ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

1. Что такое операционная система?

 

Большинство пользователей компьютеров имеют некоторый опыт общения с опе­рационной системой, но обычно они испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системы. В известной степени проблема связана с тем, что операционные системы выполняют две основные, но практически не связан­ные между собой функции: расширение возможностей машины и управление ее ресурсами. И в зависимости от того, какому пользователю вы зададите вопрос, вы услышите в ответ больше или об одной функции, или о другой. Давайте рассмот­рим обе функции.

 

1.1. Операционная система как расширенная машина

 

Архитектура (система команд, организация памя­ти, ввод-вывод данных и структура шин) большинства компьютеров на уровне машинного языка примитивна и неудобна для работы с программами, особенно в процессе ввода-вывода данных. Чтобы это утверждение не показалось голослов­ным, кратко рассмотрим пример того, как происходит ввод-вывод данных с гибкого диска через совместимые микросхемы контроллера NEC PD765, используемые на большинстве персональных компьютеров с процессором Intel. Контрол­лер PD765 имеет 16 команд, каждая задается передачей от 1 до 9 байт в регистр устройства. Это команды для чтения и записи данных, перемещения головки диска и форматирования дорожек, а также для инициализации, распознавания, уста­новки в исходное положение и калибровки контроллера и приводов.

Основными командами являются команды read и write (чтение и запись). Каж­дая из них требует 13 параметров, упакованных в 9 байт. Эти параметры опреде­ляют такие элементы, как адрес блока на диске, который нужно прочитать, коли­чество секторов на дорожке, физический режим записи, расстановку промежутков между секторами. Они же сообщают, что делать с меткой адреса данных, которые были удалены. Когда выполнение операции завершается, чип контроллера возвращает упакованные в 7 байт 23 параметра, отражающие на­личие и типы ошибок. Но этого не достаточно, и программист при работе с гибким диском должен также постоянно знать, включен двигатель или нет. Если двига­тель выключен, его следует включить (с длительным ожиданием запуска) прежде, чем данные будут прочитаны или записаны. Двигатель не может оставаться вклю­ченным слишком долго, так как гибкий диск изнашивается. Программист вынуж­ден выбирать между длинными задержками во время загрузки и изнашивающи­мися гибкими дисками (с вероятностью потери данных на них).

Даже если не вдаваться глубже в подробности этого процесса, становится ясно, что обыкновенный программист вряд ли захочет столкнуться с такими деталями при работе с гибким диском (или жестким диском, работа с ним не менее сложна). Вместо этого программисту нужны простые высокоуровневые абстракции. В слу­чае работы с дисками типичной абстракцией является коллекция именованных файлов, содержащихся на диске. Каждый файл может быть открыт для чтения или записи, прочитан или записан, а потом закрыт. А такие детали, как текущее состоя­ние двигателя или использование при записи модифицированной частотной моду­ляции, не должны содержаться в абстракции, предстающей перед пользователем.

Программа, скрывающая истину об аппаратном обеспечении и представляю­щая простой список поименованных файлов, которые можно читать и записывать, и является операционной системой. Операционная система не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой, ориен­тированный на работу с файлами интерфейс, но и скрывает множество неприятной работы с прерываниями, счетчиками времени, организацией памяти и другими элементами низкого уровня. В каждом случае абстракция, предлагаемая операци­онной системой, намного проще и удобнее в обращении, чем-то, что может предло­жить нам непосредственно основное оборудование.

С точки зрения пользователя операционная система выполняет функцию рас­ширенной машины или виртуальной машины, в которой проще программировать и легче работать, чем непосредственно с аппаратным обеспечением, составляющим реальный компьютер. То, каким образом операционная система достигает своей цели – долгая история, но мы подробно рассмотрим этот процесс в нашей книге. Подведем итог вышесказанному: операционная система предоставляет нам ряд возможностей, которые могут использовать программы с помощью специальных команд, называемых системными вызовами.

 

1.2. Операционная система как менеджер ресурсов

 

Концепция, рассматривающая операционную систему, прежде всего как удобный интерфейс пользователя, – это взгляд сверху вниз. Альтернативный взгляд, снизу вверх, дает представление об операционной системе как о механизме, присутству­ющем в устройстве компьютера для управления всеми частями этой сложнейшей машины. Современные компьютеры состоят из процессоров, памяти, датчиков времени, дисков, мыши, сетевого интерфейса, принтеров и огромного количества других устройств. В соответствии со вторым подходом работа операционной сис­темы заключается в обеспечении организованного и контролируемого распреде­ления процессоров, памяти и устройств ввода-вывода между различными про­граммами, состязающимися за право их использовать.

Представьте, что случилось бы, если бы на одном компьютере оказались рабо­тающими три программы и все они одновременно попытались бы напечатать свои выходные данные на одном и том же принтере. Возможно, первые несколько строк на листе появились бы от первой программы, следующие несколько – из второй программы, затем бы следовало несколько строк от третьей программы и т. д. В ре­зультате получилась бы полная неразбериха. Операционная система наводит по­рядок в подобных ситуациях, буферизируя на диске все данные, предназначенные для печати. В процессе работы программы операционная система сохраняет ее выходные данные на диске во временном файле. Затем, по окончании работы этой программы, система отправляет данные на принтер, в то время как другая програм­ма может продолжать формировать свои выходные данные, не обращая внимания на то, что они пока еще фактически не посылаются на печатающее устройство.

Когда компьютером (или сетью) пользуются несколько пользователей, необхо­димость в управлении памятью, устройствами ввода-вывода, другими ресурсами и их защите сильно возрастает, поскольку пользователи могут обращаться к ним в абсолютно непредсказуемом порядке. К тому же часто приходится распределять между пользователями не только оборудование, но и информацию (файлы, базы данных и т. д.). С этой точки зрения основная задача операционной системы за­ключается в отслеживании того, кто и какой ресурс использует, в обработке зап­росов на ресурсы, в подсчете коэффициента загрузки и разрешении проблем кон­фликтующих запросов от различных программ и пользователей.

Управление ресурсами включает в себя их мультиплексирование (распределе­ние) двумя способами: во времени и в пространстве. Когда ресурс распределяется во времени, различные пользователи и программы используют его по очереди. Сначала один из них получает доступ к использованию ресурса, потом другой и т. д. Например, несколько программ хотят обратиться к центральному процессору. В этой ситуации операционная система сначала разрешает доступ к процессору одной программе, затем, после того как она поработала достаточное время, другой программе, затем следующей и, в конце концов, опять первой. Определение того, как долго ресурс будет использоваться во времени, кто будет следующим и на какое время ему предоставляется ресурс – это задача операционной системы. Еще один пример временного мультиплексирования – распределение заданий, посы­лаемых для печати на принтер. Когда задания выстраиваются в очередь для печати на одном принтере, операционной системе каждый раз нужно принимать решение о том, которое из них будет печататься следующим.

Другой вид распределения – это пространственное мультиплексирование. Вместо поочередной работы каждый клиент получает часть ресурса. Обычно опе­ративная память разделяется между несколькими работающими программами, так что все они одновременно могут постоянно находиться в памяти (например, исполь­зуя центральный процессор по очереди). Если предположить, что памяти дос­таточно для того, чтобы хранить несколько программ, эффективнее разместить в памяти сразу несколько программ, чем выделить всю память одной программе, особенно если ей нужна лишь небольшая часть имеющейся памяти. Конечно, при этом возникают проблемы справедливого распределения, защиты памяти и т. д., и для разрешения подобных вопросов существует операционная система. Другой ресурс, распределяемый пространственно, – это диск (жесткий). Во многих систе­мах один диск в одно и то же время может содержать файлы нескольких пользова­телей. Распределение дискового пространства и отслеживание того, кто какие бло­ки диска использует, является типичной задачей управления ресурсами, которую также выполняет операционная система.

 

 

2. Зоопарк операционных систем

 

Развитие компьютеров привело к появлению огромного количества различных операционных систем, далеко не все из которых широко известны. В этом разделе мы кратко рассмотрим семь из них.

 

2.1. Операционные системы мэйнфреймов

 

На самом верхнем уровне находятся операционные системы для мэйнфреймов. Эти компьютеры размером с комнату все еще можно встретить в центрах данных больших корпораций. Мэйнфреймы отличаются от персональных компьютеров по своим возможностям ввода-вывода. Довольно часто встречаются мэйнфреймы с тысячью дисков и терабайтами данных, а персональный компьютер с такими параметрами показался бы действительно необычным. Мэйнфреймы как бы возвращаются в виде мощных web-серверов, серверов для крупномасштабных электронно-коммерческих сайтов и серверов для транзакций в бизнесе.

Операционные системы для мэйнфреймов в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода-вывода. Обычно они предлагают три вида обслуживания: пакетную обработку, обработку транзакций (групповые операции) и разделение времени. Пакетная обработка представляет собой систему, выполняющую стандартные задания без присутствия пользователей, работающих в интерактивном режиме. Обработка исков в страховых компаниях или составление отчетов о продажах для цепи магазинов – это типичные задания, обрабатываемые в пакетном режиме. Системы обработки транзакций управляют очень большим количеством маленьких запросов, например контролируют процесс работы в банке или бронирование авиабилетов. Каждый отдельный запрос невелик, но система должна отвечать на сотни или тысячи запросов в секунду. Системы, работающие в режиме разделения времени, позволяют множеству удаленных пользователей одновременно выполнять свои задания на одной машине. Хорошим примером является работа с большой базой данных. Все эти функции тесно связаны между собой, и зачастую операционная система мэйнфрейма выполняет их все. Примером операционной системы для мэйнфрейма является OS/390, произошедшая от OS/360.

 

 

2.2. Серверные операционные системы

 

Уровнем ниже находятся серверные операционные системы. Они работают на серверах, которые представляют собой или очень большие персональные компьютеры, или рабочие станции, или даже мэйнфреймы. Они одновременно обслуживают множество пользователей и позволяют им делить между собой программные и аппаратные ресурсы. Серверы предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или Интернетом. Интернет-провайдеры обычно запускают в работу несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновременный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы web-сайтов и обрабатываются входящие запросы. UNIX и Windows 2000 являются типичными серверными операционными системами. Теперь в этих целях стала использоваться и операционная система Linux.

 

2.3. Многопроцессорные операционные системы

 

Все более часто применяемый способ увеличения мощности компьютеров заключается в соединении нескольких центральных процессоров в одной системе. В зависимости от вида соединения процессоров и разделения работы такие системы называются параллельными компьютерами, мультикомпьютерами или многопроцессорными системами. Для них требуются специальные операционные системы, но зачастую такие операционные системы представляют собой варианты серверных операционных систем со специальными возможностями связи.

 

2.4. Операционные системы для персональных компьютеров

 

Следующую категорию составляют операционные системы для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Такие системы широко используются для работы с текстом, электронными таблицами и доступа к Интернету. Наиболее яркие примеры – это Windows 98, Windows 2000, операционная система компьютера Macintosh и Linux. Операционные системы для персональных компьютеров настолько хорошо известны, что вряд ли необходимо представлять здесь их краткий обзор. На самом деле множество людей даже не имеет понятия о существовании других видов операционных систем, кроме той, которой они пользуются.

 

2.5. Операционные системы реального времени

 

Еще один вид операционной системы – это системы реального времени. Главным параметром таких систем является время. Например, в системах управления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и используют их для управления машинами на фабрике. Часто такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям. Так, если автомобиль передвигается по конвейеру, то каждое действие должно быть осуществлено в строго определенный момент времени. Если сварочный робот сварит шов слишком рано или слишком поздно, то нанесет непоправимый вред машине. Если некоторое действие должно произойти в конкретный момент времени (или внутри заданного диапазона времени), мы имеем дело с жесткой системой реального времени.

Существует и другой вид: гибкая система реального времени, в которой допустимы случающиеся время от времени пропуски сроков выполнения операции. В эту категорию попадают цифровое аудио и мультимедийные системы. Системы VxWorks и QNX являются хорошо известными операционными системами реального времени.

 

2.6. Встроенные операционные системы

 

Продолжая двигаться от огромных систем ко все меньшим, мы добрались до «карманных» компьютеров и встроенных систем. Карманный компьютер или PDA (Personal Digital Assistant – персональный цифровой помощник) – это маленький компьютер, помещающийся в кармане брюк, выполняющий небольшой набор функций (телефонной записной книжки и блокнота). Встроенные системы, управляющие действиями устройств, работают на машинах, обычно не считающихся компьютерами, например в телевизорах, микроволновых печах и мобильных телефонах. Они часто обладают теми же самыми характеристиками, что и системы реального времени, но при этом имеют особый размер, память и ограничения мощности, что выделяет их в отдельный класс. Примерами таких операционных систем являются PalmOS и Windows СЕ (Consumer Electronics – бытовая техника).

 

2.7. Операционные системы для смарт-карт

 

Самые маленькие операционные системы работают на смарт-картах, представляющих собой устройство размером с кредитную карту, содержащее центральный процессор. На такие операционные системы накладываются крайне жесткие ограничения по мощности процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, но другие операционные системы на тех же самых смарт-картах выполняют сложные функции. Зачастую они являются патентованными системами.

Некоторые смарт-карты являются Java-ориентированными. Это означает, что ПЗУ (постоянная память, по-английски она называется ROM, Read Only Memory – память только для чтения) смарт-карт содержит интерпретатор виртуальной машины Java (JVM, Java Virtual Machine). Апплеты Java (маленькие программы) загружаются на карту и выполняются JVM-интерпретатором. Некоторые из таких карт могут одновременно управлять несколькими апплетами Java, что приводит к многозадачности и необходимости планирования. Из-за одновременной работы двух и более программ возникает необходимость в управлении ресурсами и защитой. Соответственно, все эти задачи выполняет обычно крайне примитивная операционная система, находящаяся на смарт-карте.

 

 

3. Понятия операционной системы

 

Для каждой операционной системы существует набор базовых понятий, например процессы, память и файлы, которые являются самыми важными для понимания общей идеи. В следующих разделах мы рассмотрим некоторые из них по возможности кратко, как это должно быть сделано во введении. Позже мы вернемся к каждому из них и рассмотрим в деталях. Для иллюстрации этих понятий время от времени мы будем использовать примеры, в основном взятые из системы UNIX. Но аналогичные примеры можно найти и в других системах.

 

3.1. Процессы

 

Ключевое понятие операционной системы – процесс. Процессом, по существу, называют программу в момент выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство – список адресов в памяти от некоторого минимума (обычно нуля) до некоторого максимума, которые процесс может прочесть и в которые он может писать. Адресное пространство содержит саму программу, данные к ней и ее стек. Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, указатель стека и другие аппаратные регистры, плюс вся остальная информация, необходимая для запуска программы.

Для того, чтобы интуитивно осознать, что это такое, вспомним о системах, работающих в режиме разделения времени. Предположим, периодически операционная система решает остановить работу одного процесса и запустить другой, потому что первый израсходовал отведенную для него часть рабочего времени центрального процессора в прошедшую секунду.

Если процесс был приостановлен подобным образом, позже он должен быть запущен заново из того же состояния, в каком его остановили. Следовательно, всю информацию о процессе нужно где-либо явно сохранить на время его приостановки. Например, процесс может иметь открытыми для чтения несколько файлов одновременно. Связанный с каждым файлом указатель дает текущую позицию (то есть номер байта или записи, которые будут прочитаны следующими). При временном прекращении процесса все указатели нужно сохранить так, чтобы команда чтения, выполненная после возобновления процесса, прочла правильные данные. Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, дополнительная к содержимому его собственного адресного пространства, хранится в таблице операционной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представляет собой массив (или связанный список) структур, по одной на каждый существующий в данный момент процесс.

Таким образом, приостановленный процесс состоит из собственного адресного пространства, обычно называемого образом памяти (core image, core в переводе означает «сердечник», в честь использовавшейся давным-давно памяти на магнитных сердечниках), и компонентов таблицы процесса, содержащей, помимо других величин, его регистры.

Главными системными вызовами, управляющими процессами, являются вызовы, связанные с созданием и окончанием процессов. Рассмотрим типичный пример. Процесс, называемый интерпретатором команд или оболочкой (shell), читает команды с терминала. Пользователь только что напечатал команду, содержащую запрос на компиляцию программы. Теперь оболочка должна создать новый процесс, который запустит компилятор. Когда процесс закончит компиляцию, он выполнит системный вызов, завершающий его собственную работу.

Если процесс может создавать несколько других процессов (называющихся дочерними процессами), а эти процессы, в свою очередь, тоже могут создать дочерние процессы, перед нами предстает дерево процессов, изображенное на рис. 1. Связанные процессы – это те, которые объединены для выполнения некоторой задачи, и им нужно часто передавать данные от одного к другому и синхронизировать свою деятельность. Такая связь называется межпроцессным взаимодействием.

 

Рис. 1. Дерево процесса. Процесс А создал два дочерних процесса В и С. Процесс В создал три дочерних процесса D, Е и F

 

Другие системные вызовы предназначаются для запросов о предоставлении дополнительной памяти (или освобождении не использующейся памяти), ожидании завершения дочерних процессов и наложении одной программы на другую.

Время от времени необходимо передавать информацию работающему процессу так, чтобы он не простаивал в ожидании получения этой информации. Например, процесс, связанный с другим процессом на удаленном компьютере, делает это, посылая сообщения по сети. Чтобы предотвратить возможность потери сообщения или ответа на него, отправитель может потребовать от собственной операционной системы уведомления, если по истечении определенного интервала ожидания не будет получено подтверждение о получении сообщения. В этом случае он сможет повторить отправку сообщения. После установки таймера программа продолжит выполнение другой работы.

Если по истечении определенного количества секунд ответа нет, операционная система посылает процессу сигнал тревоги. Сигнал вызывает временную остановку работы процесса независимо от того, что процесс делает в данный момент; сохраняет его регистры в стеке и запускает специальную процедуру обработки сигнала (например, передающую повторно предположительно потерянное сообщение). После завершения обработки сигнала работающий процесс запускается заново в том состоянии, в котором он находился до сигнала. Сигналы являются программными аналогами аппаратных прерываний и могут быть сгенерированы по различным причинам, а не только из-за истечения какого-либо интервала времени. Многие аппаратные прерывания (например, вызванные выполнением недопустимой команды или использованием неправильного адреса) также преобразуются в сигналы процессу, в котором произошла ошибка.

Каждому пользователю, которому разрешено пользоваться системой, системный администратор присваивает UID (User IDentification – идентификатор пользователя). У каждого работающего процесса есть идентификатор пользователя, запустившего его. Дочерний процесс получает тот же самый UID, что и его родитель. Пользователи могут становиться членами групп, каждая из которых имеет идентификатор группы (GID, Group IDentification).

Пользователь с особым идентификатором UID, называемый в UNIX «суперпользователем» (superuser), имеет особые полномочия и может игнорировать множество правил защиты. В огромных системах только системный администратор знает пароль, необходимый для того, чтобы стать суперпользователем. Однако множество обыкновенных пользователей (особенно студенты) тратят значительное количество времени и труда на то, чтобы найти брешь в системе, которая позволит им стать суперпользователями без пароля.