессу. (Ряд авторов называют эти записи блоками управления процессом.) Эти записи содержат важную информацию о состоянии процесса, включая счетчик команд, указатель стека, распределение памяти, состояние открытых им файлов, его учетную и планировочную информацию и все остальное, касающееся процесса, что должно быть сохранено, когда процесс переключается из состояния выполнения в состояние готовности или блокировки, чтобы позже он мог возобновить выполнение, как будто никогда не останавливался.

Когда компьютер работает в многозадачном режиме, на нем зачастую запускается сразу несколько процессов или потоков, претендующих на использование центрального процессора. Такая ситуация складывается в том случае, если в состоянии готовности одновременно находятся два или более процесса. Если доступен только один центральный процессор, необходимо выбрать, какой из этих процессов будет выполняться следующим. Та часть операционной системы, на которую возложен этот выбор, называется планировщиком, а алгоритм, который ею используется, называется алгоритмом планирования.

---

Планировщик наряду с выбором «правильного» процесса должен заботиться также об эффективной загрузке центрального процессора, поскольку переключение процессов является весьма дорогостоящим занятием.

Сначала должно произойти переключение из пользовательского режима в режим ядра, затем сохранено состояние текущего процесса, включая сохранение его регистров в таблице процессов для их последующей повторной загрузки.

На некоторых системах должна быть сохранена также карта памяти (например, признаки обращения к страницам памяти). После этого запускается алгоритм планирования для выбора следующего процесса. Затем в соответствии

с картой памяти нового процесса должен быть перезагружен блок управления памятью. И наконец, новый процесс должен быть запущен.

В зависимости от типа операционной системы могут использоваться различные механизмы планирования.

Таким образом управление процессами является основополагающей функцией операционных систем, на основе которой строится ее структура и механизм работы.

2.2. Управление данными

В хранении и извлечении информации нуждаются все компьютерные приложения. Работающий процесс в собственном адресном пространстве может хранить лишь ограниченное количество данных. Но емкость хранилища ограничена размером виртуального адресного пространства. Ряду приложений вполне достаточно и этого объема, но есть и такие приложения, например, системы резервирования авиабилетов, системы банковского или корпоративного учета, для которых его явно недостаточно.

Вторая проблема, связанная с хранением информации в пределах адресного пространства процессов, заключается в том, что при завершении процесса эта информация теряется. Для многих приложений (например, баз данных) информация должна храниться неделями, месяцами или даже бесконечно. Ее исчезновение с завершением процесса абсолютно неприемлемо. Более того, она не должна утрачиваться и при аварийном завершении процесса при отказе компьютера.

Третья проблема заключается в том, что зачастую возникает необходимость в предоставлении одновременного доступа к какой-то информации (или ее части) нескольким процессам. Если интерактивный телефонный справочник будет храниться в пределах адресного пространства только одного процесса, то доступ к нему сможет получить только этот процесс. Эта проблема решается за счет придания информации как таковой независимости от любых процессов.

Таким образом, есть три основных требования к долговременному хранилищу информации:

---

1. Оно должно предоставлять возможность хранения огромного количества информации.

2. Информация должна пережить прекращение работы использующего ее процесса.

3. К информации должны иметь одновременный доступ несколько процессов.

В качестве долговременного хранилища долгие годы используются магнитные диски. В последние годы растет популярность твердотельных накопителей, поскольку у них нет склонных к поломке движущихся частей. К тому же они предлагают более быстрый произвольный доступ к данным. Также широко используются магнитные ленты и оптические диски, но их производительность значительно ниже, и они обычно используются в качестве резервных хранилищ.

По аналогии с тем, что мы уже видели — как операционная система абстрагируется от понятия процессора, чтобы создать абстракцию процесса, и как она абстрагируется от понятия физической памяти, чтобы предложить процессам виртуальные адресные пространства, — мы можем решить эту проблему с помощью новой абстракции — файла.

Взятые вместе абстракции процессов (и потоков), адресных пространств и файлов являются наиболее важными понятиями, относящимися к операционным системам.

Файлы являются логическими информационными блоками, создаваемыми процессами. На диске обычно содержатся тысячи или даже миллионы не зависящих друг от друга файлов.

Файлами управляет операционная система. Структура файлов, их имена, доступ к ним, их использование, защита, реализация и управление ими являются одними из основных функций операционных систем.

Когда для хранения файлов стали использоваться диски, появилась возможность считывать байты или записи файла вне порядка их размещения или получать доступ к записям по ключу, а не по позиции. Файлы, в которых байты или записи могли быть считаны в любом порядке, стали называть файлами произвольного доступа. Они востребованы многими приложениями.

У каждого файла есть свои имя и данные. Вдобавок к этому все операционные системы связывают с каждым файлом и другую информацию, к примеру дату и время последней модификации файла и его размер. Мы будем называть эти дополнительные сведения атрибутами файла. Также их называют метаданными. Список атрибутов существенно варьируется от системы к системе.

Файлы предназначены для хранения информации с возможностью ее последующего извлечения. Разные системы предоставляют различные операции, позволяющие хранить и извлекать информацию. Далее рассматриваются наиболее распространенные системные вызовы операционной системы, относящиеся к работе с файлами:

---

• Create (Создать). Создает файл без данных. Цель вызова состоит в объявлении о появлении нового файла и установке ряда атрибутов.
• Delete (Удалить). Когда файл больше не нужен, его нужно удалить, чтобы освободить дисковое пространство. Именно для этого и предназначен этот системный вызов.
• Open (Открыть). Перед использованием файла процесс должен его открыть. Цель системного вызова open — дать возможность системе извлечь и поместить в оперативную память атрибуты и перечень адресов на диске, чтобы ускорить доступ к ним при последующих вызовах.
• Close (Закрыть). После завершения всех обращений к файлу потребность в его атрибутах и адресах на диске уже отпадает, поэтому файл должен быть закрыт, чтобы освободить место во внутренней таблице. Многие системы устанавливают максимальное количество открытых процессами файлов, определяя смысл существования этого вызова. Информация на диск пишется блоками, и закрытие файла вынуждает к записи последнего блока файла, даже если этот блок и не заполнен.
• Read (Произвести чтение). Считывание данных из файла. Как правило, байты поступают с текущей позиции. Вызывающий процесс должен указать объем необходимых данных и предоставить буфер для их размещения.
• Write (Произвести запись). Запись данных в файл, как правило, с текущей позиции. Если эта позиция находится в конце файла, то его размер увеличивается. Если текущая позиция находится где-то в середине файла, то новые данные пишутся поверх существующих, которые утрачиваются навсегда.
• Append (Добавить). Этот вызов является усеченной формой системного вызова write. Он может лишь добавить данные в конец файла. Как правило, у систем, предоставляющих минимальный набор системных вызовов, вызов append отсутствует, но многие системы предоставляют множество способов получения того же результата, и иногда в этих системах присутствует вызов append.
• Seek (Найти). При работе с файлами произвольного доступа нужен способ указания места, с которого берутся данные. Одним из общепринятых подходов является применение системного вызова seek, который перемещает указатель файла к определенной позиции в файле. После завершения этого вызова данные могут считываться или записываться с этой позиции.
• Get attributes (Получить атрибуты). Процессу для работы зачастую необходимо считать атрибуты файла. К примеру, имеющаяся в UNIX программа make обычно используется для управления проектами разработки программного обеспечения, состоящими из множества сходных файлов. При вызове программа make проверяет время внесения последних изменений всех исходных и объектных файлов и для обновления проекта обходится компиляцией лишь минимально необходимого количества файлов. Для этого ей необходимо просмотреть атрибуты файлов, а именно время внесения последних изменений.
• Set attributes (Установить атрибуты). Значения некоторых атрибутов могут устанавливаться пользователем и изменяться после того, как файл был создан. Такую возможность дает именно этот системный вызов. Характерным примером может послужить информация о режиме защиты. Под эту же категорию подпадает большинство флагов.
• Rename (Переименовать). Нередко пользователю требуется изменить имя существующего файла. Этот системный вызов помогает решить эту задачу. Необходимость в нем возникает не всегда, поскольку файл может быть просто скопирован в новый файл с новым именем, а старый файл затем может быть удален.

---

Всякая операционная система создает на каждом томе накопителей совокупность системных данных, которая называется файловой системой (файловой структурой).

Файловая система (пустая) создается при инициализации (разметке) тома, затем корректируется ОС (подсистемой управления данными) при текущей работе, в процессе создания, удаления, модификации (увеличения или уменьшения объема) файлов пользователя, содержащих программы или данные.

Файловые системы хранятся на дисках. Большинство дисков может быть разбито на один или несколько разделов, на каждом из которых будет независимая файловая система. Сектор 0 на диске называется главной загрузочной записью (Master Boot Record (MBR)) и используется для загрузки компьютера. В конце MBR содержится таблица разделов. Из этой таблицы берутся начальные и конечные адреса каждого раздела. Один из разделов в этой таблице помечается как активный. При загрузке компьютера BIOS (базовая система ввода-вывода) считывает и выполняет MBR. Первое, что делает программа MBR, — находит расположение активного раздела, считывает его первый блок, который называется загрузочным, и выполняет его. Программа в загрузочном блоке загружает операционную систему, содержащуюся в этом разделе. Для достижения единообразия каждый раздел начинается с загрузочного блока, даже если он не содержит загружаемой операционной системы. Кроме того, в будущем он может содержать какую-нибудь операционную систему.

Таким образом функция управления данными играет ключевую роль в работе операционной системы.

2.3. Управление памятью

Память представляет собой очень важный ресурс, требующий четкого управления.

По мере развития в создании персональных компьютеров была разработана концепция иерархии памяти, согласно которой компьютеры обладают несколькими мегабайтами очень быстродействующей, дорогой и энергозависимой кэш-памяти, несколькими гигабайтами памяти, средней как по скорости, так и по цене, а также несколькими терабайтами памяти на довольно медленных, сравнительно дешевых дисковых накопителях, не говоря уже о сменных накопителях, таких как DVD и флэш-устройства USB. Превратить эту иерархию в абстракцию, то есть в удобную модель, а затем управлять этой абстракцией — и есть задача операционной системы.

Та часть операционной системы, которая управляет иерархией памяти (или ее частью), называется менеджером, или диспетчером, памяти. Он предназначен для действенного управления памятью и должен следить за тем, какие части памяти используются, выделять память процессам, которые в ней нуждаются, и освобождать память, когда процессы завершат свою работу.

---