Добавлен: 29.10.2018
Просмотров: 45400
Скачиваний: 168
Оглавление
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
От издательства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Об авторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Глава 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.1. Что такое операционная система? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.1.1. Операционная система как расширенная машина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.1.2. Операционная система в качестве менеджера ресурсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2. История операционных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.1. Первое поколение (1945–1955): электронные лампы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2.2. Второе поколение (1955–1965): транзисторы и системы пакетной обработки . . 29
1.2.3. Третье поколение (1965–1980): интегральные схемы и многозадачность . . . . . . 31
1.2.4. Четвертое поколение (с 1980 года по наши дни): персональные компьютеры . . . 36
1.2.5. Пятое поколение (с 1990 года по наши дни): мобильные компьютеры . . . . . . . . . 41
1.3. Обзор аппаратного обеспечения компьютера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.3.1. Процессоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.2. Многопоточные и многоядерные микропроцессоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.3.3. Память . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.3.4. Диски . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.3.5. Устройства ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.3.6. Шины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.3.7. Загрузка компьютера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.4. Зоопарк операционных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.4.1. Операционные системы мейнфреймов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.4.2. Серверные операционные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.4.3. Многопроцессорные операционные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.4.4. Операционные системы персональных компьютеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.4.5. Операционные системы карманных персональных компьютеров . . . . . . . . . . . . . 61
1.4.6. Встроенные операционные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.4.7. Операционные системы сенсорных узлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.4.8. Операционные системы реального времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
1.4.9. Операционные системы смарт-карт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.5. Понятия операционной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.5.1. Процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.5.2. Адресные пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.5.3. Файлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.5.4. Ввод-вывод данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
1.5.5. Безопасность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
1.5.6. Оболочка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
1.5.7. Онтогенез повторяет филогенез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.6. Системные вызовы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.6.1. Системные вызовы для управления процессами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1.6.2. Системные вызовы для управления файлами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
1.6.3. Системные вызовы для управления каталогами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Оглавление
7
1.6.4. Разные системные вызовы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.6.5. Windows Win32 API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.7. Структура операционной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
1.7.1. Монолитные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
1.7.2. Многоуровневые системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
1.7.3. Микроядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
1.7.4. Клиент-серверная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
1.7.5. Виртуальные машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
1.7.6. Экзоядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
1.8. Устройство мира согласно языку C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
1.8.1. Язык С . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
1.8.2. Заголовочные файлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.8.3. Большие программные проекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.8.4. Модель времени выполнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
1.9. Исследования в области операционных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
1.10. Краткое содержание остальных глав этой книги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
1.11. Единицы измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
1.12. Краткие выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Глава 2. Процессы и потоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.1. Процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.1.1. Модель процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
2.1.2. Создание процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.1.3. Завершение процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.1.4. Иерархии процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.1.5. Состояния процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
2.1.6. Реализация процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.1.7. Моделирование режима многозадачности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.2. Потоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
2.2.1. Применение потоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
2.2.2. Классическая модель потоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
2.2.3. Потоки в POSIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
2.2.4. Реализация потоков в пользовательском пространстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
2.2.5. Реализация потоков в ядре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
2.2.6. Гибридная реализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
2.2.7. Активация планировщика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
2.2.8. Всплывающие потоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
2.2.9. Превращение однопоточного кода в многопоточный . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.3. Взаимодействие процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
2.3.1. Состязательная ситуация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.3.2. Критические области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
2.3.3. Взаимное исключение с активным ожиданием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.3.4. Приостановка и активизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
2.3.5. Семафоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2.3.6. Мьютексы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
2.3.7. Мониторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
2.3.8. Передача сообщений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
2.3.9. Барьеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
2.3.10. Работа без блокировок: чтение — копирование — обновление . . . . . . . . . . . . . 177
2.4. Планирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
2.4.1. Введение в планирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
2.4.2. Планирование в пакетных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
8
Оглавление
2.4.3. Планирование в интерактивных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
2.4.4. Планирование в системах реального времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
2.4.5. Политика и механизмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
2.4.6. Планирование потоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
2.5. Классические задачи взаимодействия процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
2.5.1. Задача обедающих философов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
2.5.2. Задача читателей и писателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
2.6. Исследования, посвященные процессам и потокам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
2.7. Краткие выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Глава 3. Управление памятью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.1. Память без использования абстракций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.2. Абстракция памяти: адресные пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
3.2.1. Понятие адресного пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
3.2.2. Свопинг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.2.3. Управление свободной памятью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
3.3. Виртуальная память . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
3.3.1. Страничная организация памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
3.3.2. Таблицы страниц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
3.3.3. Ускорение работы страничной организации памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3.3.4. Таблицы страниц для больших объемов памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
3.4. Алгоритмы замещения страниц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
3.4.1. Оптимальный алгоритм замещения страниц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
3.4.2. Алгоритм исключения недавно использовавшейся страницы . . . . . . . . . . . . . . . 245
3.4.3. Алгоритм «первой пришла, первой и ушла» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
3.4.4. Алгоритм «второй шанс» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
3.4.5. Алгоритм «часы» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
3.4.6. Алгоритм замещения наименее востребованной страницы . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
3.4.7. Моделирование LRU в программном обеспечении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
3.4.8. Алгоритм «рабочий набор» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
3.4.9. Алгоритм WSClock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
3.4.10. Краткая сравнительная характеристика алгоритмов замещения страниц . . . . 256
3.5. Разработка систем страничной организации памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
3.5.1. Сравнительный анализ локальной и глобальной политики . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
3.5.2. Управление загрузкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
3.5.3. Размер страницы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
3.5.4. Разделение пространства команд и данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
3.5.5. Совместно используемые страницы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
3.5.6. Совместно используемые библиотеки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
3.5.7. Отображаемые файлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
3.5.8. Политика очистки страниц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
3.5.9. Интерфейс виртуальной памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
3.6. Проблемы реализации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
3.6.1. Участие операционной системы в процессе подкачки страниц . . . . . . . . . . . . . . 270
3.6.2. Обработка ошибки отсутствия страницы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
3.6.3. Перезапуск команды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
3.6.4. Блокировка страниц в памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
3.6.5. Резервное хранилище . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
3.6.6. Разделение политики и механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
3.7. Сегментация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
3.7.1. Реализация чистой сегментации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Оглавление
9
3.7.2. Сегментация со страничной организацией памяти: система MULTICS . . . . . . . . 281
3.7.3. Сегментация со страничной организацией памяти: система Intel x86 . . . . . . . . . 285
3.8. Исследования в области управления памятью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
3.9. Краткие выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Глава 4. Файловые системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
4.1. Файлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
4.1.1. Имена файлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
4.1.2. Структура файла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
4.1.3. Типы файлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
4.1.4. Доступ к файлам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
4.1.5. Атрибуты файлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
4.1.6. Операции с файлами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
4.1.7. Пример программы, использующей файловые системные вызовы . . . . . . . . . . . 312
4.2. Каталоги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
4.2.1. Системы с одноуровневыми каталогами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
4.2.2. Иерархические системы каталогов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
4.2.3. Имена файлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
4.2.4. Операции с каталогами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
4.3. Реализация файловой системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
4.3.1. Структура файловой системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
4.3.2. Реализация файлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
4.3.3. Реализация каталогов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
4.3.4. Совместно используемые файлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
4.3.5. Файловые системы с журнальной структурой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
4.3.6. Журналируемые файловые системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
4.3.7. Виртуальные файловые системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
4.4. Управление файловой системой и ее оптимизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
4.4.1. Управление дисковым пространством . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
4.4.2. Резервное копирование файловой системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
4.4.3. Непротиворечивость файловой системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
4.4.4. Производительность файловой системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
4.4.5. Дефрагментация дисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
4.5. Примеры файловых систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
4.5.1. Файловая система MS-DOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
4.5.2. Файловая система UNIX V7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
4.5.3. Файловые системы компакт-дисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
4.6. Исследования в области файловых систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
4.7. Краткие выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
Вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
Глава 5. Ввод и вывод информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
5.1. Основы аппаратного обеспечения ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
5.1.1. Устройства ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
5.1.2. Контроллеры устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
5.1.3. Ввод-вывод, отображаемый на пространство памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
5.1.4. Прямой доступ к памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
5.1.5. Еще раз о прерываниях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
10
Оглавление
5.2. Принципы создания программного обеспечения ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
5.2.1. Задачи, стоящие перед программным обеспечением ввода-вывода . . . . . . . . . 395
5.2.2. Программный ввод-вывод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
5.2.3. Ввод-вывод, управляемый прерываниями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
5.2.4. Ввод-вывод с использованием DMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
5.3. Уровни программного обеспечения ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
5.3.1. Обработчики прерываний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
5.3.2. Драйверы устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
5.3.3. Программное обеспечение ввода-вывода, не зависящее
от конкретных устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
5.3.4. Программное обеспечение ввода-вывода, работающее в пространстве
пользователя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
5.4. Диски . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
5.4.1. Аппаратная часть дисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
5.4.2. Форматирование диска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
5.4.3. Алгоритмы планирования перемещения блока головок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
5.4.4. Обработка ошибок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
5.4.5. Стабильное хранилище данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
5.5. Часы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
5.5.1. Аппаратная составляющая часов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
5.5.2. Программное обеспечение часов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
5.5.3. Программируемые таймеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
5.6. Пользовательский интерфейс: клавиатура, мышь, монитор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
5.6.1. Программное обеспечение ввода информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
5.6.2. Программное обеспечение вывода информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
5.7. Тонкие клиенты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
5.8. Управление энергопотреблением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
5.8.1. Роль оборудования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
5.8.2. Роль операционной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
5.8.2. Роль прикладных программ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
5.9. Исследования в области ввода-вывода данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
5.10. Краткие выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
Вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
Глава 6. Взаимоблокировка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
6.1. Ресурсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
6.1.1. Выгружаемые и невыгружаемые ресурсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
6.1.2. Получение ресурса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
6.2. Введение во взаимоблокировки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
6.2.1. Условия возникновения ресурсных взаимоблокировок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
6.2.2. Моделирование взаимоблокировок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
6.3. Страусиный алгоритм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
6.4. Обнаружение взаимоблокировок и восстановление работоспособности . . . . . . . . . . . 497
6.4.1. Обнаружение взаимоблокировки при использовании одного ресурса
каждого типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
6.4.2. Обнаружение взаимоблокировки при использовании нескольких ресурсов
каждого типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
6.4.3. Выход из взаимоблокировки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
6.5. Уклонение от взаимоблокировок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
6.5.1. Траектории ресурса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
6.5.2. Безопасное и небезопасное состояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
6.5.3. Алгоритм банкира для одного ресурса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
6.5.4. Алгоритм банкира для нескольких типов ресурсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508