Обзор функций ОС: управление памятью, файлами, процессами, сетями, командными интерпретаторами, сервисы ОС, системные вызовы. Уровни абстракции ОС. Архитектура UNIX и MS-DOS

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

В данной лекции мы продолжаем обзор основной функциональности операционной системы. Рассмотрены также архитектура MS-DOS и UNIX и подход к разработке операционных систем на основе уровней абстракции.

Управление основной памятью

Основную (оперативную) память компьютерной системы можно рассматривать как большой массив слов или байтов, каждый из которых имеет свой адрес. Память - это хранилище данных с быстрым доступом, совместно используемое процессором и устройствами ввода-вывода.

Следует иметь в виду важную особенность основной памяти. В компьютерных архитектурах имеется два различных способа нумерации байтов в слове. По традиции будем представлять себе память как линейный массив, расположенный "слева направо", такой, что адреса слов, находящихся левее, меньше, чем адреса слов, находящихся правее. Каждое слово делится на байты, имеющие в слове свои номера – 0, 1 и т.д.. Например, в 64-разрядных системах в слове 8 байтов, с номерами от 0 до 7, в более старых 16-разрядных (x86) – два байта, с номерами 0 и 1. Если нумерация байтов в слове начинается слева, т.е. начиная со старших битов, то такую архитектуру принято называть big endian, если же справа, т.е. начиная с младших битов, то little endian.Например, при big endian – архитектуре 32-разрядного процессора байты двух соседних слов памяти нумеруются так: 0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3.При little endian же архитектуре нумерация будет иной: 3, 2, 1, 0, 3, 2, 1, 0.Представим теперь, что мы хотим рассматривать эти же два слова как массив байтов длиной 8 и записать туда байт за байтом символы строки: "ЭТОТЕКСТ" (всего – 8 символов). Такая операция при обеих архитектурах будет выполнена одинаково, т.е. последовательные байты получат именно эти значения. Затем рассмотрим результат снова, но уже как последовательность их двух слов. Каково будет содержимое этих слов? При big endian – архитектуре сюрпризов не будет: первое слово – " ЭТОТ",второе "ЕКСТ".Однако при little endian – архитектуре результат будет совсем иным: первое слово – "ТОТЭ",второе – " ТСКЕ"!Не забудем, что при обработке целого слова в little endian – архитектуре байты как бы "переставляются" в обратном порядке. Разумеется, это неудобно. С подобной проблемой автор столкнулся при переносе написанного им компилятора с архитектуры SPARC (big endian) на архитектуру Intel x86 (little endian), используя типы byte и word на Турбо-Паскале. Подобная операция типична для системных программ, например, таблица идентификаторов в компиляторе должна содержать как символы идентификатора (последовательность байтов), так и другую информацию о нем (длину, ссылки в различные таблицы и т.д.). Поэтому при little endian – архитектуре приходится хранить и обрабатывать байтовые массивы и массивы слов отдельно, и нельзя изменять точку зрения на одну и ту же область памяти и рассматривать ее то как массив байтов, то как массив слов.

Пример little endian – архитектуры – x86. Пример big endian – архитектуры – SPARC. При программировании на языках высокого уровня разработчику, как правило, не приходится учитывать это различие. Однако если при реализации распределения памяти требуется одну и ту же область памяти рассматривать то как массив слов, то как массив байтов, то для little endian – архитектур могут быть "сюрпризы", связанные с тем, что при записи в память как в массив слов байты как бы переставляются.

Основная память – это неустойчивое ( volatile ) устройство памяти. Ее содержимое теряется при сбое системы или при выключении питания. Для организации устойчивой памяти используются другие, более медленные технологии.

ОС отвечает за следующие действия, связанные с управлением памятью:

• Отслеживание того, какие части памяти в данный момент используются и какими процессами. Как правило, ОС организует для каждого процесса свою виртуальную память – расширение основной памяти путем хранения ее образа на диске и организации подкачки в основную память фрагментов (страниц или сегментов) виртуальной памяти процесса и ее откачки по мере необходимости.
• Стратегия загрузки процессов в основную память, по мере ее освобождения. При активизации процесса и его запуске или продолжении его выполнения процесс должен быть загружен в основную память, что и осуществляется операционной системой. При этом, возможно, какие-либо не активные в данный момент процессы приходится откачивать на диск.
• Выделение и освобождение памяти по мере необходимости. ОС обслуживает запросы вида "выделить область основной памяти длиной n байтов" и "освободить область памяти, начинающуюся с заданного адреса, длиной m байтов". Длина участков выделяемой и освобождаемой памяти может быть различной. ОС хранит список занятой и свободной памяти. При интенсивном использовании памяти может возникнуть ее фрагментация – дробление на мелкие свободные части, вследствие того, что при запросах на выделение памяти длина найденного сегмента оказывается немного больше, чем требуется, и остаток сохраняется в списке свободной памяти как область небольшого размера (подчас всего 1 – 2 слова). В курсе рассмотрены различные стратегии управления памятью и борьбы с фрагментацией. При исчерпании основной памяти ОС выполняет сборку мусора – поиск не используемых фрагментов, на которые потеряны ссылки, и уплотнение (компактировку) памяти – сдвиг всех используемых фрагментов по меньшим адресам, с корректировкой всех адресов.

Управление файлами

Файл (file) – совокупность логически взаимосвязанной информации, расположенная во внешней памяти. Как правило, файлы представляют программы (в виде исходного текста или в двоичной форме) или данные.

Другой термин, использованный для обозначения файлов фирмой IBM в ее операционной системе – IBM 360/370, - набор данных (data set).

ОС отвечает за следующие действия, связанные с управлением файлами.

Создание и удаление файлов. Отображение файлов на внешнюю память.ОС выделяет внешнюю память при создании нового файла. Файл в большинстве файловых систем состоит из заголовка и памяти. В заголовке хранятся атрибуты файла, например, его длина, тип, ссылка на элементы файла во внешней памяти. Память файла может быть организована по-разному – как список смежных областей ( блоков или записей),одна смежная область, список индексных узлов, ссылающихся на блоки файла и т.д. В курсе подробно рассмотрены некоторые файловые системы. Кроме создания и удаления файла, основные операции над ним – открытие и закрытие. Открытие файла – это считывание в основную память его заголовка и, возможно, одного или нескольких соседних блоков. Оно должно быть выполнено перед выполнением операций чтения из файла или записи в файл. Закрытие файла – это обратная операция: сброс всех копий блоков на внешнюю память и освобождение областей основной памяти, занятых открытым файлом. ОС закрывает файлы процесса при его завершении, если процесс не сделал этого явно (последнее рекомендуется). При отображении файлов на внешнюю память возникают проблемы, аналогичные проблемам распределения основной памяти, - фрагментация, возможность исчерпания внешней памяти или ее раздела (partition) – смежной области внешней памяти, имеющей определенное символьное обозначение.

Создание и удаление директорий. Поддержка примитивов (пользовательских команд и библиотечных вызовов) для управления файлами и директориями. Директория (directory) – это каталог (справочник) ссылок на группу файлов или других директорий, каждый (каждая) из которых имеет в данной директории свое уникальное символьное имя. Иерархия директорий позволяет организовать поиск файла по его символьному пути (path), например, в Windows: c:\doc\plan.txt – текстовый документ, содержащий план моих текущих действий, ссылка на который находится на диске C: , в директории doc. ОС управляет созданием и удалением директорий и поиском в них файлов по их путям. Следует иметь в виду, что на файл возможно несколько ссылок из разных директорий (хотя это и не рекомендуется), так что удаление элемента директории не означает и удаления файла – сам файл сохраняется, пока на него есть хотя бы одна ссылка. Более того, в некоторых файловых системах (например, FAT в Windows) ошибочно удаленный файл можно восстановить, хотя и под другим именем. В других же файловых системах (например, в UNIX, где используются индексные блоки, хранящие адреса блоков файла) удаление файла – фатальная операция, от ошибок в которой может спасти только вовремя сделанная резервная копия файловой системы на диске или флэшке.

Сброс, или резервное копирование (backup) файлов на устойчивые носители (флэш-память, компакт-диск, ленточный стример и др.), с целью их последующего восстановления при сбое или при ошибке пользователя. Значение резервного копирования для пользователей ОС трудно переоценить. Все наиболее важные документы, директории, файловые системы должны регулярно копироваться на внешнюю память (желательно делать не одну, а несколько копий на разные носители). Это должно стать непреложным правилом для каждого пользователя. Трудно даже вспомнить, сколько раз автору приходилось выслушивать сетования и жалобы студентов, аспирантов, сотрудников на то, что у них в самый ответственный момент "полетел винчестер", из-за чего они не могут показать свою программу или отчет. Рецепт очень простой: необходимо регулярно копировать важную информацию на устойчивые носители.Если Вы работаете в локальной сети фирмы, исследовательской лаборатории и т.д., то в ней должен быть системный администратор, который должен заботиться о регулярном резервном копировании всех важных файловых систем. Возможности ОС позволяют выполнять такое копирование автоматически, в определенное время, - например, ночью, когда в офисе никого нет, но компьютеры локальной сети работают.

В некоторых ОС реализованы файловые системы с криптованием данных при записи в файл (например, система ZFS в Solaris). Такой подход позволяет решить проблему сохранения конфиденциальности информации (privacy).