Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Виды операционных систем).pdf

Таким образом, процесс (в том числе приостановленный) состоит из собственного адресного пространства, которое обычно называют образом памяти, и записи в таблице процессов с содержимым его регистров, а также другой информацией, необходимой для последующего возобновления процесса.

Если процесс способен создавать несколько других процессов (называющихся дочерними процессами), а эти процессы в свою очередь могут создавать собственные дочерние процессы, то перед нами предстает дерево процессов. Связанные процессы, совместно работающие над выполнением какой-нибудь задачи, зачастую нуждаются в обмене данными друг с другом и синхронизации своих действий. Такая связь называется межпроцессорным взаимодействием.

Адресные пространства

Каждый компьютер обладает объемом оперативной памяти, используемой для хранения исполняемых программ. В самых простых операционных системах в памяти присутствует только одна программа. Для запуска второй программы сначала нужно удалить первую, а затем на ее место загрузить в память вторую.

Более изощренные операционные системы позволяют одновременно находиться в памяти нескольким программам. Чтобы исключить взаимные помехи (и помехи работе операционной системы), нужен какой-то защитный механизм. Несмотря на то, что этот механизм должен входить в состав оборудования, управляется он операционной системой.

Вышеупомянутая точка зрения связана с вопросами управления и защиты оперативной памяти компьютера. Другой, но не менее важный вопрос, связанный с памятью, – это управление адресным пространством процессов. Обычно каждому процессу отводится для использования некоторый непрерывный набор адресов, как правило, с нуля и до некоторого максимума. В простейшем случае максимальный объем адресного пространства, выделяемого процессу, меньше объема оперативной памяти. Таким образом, процесс может заполнить свое адресное пространство и для его размещения в оперативной памяти будет достаточно места.

При этом на многих компьютерах используется 32- или 64-разрядная адресация, позволяющая иметь адресное пространство размером 2³² или 2⁶⁴ байт соответственно. Что произойдет, если адресное пространство процесса превышает объем оперативной памяти, установленной на компьютере, а процессу требуется использовать все свое пространство целиком? На первых компьютерах такой процесс неизменно терпел крах. В наше время существует технология виртуальной памяти, при которой операционная система хранит часть адресного пространства в оперативной памяти, а часть – на диске, по необходимости меняя их фрагменты местами. По сути, операционная система создает абстракцию адресного пространства в виде набора адресов, на которые может ссылаться процесс. Адресное пространство отделено от физической памяти машины и может быть как больше, так и меньше нее. Управление адресными пространствами и физической памятью является важной частью работы операционной системы.

Файлы

Другим ключевым понятием, поддерживаемым практически всеми операционными системами, является файловая система. Основная функция операционной системы – скрыть специфику дисков и других устройств ввода-вывода и предоставить программисту удобную и понятную абстрактную модель, состоящую из независимых от устройств файлов. Вполне очевидно, что для создания, удаления, чтения и записи файлов понадобятся системные вызовы. Перед тем как файл будет готов к чтению, он должен быть найден на диске и открыт, а после считывания – закрыт. Для проведения этих операций предусмотрены системные вызовы.

Чтобы предоставить место для хранения файлов, многие операционные системы персональных компьютеров используют каталог как способ объединения файлов в группы. Например, у студента может быть по одному каталогу для каждого изучаемого курса, каталог для электронной почты и еще один – для своей домашней веб-страницы. Для создания и удаления каталогов нужны системные вызовы. Они нужны для помещения в каталог существующего файла и удаления его оттуда. Элементами каталога могут быть либо файлы, либо другие каталоги.

Иерархии файлов, как и иерархии процессов, организованы в виде деревьев. Но на этом их сходство заканчивается. Иерархии процессов не отличаются глубиной (обычно не более трех уровней), а иерархии файлов обычно имеют глубину в четыре, пять и более уровней. Иерархии процессов имеют короткий период существования, в большинстве своем не более нескольких минут, а иерархия каталогов может существовать годами. Определение принадлежности и меры защиты процессов и файлов также имеют различия. Обычно только родительский процесс может управлять дочерним процессом или даже обращаться к нему, но практически всегда существуют механизмы, позволяющие читать файлы и каталоги не только их владельцу, но и более широкой группе пользователей.

Каждый файл, принадлежащий иерархии каталогов, может быть обозначен своим полным именем с указанием пути к файлу, начиная с вершины иерархии – корневого каталога. Этот абсолютный путь состоит из списка каталогов, которые нужно пройти от корневого каталога, чтобы добраться до файла, где в качестве разделителей компонентов служат символы косой черты (слеша).

Ввод-вывод данных

У всех компьютеров имеются физические устройства для получения входной и вывода выходной информации. Действительно, какой будет прок от компьютера, если пользователи не смогут поставить ему задачу и получить результаты по завершении заданной работы? Существует масса разнообразных устройств ввода-вывода: клавиатуры, мониторы, принтеры и т.д. Управление всеми этими устройствами возлагается на операционную систему.

Поэтому у каждой операционной системы для управления такими устройствами существует своя подсистема ввода-вывода. Некоторые программы ввода-вывода не зависят от конкретного устройства, то есть в равной мере подходят для применения со многими устройствами ввода-вывода. Другая часть программ, например драйверы устройств, предназначена для определенных устройств ввода-вывода.

Безопасность

Компьютеры содержат большой объем информации, и часто пользователям нужно защитить ее и сохранить ее конфиденциальность. Возможно, это электронная почта, бизнес-планы, налоговые декларации и многое другое. Управление безопасностью системы возлагается на операционную систему: например, она должна обеспечить доступ к файлам только пользователям, имеющим на это право.

Кроме защиты файлов существует множество других аспектов безопасности. Один из них – это защита системы от нежелательных вторжений как с участием, так и без участия людей (например, путем вирусных атак).

1.3. Структура операционной системы

Монолитные системы

Несомненно, такая организация операционной системы является самой распространенной. Здесь вся операционная система работает как единая программа в режиме ядра. Операционная система написана в виде набора процедур, связанных вместе в одну большую исполняемую программу. При использовании этой технологии каждая процедура может свободно вызвать любую другую процедуру, если та выполняет какое-нибудь полезное действие, в котором нуждается первая процедура. Возможность вызвать любую нужную процедуру приводит к весьма высокой эффективности работы системы, но наличие нескольких тысяч процедур, которые могут вызывать друг друга сколь угодно часто, нередко делает ее громоздкой и непонятной. Кроме того, отказ в любой из этих процедур приведет к аварии всей операционной системы.

Для построения исполняемого файла монолитной системы необходимо сначала скомпилировать все отдельные процедуры (или файлы, содержащие процедуры), а затем связать их вместе, воспользовавшись системным компоновщиком. Здесь, по существу, полностью отсутствует сокрытие деталей реализации – каждая процедура видна любой другой процедуре (в отличие от структуры, содержащей модули или пакеты, в которых основная часть информации скрыта внутри модулей и за пределами модуля его процедуры можно вызвать только через специально определяемые точки входа).

Тем не менее, даже такие монолитные системы могут иметь некоторую структуру. Службы (системные вызовы), предоставляемые операционной системой, запрашиваются путем помещения параметров в четко определенное место (например, в стек), а затем выполняется инструкция trap. Эта инструкция переключает машину из пользовательского режима в режим ядра и передает управление операционной системе. Затем операционная система извлекает параметры и определяет, какой системный вызов должен быть выполнен.

Такая организация предполагает следующую базовую структуру операционной системы:

1. Основная программа, которая вызывает требуемую служебную процедуру;
2. Набор служебных процедур, выполняющих системные вызовы;
3. Набор вспомогательных процедур, содействующих работе служебных программ.

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна ответственная за него служебная процедура, которая его и выполняет. Вспомогательные процедуры выполняют действия, необходимые нескольким служебным процедурам, в частности извлечение данных из пользовательских программ. Таким образом, процедуры делятся на три уровня.

В дополнение к основной операционной системе, загружаемой во время запуска компьютера, многие операционные системы поддерживают загружаемые расширения, в числе которых драйверы устройств ввода-вывода и файловые системы. Эти компоненты загружаются по мере надобности. В UNIX они называются библиотеками общего пользования. В Windows они называются DLL-библиотеками (Dynamic-Link Libraries – динамически подключаемые библиотеки). Они находятся в файлах с расширениями имен .dll, и в каталоге C:\Windows\system32 на системе Windows их более 1000.

Многоуровневые системы

Обобщение подхода, описанного выше, является организация операционной системы в виде иерархии уровней, каждый из которых является надстройкой над нижележащим уровнем. Первой системой, построенной таким образом, была система THE, созданная в Technische Hogeschool Eindhoven в Голландии Э. Дейкстрой (E.W. Dijkstra) и его студентами в 1968 году. Система THE была простой пакетной системой для голландского компьютера Electrologica X8, имевшего память 32К 27-пазрядных слов. У системы было шесть уровней. Уровень 0 занимался распределением ресурса процессора (процессорного времени), переключением между процессами при возникновении прерываний или истечении времени таймера. Над уровнем 0 система состояла из последовательных процессов, каждый из которых мог быть запрограммирован без учета того, что несколько процессов были запущены на одном процессоре. Иными словами, уровень 0 обеспечивал основу многозадачности центрального процессора.

Уровень 1 управлял памятью. Он выделял процессам пространство в основной памяти и на магнитном барабане емкостью 512К слов, который использовался для хранения частей процесса (страниц), не умещавшихся в оперативной памяти. Программное обеспечение уровня 1 обеспечивает помещение страниц в память в то время, когда они необходимы, и удаление их из памяти, когда они не нужны.

Уровень 2 управлял связью каждого процесса с консолью оператора (то есть с пользователем). Над этим уровнем каждый процесс фактически имел собственную консоль оператора. Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизацией информационных потоков в обоих направлениях. Над третьим уровнем каждый процесс мог работать с абстрактными устройствами ввода-вывода, имеющими определенные свойства. На уровне 4 работали пользовательские программы, которым не надо было заботиться о процессах, памяти, консоли или управлении вводом-выводом. Процесс системного оператора размещался на уровне 5.

Микроядра

При использовании многоуровневого подхода разработчикам необходимо выбрать, где провести границу между режимами ядра и пользователя. Традиционно все уровни входили в ядро, но это было не обязательно. Существуют очень весомые аргументы в пользу того, чтобы в режиме ядра выполнялось как можно меньше процессов, поскольку ошибки в ядре могут вызвать немедленный сбой системы. Для сравнения: пользовательские процессы могут быть настроены на обладание меньшими полномочиями, чтобы их ошибки не носили фатального характера.

Замысел, положенный в основу конструкции микроядра, направлен на достижение высокой надежности за счет разбиения операционной системы на небольшие, вполне определенные модули. Только один из них – микроядро запускается в режиме ядра, а все остальные запускаются в виде относительно слабо наделенных полномочиями обычных пользовательских процессов. В частности, если запустить каждый драйвер устройства и файловую систему как отдельные пользовательские процессы, то ошибка в одном из них может вызвать отказ соответствующего компонента, но не сможет вызвать сбой всей системы. Таким образом, ошибка в драйвере звукового устройства приведет к искажению или пропаданию звука, но не вызовет зависания компьютера. В отличие от этого в монолитной системе, где все драйверы находятся в ядре, некорректный драйвер звукового устройства может запросто сослаться на неверный адрес памяти и привести систему к немедленной вынужденной остановке.