- •Морис Дж. Бах Архитектура операционной системы unix предисловие
- •Глава 1. Общий обзор особенностей системы
- •1.1 История
- •1.2 Структура системы
- •1.3 Обзор с точки зрения пользователя
- •1.3.1 Файловая система
- •1.3.2 Среда выполнения процессов
- •1.3.3 Элементы конструкционных блоков
- •1.4 Функции операционной системы
- •1.5 Предполагаемая аппаратная среда
- •1.5.1 Прерывания и особые ситуации
- •1.5.2 Уровни прерывания процессора
- •1.5.3 Распределение памяти
- •1.6 Выводы
- •Глава 2. Введение в архитектуру ядра операционной системы
- •2.1 Архитектура операционной системы uniх
- •2.2 Введение в основные понятия системы
- •2.2.1 Обзор особенностей подсистемы управления файлами
- •2.2.2 Процессы
- •2.2.2.1 Контекст процесса
- •2.2.2.2 Состояния процесса
- •2.2.2.3 Переходы из состояния в состояние
- •2.2.2.4 «Сон» и пробуждение
- •2.3 Структуры данных ядра
- •2.4 Управление системой
- •2.5 Выводы и обзор последующих глав
- •2.6 Упражнения
- •Глава 3. Буфер сверхоперативной памяти (кеш)
- •3.1 Заголовки буфера
- •3.2 Структура области буферов (буферного пула)
- •3.3 Механизм поиска буфера
- •3.4 Чтение и запись дисковых блоков
- •3.5 Преимущества и неудобства буферного кеша
- •3.6 Выводы
- •3.7 Упражнения
- •Глава 4. Внутреннее представление файлов
- •4.1 Индексы
- •4.1.1 Определение
- •4.1.2 Обращение к индексам
- •4.1.3 Освобождение индексов
- •4.2 Структура файла обычного типа
- •4.3 Каталоги
- •4.4 Превращение составного имени файла (пути поиска) в идентификатор индекса
- •4.5 Суперблок
- •4.6 Назначение индекса новому файлу
- •4.7 Выделение дисковых блоков
- •4.8 Другие типы файлов
- •4.9 Выводы
- •4.10 Упражнения
- •Глава 5. Системные операции для работы с файловой системой
- •5.1 Open
- •5.2 Read
- •5.3 Wriте
- •5.4 Захват файла и записи
- •5.5 Указание места в файле, где будет выполняться ввод-вывод — lseeк
- •5.6 Closе
- •5.7 Создание файла
- •5.8 Создание специальных файлов
- •5.9 Смена текущего и корневого каталога
- •5.10 Cмена владельца и режима доступа к файлу
- •5.11 Stat и fstат
- •5.12 Каналы
- •5.12.1 Системная функция pipе
- •5.12.2 Открытие поименованного канала
- •5.12.3 Чтение из каналов и запись в каналы
- •5.12.4 Закрытие каналов
- •5.12.5 Примеры
- •5.14 Монтирование и демонтирование файловых систем
- •5.14.1 Пересечение точек монтирования в маршрутах поиска имен файлов
- •5.14.2 Демонтирование файловой системы
- •5.15 Linк
- •5.16 Unlinк
- •5.16.1 Целостность файловой системы
- •5.16.2 Поводы для конкуренции
- •5.17 Абстрактные обращения к файловым системам
- •5.18 Сопровождение файловой системы
- •5.19 Выводы
- •5.20 Упражнения
- •Глава 6. Структура процессов
- •6.1 Состояния процесса и переходы между ними
- •6.2 Формат памяти системы
- •6.2.1 Области
- •6.2.2 Страницы и таблицы страниц
- •6.2.3 Размещение ядра
- •6.2.4 Пространство процесса
- •6.3 Контекст процесса
- •6.4 Сохранение контекста процесса
- •6.4.1 Прерывания и особые ситуации
- •6.4.2 Взаимодействие с операционной системой через вызовы системных функций
- •6.4.3 Переключение контекста
- •6.4.4 Сохранение контекста на случай аварийного завершения
- •6.4.5 Копирование данных между адресным пространством системы и адресным пространством задачи
- •6.5 Управление адресным пространством процесса
- •6.5.1 Блокировка области и снятие блокировки
- •6.5.2 Выделение области
- •6.5.3 Присоединение области к процессу
- •6.5.4 Изменение размера области
- •6.5.5 Загрузка области
- •6.5.6 Освобождение области
- •6.5.7 Отсоединение области от процесса
- •6.5.8 Копирование содержимого области
- •6.6 Приостановка выполнения
- •6.6.1 События, вызывающие приостанов выполнения, и их адреса
- •6.6.2 Алгоритмы приостанова и возобновления выполнения
- •6.7 Выводы
- •6.8 Упражнения
- •Глава 7. Управление процессами
- •7.1 Создание процесса
- •7.2 Сигналы
- •7.2.1 Обработка сигналов
- •7.2.2 Группы процессов
- •7.2.3 Посылка сигналов процессами
- •7.3 Завершение выполнения процесса
- •7.4 Ожидание завершения выполнения процесса
- •7.5 Вызов других программ
- •7.6 Код идентификации пользователя процесса
- •7.7 Изменение размера процесса
- •7.8 Командный процессор shell
- •7.9 Загрузка системы и начальный процесс
- •7.10 Выводы
- •7.11 Упражнения
- •Глава 8. Диспетчеризация процессов и ее временные характеристики
- •8.1 Планирование выполнения процессов
- •8.1.1 Алгоритм
- •8.1.2 Параметры диспетчеризации
- •8.1.3 Примеры диспетчеризации процессов
- •8.1.4 Управление приоритетами
- •8.1.5 Планирование на основе справедливого раздела
- •8.1.6 Работа в режиме реального времени
- •8.2 Системные операции, связанные со временем
- •8.3 Таймер
- •8.3.1 Перезапуск часов
- •8.3.2 Внутренние системные тайм-ауты
- •8.3.3 Построение профиля
- •8.3.4 Учет и статистика
- •8.3.5 Поддержание времени в системе
- •8.4 Выводы
- •8.5 Упражнения
- •Глава 9. Алгоритмы управления памятью
- •9.1 Свопинг
- •9.1.1 Управление пространством на устройстве выгрузки
- •9.1.2 Выгрузка процессов
- •9.1.2.1 Выгрузка при выполнении системной функции fork
- •9.1.2.2 Выгрузка с расширением
- •9.1.3 Загрузка (подкачка) процессов
- •9.2 Подкачка по запросу
- •9.2.1 Структуры данных, используемые подсистемой замещения страниц
- •9.2.1.1 Функция fork в системе с замещением страниц
- •9.2.1.2 Функция exec в системе с замещением страниц
- •9.2.2 "Сборщик" страниц
- •9.2.3 Отказы при обращениях к страницам
- •9.2.3.1 Обработка прерываний по отказу из-за недоступности данных
- •9.2.3.2 Обработка прерываний по отказу системы защиты
- •9.2.4 Замещение страниц на менее сложной технической базе
- •9.3 Система смешанного типа со свопингом и подкачкой по запросу
- •9.4 Выводы
- •9.5 Упражнения
- •Глава 10. Подсистема управления вводом-выводом
- •10.1 Взаимодействие драйверов с программной и аппаратной средой
- •10.1.1 Конфигурация системы
- •10.1.2 Системные функции и взаимодействие с драйверами
- •10.1.2.1 Open
- •10.1.2.2 Closе
- •10.1.2.3 Read и Writе
- •10.1.2.4 Стратегический интерфейс
- •10.1.2.5 Ioctl
- •10.1.2.6 Другие функции, имеющие отношение к файловой системе
- •10.1.3 Программы обработки прерываний
- •10.2 Дисковые драйверы
- •10.3 Терминальные драйверы
- •10.3.1 Символьные списки
- •10.3.2 Терминальный драйвер в каноническом режиме
- •10.3.3 Терминальный драйвер в режиме без обработки символов
- •10.3.4 Опрос терминала
- •10.3.5 Назначение операторского терминала
- •10.3.6 Драйвер косвенного терминала
- •10.3.7 Вход в систему
- •10.4 Потоки
- •10.4.1 Более детальное рассмотрение потоков
- •10.4.2 Анализ потоков
- •10.5 Выводы
- •10.6 Упражнения
- •Глава 11. Взаимодействие процессов
- •11.1 Трассировка процессов
- •11.2 Взаимодействие процессов в версии V системы
- •11.2.1 Сообщения
- •11.2.2 Разделение памяти
- •11.2.3 Семафоры
- •11.2.4 Общие замечания
- •11.3 Взаимодействие в сети
- •11.4 Гнезда
- •11.5 Выводы
- •11.6 Упражнения
- •Глава 12. Многопроцессорные системы
- •12.1 Проблемы, связанные с многопроцессорными системами
- •12.2 Главный и подчиненный процессоры
- •12.3 Семафоры
- •12.3.1 Определение семафоров
- •12.3.2 Реализация семафоров
- •12.3.3 Примеры алгоритмов
- •12.3.3.1 Выделение буфера
- •12.3.3.2 Wait
- •12.3.3.3 Драйверы
- •12.3.3.4 Фиктивные процессы
- •12.4 Система tunis
- •12.5 Узкие места в функционировании многопроцессорных систем
- •12.6 Упражнения
- •Глава 13. Распределенные системы
- •13.1 Периферийные процессоры
- •13.2 Связь типа newcastlе
- •13.3 "Прозрачные" распределенные файловые системы
- •13.4 Распределенная модель без передаточных процессов
- •13.5 Выводы
- •13.6 Упражнения
- •Приложение системные операции
- •Библиография
10.1.2 Системные функции и взаимодействие с драйверами
В этом разделе рассматривается взаимодействие ядра с драйверами устройств. При выполнении тех системных функций, которые используют дескрипторы файлов, ядро, следуя за указателями, хранящимися в пользовательском дескрипторе файла, обращается к таблице файлов ядра и к индексу, где оно проверяет тип файла, и переходит к таблице ключей устройств ввода-вывода блоками или символами. Ядро извлекает из индекса старший и младший номера устройства, использует старший номер в качестве указателя на точку входа в соответствующей таблице и вызывает выполнение функции драйвера в соответствии с выполняемой системной функцией, передавая младший номер в качестве параметра. Важным различием в реализации системных функций для файлов устройств и для файлов обычного типа является то, что индекс специального файла не блокируется в то время, когда ядро выполняет программу драйвера. Драйверы часто приостанавливают свою работу, ожидая связи с аппаратными средствами или поступления данных, поэтому ядро не в состоянии определить, на какое время процесс будет приостановлен. Если индекс заблокирован, другие процессы, обратившиеся к индексу (например, посредством системной функции stat), приостановятся на неопределенное время, поскольку один процесс приостановил драйвер.
Рисунок 10.2. Пример заполнения таблиц ключей устройств ввода-вывода блоками и символами
Драйвер устройства интерпретирует параметры вызова системной функции в отношении устройства. Драйвер поддерживает структуры данных, описывающие состояние каждой контролируемой единицы данного типа устройства; функции драйвера и программы обработки прерываний реализуются в соответствии с состоянием драйвера и с тем, какое действие выполняется в этот момент (например, данные вводятся или выводятся). Теперь рассмотрим каждый интерфейс более подробно.
10.1.2.1 Open
При открытии устройства ядро следует той же процедуре, что и при открытии файлов обычного типа (см. раздел 5.1), выделяя в памяти индексы, увеличивая значение счетчика ссылок и присваивая значение точки входа в таблицу файлов и пользовательского дескриптора файла. Наконец, ядро возвращает значение пользовательского дескриптора файла вызывающему процессу, так что открытие устройства выглядит так же, как и открытие файла обычного типа. Однако, перед тем, как вернуться в режим задачи, ядро запускает зависящую от устройства процедуру open (Рисунок 10.3). Для устройства ввода-вывода блоками запускается процедура open, закодированная в таблице ключей устройств ввода-вывода блоками, для устройств посимвольного ввода-вывода — процедура open, закодированная в соответствующей таблице. Если устройство имеет как блочный, так и символьный тип, ядро запускает процедуру open, соответствующую типу файла устройства, открытого пользователем: обе процедуры могут даже быть идентичны, в зависимости от конкретного драйвера.
алгоритм open /* для драйверов устройств */
входная информация:
имя пути поиска
режим открытия
выходная информация:
дескриптор файла
преобразовать имя пути поиска в индекс, увеличить значение счетчика ссылок в индексе;
выделить в таблице файлов место для пользовательского дескриптора файла, как при открытии обычного файла;
выбрать из индекса старший и младший номера устройства;
сохранить контекст (алгоритм setjmp) в случае передачи управления от драйвера;
if (устройство блочного типа)
использовать старший номер устройства в качестве указателя в таблице ключей устройств ввода-вывода блоками;
вызвать процедуру открытия драйвера по данному индексу: передать младший номер устройства, режимы открытия;
else
использовать старший номер устройства в качестве указателя в таблице ключей устройств посимвольного ввода-вывода;
вызвать процедуру открытия драйвера по данному индексу: передать младший номер устройства, режимы открытия;
if (открытие в драйвере не выполнилось)
привести таблицу файлов к первоначальному виду, уменьшить значение счетчика в индексе;
Рисунок 10.3. Алгоритм открытия устройства
Зависящая от типа устройства процедура open устанавливает связь между вызывающим процессом и открываемым устройством и инициализирует информационные структуры драйвера. Например, процедура open для терминала может приостановить процесс до тех пор, пока в машину не поступит сигнал (аппаратный) о том, что пользователь предпринял попытку зарегистрироваться. После этого инициализируются информационные структуры драйвера в соответствии с принятыми установками терминала (например, скоростью передачи информации в бодах). Для "программных устройств", таких как память системы, процедура open может не включать в себя инициализацию.
Если во время открытия устройства процессу пришлось приостановиться по какой-либо из внешних причин, может так случиться, что событие, которое должно было бы вызвать возобновление выполнения процесса, так никогда и не произойдет. Например, если на данном терминале еще не зарегистрировался ни один из пользователей, процесс getty, "открывший" терминал (раздел 7.9), приостанавливается до тех пор, пока пользователем не будет предпринята попытка регистрации, при этом может пройти достаточно большой промежуток времени. Ядро должно иметь возможность возобновить выполнение процесса и отменить вызов функции open по получении сигнала: ему следует сбросить индекс, отменить точку входа в таблице файлов и пользовательский дескриптор файла, которые были выделены перед входом в драйвер, поскольку открытие не произошло. Ядро сохраняет контекст процесса, используя алгоритм setjmp (раздел 6.4.4), прежде чем запустить процедуру open; если процесс возобновляется по сигналу, ядро восстанавливает контекст процесса в том состоянии, которое он имел перед обращением к драйверу, используя алгоритм longjmp (раздел 6.4.4), и возвращает системе все выделенные процедуре open структуры данных. Точно так же и драйвер может уловить сигнал и очистить доступные ему структуры данных, если это необходимо. Ядро также переустанавливает структуры данных файловой системы, когда драйвер сталкивается с исключительными ситуациями, такими, как попытка пользователя обратиться к устройству, отсутствующему в данной конфигурации. В подобных случаях функция open не выполняется.
Процессы могут указывать значения различных параметров, характеризующие особенности выполнения процедуры открытия. Из них наиболее часто используется "no delay" (без задержки), означающее, что процесс не будет приостановлен во время выполнения процедуры open, если устройство не готово. Системная функция open возвращает управление немедленно и пользовательский процесс не узнает, произошло ли аппаратное соединение или нет. Открытие устройства с параметром "no delay", кроме всего прочего, затронет семантику вызова функции read, что мы увидим далее (раздел 10.3.4).
Если устройство открывается многократно, ядро обрабатывает пользовательские дескрипторы файлов, индекс и записи в таблице файлов так, как это описано в главе 5, запуская определяемую типом устройства процедуру open при каждом вызове системной функции open. Таким образом, драйвер устройства может подсчитать, сколько раз устройство было "открыто", и прервать выполнение функции open, если количество открытий приняло недопустимое значение. Например, имеет смысл разрешить процессам многократно "открывать" терминал на запись для того, чтобы пользователи могли обмениваться сообщениями. Но при этом не следует допускать многократного "открытия" печатающего устройства для одновременной записи, так как процессы могут затереть друг другу информацию. Эти различия имеют смысл скорее на практике, нежели на стадии разработки: разрешение одновременной записи на терминалы способствует установлению взаимодействия между пользователями; запрещение одновременной записи на принтеры служит повышению читабельности машинограмм30.