Механізми й політики
При розробці ОС, як і будь-якої іншої складної програмної системи, розрізняють концепції механізму й політики. Механізм визначає, яким образом реалізувати деяку функціональність (наприклад, віртуальну пам'ять). Політика визначає, що саме потрібно реалізувати, тобто набір вимог, цілей, умов для реалізації функціональності. Наприклад, політика безпеки в ОС визначає правила, по яких програмі або користувачеві надаються деякі повноваження (наприклад, можливість відкриття деякого файлу). Відділення механізму від політики - дуже важливий принцип для розробки ОС. Він допускає максимум гнучкості, якщо "політичні" рішення можуть бути змінені згодом.
Реалізація операційних систем
Традиційно, починаючи з 1950-х рр., ОС розроблялися на низькорівневих мовах - асемблерах. Система UNIX була першої ОС, розробленої майже повністю мовою високого рівня - Си. Згодом мова Си стала однією з найбільш популярних мов системного програмування. Завдяки новаторському підходу авторів UNIX, зложилася тенденція розробки ОС на мовах високого рівня.
Переваги використання мов високого рівня очевидний: код мовою високого рівня
може бути розроблений швидше
більше компактний
легше для розуміння й налагодження.
Крім того, операційна система може бути набагато легше перенесена на інші апаратні платформи, якщо вона розроблена мовою високого рівня.
Гіпотетичний недолік у мов високого рівня, у порівнянні з асемблерами, тільки один - можлива неефективність реалізації високорівневих конструкцій мови, у порівнянні з "ручним" програмуванням на асемблері. Однак дана проблема може бути вирішена шляхом розробки ефективного оптимізируючого компілятора з мови високого рівня й не повинна перешкоджати його використанню.
Генерація операційної системи
ОС проектуються з метою використання на комп'ютері будь-якого класу. У поставку ОС входить дуже великий набір типових модулів для різних класів комп'ютерів (наприклад, настільних і портативних). Тому для кожного комп'ютера система повинна бути сконфігурована при її інсталяції – установці ОС на конкретний комп'ютер.
Програма генерації ОС одержує інформацію про специфічну конфігурацію комп'ютерної системи.
Після генерації й інсталяції ОС система готова до роботи.
Лекція 8. Управління процесами. Планування и диспетчеризація процесів
План
поняття процесу;
cтан процесу;
блок керування процесом;
диспетчеризація процесів;
операції над процесами.
Процес (process) це програма користувача при її виконанні. При своїй роботі операційна системи виконує безліч класів програм: пакетні завдання; користувальницькі програми в режимі поділу часу; системні програми й процеси. Є кілька схожих термінів, що характеризують користувальницькі програми: процес (process), завдання (job), завдання (task) Однак не будемо тут перебільшувати розходження між ними: для кращого розуміння специфіки процесів і керування ними в ОС, ми можемо вважати наведені терміни синонімами, як й уважається в багатьох підручниках по ОС.
Важлива особливість процесу: це одиниця обчислень, що повинна виконуватися послідовно, тобто кожен процес має свій послідовний потік керування (control flow) – послідовність виконуваних процесом команд. Багато більших завдань успішно вирішуються шляхом паралельного виконання процесів, але про це мова йтиме небагато пізніше.
Процес при його створенні й керуванні їм операційною системою включає наступну основну інформацію:
Лічильник команд (program counter - PC) – адреса поточної виконуваної команди процесу; звичайно зберігається в спеціальному системному регістрі апаратур;
Стек (stack) – резидентна область основної пам'яті, виділювана операційною системою при створенні процесу, у якій зберігаються локальні дані процедур процесу, їхні параметри (аргументи) і сполучна інформація між ними, необхідна для організації обчислень. При запуску чергової процедури в стеку приділяється запис активації (activation record), названа також стековым фреймом (stack frame) і областю локальних даних (local data area) для зберігання локальних даних поточного покоління (запуску) процедури. По закінченні її виконання запис активації видаляється зі стека;
Секція даних ( data section ) – статична (постійно виділена, незмінного розміру) область основної пам'яті, виділювана операційною системою процесу, у якій зберігаються його глобальні змінні, масиви, структури, об'єкти.
Виконуваний код (команди) процесу спочатку зберігається у вторинній пам'яті (на диску) і завантажується в основну пам'ять повністю або частково при звертанні до нього.
Стан процесу
При виконанні процес може змінювати свій стан у такий спосіб:
Новий (new): Процес створюється операційною системою, але ще не почав виконуватися.
Що виконується (running): Виконуються команди процесу на процесорі або процесорах комп'ютерної системи під керуванням ОС.
Що очікує (waiting): Процес очікує настання деякої події, наприклад, завершення вводу-виводу. У стані очікування процес не займає процесор.
Готовий до виконання (ready): Процес очікує одержання ресурсів процесора для його виконання. У стан готовності до виконання процес попадає звичайно або при його створенні, або після завершення вводу-виводу (зі стану очікування).
Завершений (terminated): Виконання процесу завершене.
Діаграма станів процесу представлена на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Діаграма станів процесу.
Як видно зі схеми, новий процес, створений у системі, проходить стадію допущений (admitted) – включається операційною системою в чергу всіх процесів у системі, після чого ОС переводить його в стан готовності до виконання. Відзначимо відразу, що черга готових до виконання процесів – одна з найбільше часто використовуваних системних структур для керування процесами. Зі стану готовності в стан виконання процес переводиться планувальником ОС у результаті диспетчеризації – виділення кванта процесорного часу. При виконанні процес може бути перерваний (по таймері, у результаті помилки й т.п.), а після обробки переривання операційною системою переходить знову в стан готовності до виконання. Якщо в процесі виконується синхронний ввід-вивід, або процес повинен очікувати настання деякої події (наприклад, певного моменту часу), процес переходить у стан очікування. При завершенні вводу-виводу або при настанні очікуваної події процес не одержує відразу ж квант процесорного часу, а переходить у стан готовності до виконання. Процес переходить у завершений стан при завершенні роботи програми процесу - наприклад, у результаті системного виклику exit(c), де c - код завершення. Якщо c = 0, процес уважається благополучно завершеним.
Блок керування процесом
Блок керування процесом (Process Control Block – PCB) – системна структура даних, використовувана ОС для керування процесом, що містить наступну інформацію, асоційовану з кожним процесом:
Стан процесу
Поточне значення лічильника команд (використовується при продовженні виконання процесу);
Значення регістрів процесора (також використаються при поновленні процесу);
Інформація для диспетчеризації процесора (покажчик на стек процесу, номер процесу);
Інформація для керування пам'яттю (границі області пам'яті процесу);
Статистична інформація (загальний час виконання процесу, що залишилося із заявленого час виконання, сумарне час вводу-виводу й т.д.)
Інформація про стан вводу-виводу (список відкритих файлів).
Структура блоку керування процесом зображена на рис. 8.2.
