- •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
4.4 Превращение составного имени файла (пути поиска) в идентификатор индекса
Начальное обращение к файлу производится по его составному имени (имени пути поиска), как в командах open, chdir (изменить каталог) или link. Поскольку внутри системы ядро работает с индексами, а не с именами путей поиска, оно преобразует имена путей поиска в идентификаторы индексов, чтобы производить доступ к файлам. Алгоритм namei производит поэлементный анализ составного имени, ставя в соответствие каждой компоненте имени индекс и каталог и в конце концов возвращая идентификатор индекса для введенного имени пути поиска (Рисунок 4.11).
Из главы 2 напомним, что каждый процесс связан с текущим каталогом (и протекает в его рамках); рабочая область, отведенная под задачу пользователя, содержит указатель на индекс текущего каталога. Текущим каталогом первого из процессов в системе, нулевого процесса, является корневой каталог. Путь к текущему каталогу каждого нового процесса берет начало от текущего каталога процесса, являющегося родительским по отношению к данному (см. раздел 5.10). Процессы изменяют текущий каталог, запрашивая выполнение системной операции chdir (изменить каталог). Все поиски файлов по имени начинаются с текущего каталога процесса, если только имя пути поиска не предваряется наклонной чертой, указывая, что поиск нужно начинать с корневого каталога. В любом случае ядро может легко обнаружить индекс каталога, с которого начинается поиск. Текущий каталог хранится в рабочей области процесса, а корневой индекс системы хранится в глобальной переменной12.
алгоритм namei /* превращение имени пути поиска в индекс */
входная информация: имя пути поиска
выходная информация: заблокированный индекс
if (путь поиска берет начало с корня) рабочий индекс = индексу корня (алгоритм iget);
else индекс = индексу текущего каталога (алгоритм iget);
выполнить (пока путь поиска не кончился)
считать следующую компоненту имени пути поиска;
проверить соответствие рабочего индекса каталогу и права доступа;
if (рабочий индекс соответствует корню и компонента имени «..»)continue; /* цикл с условием продолжения */
считать каталог (рабочий индекс), повторяя алгоритмы bmap, bread и brelse;
if (компонента соответствует записи в каталоге (рабочем индексе))
получить номер индекса для совпавшей компоненты;
освободить рабочий индекс (алгоритм iput);
рабочий индекс = индексу совпавшей компоненты (алгоритм iget);
else /* компонента отсутствует в каталоге */ return (нет индекса);
return (рабочий индекс);
Рисунок 4.11. Алгоритм превращения имени пути поиска в индекс
Алгоритм namei использует при анализе составного имени пути поиска промежуточные индексы; назовем их рабочими индексами. Индекс каталога, откуда поиск берет начало, является первым рабочим индексом. На каждой итерации цикла алгоритма ядро проверяет совпадение рабочего индекса с индексом каталога. В противном случае, нарушилось бы утверждение, что только файлы, не являющиеся каталогами, могут быть листьями дерева файловой системы. Процесс также должен иметь право производить поиск в каталоге (разрешения на чтение недостаточно). Код идентификации пользователя для процесса должен соответствовать коду индивидуального или группового владельца файла и должно быть предоставлено право исполнения, либо поиск нужно разрешить всем пользователям. В противном случае, поиск не получится.
Ядро выполняет линейный поиск файла в каталоге, ассоциированном с рабочим индексом, пытаясь найти для компоненты имени пути поиска подходящую запись в каталоге. Исходя из адреса смещения в байтах внутри каталога (начиная с 0), оно определяет местоположение дискового блока в соответствии с алгоритмом bmap и считывает этот блок, используя алгоритм bread. По имени компоненты ядро производит в блоке поиск, представляя содержимое блока как последовательность записей каталога. При обнаружении совпадения ядро переписывает номер индекса из данной точки входа, освобождает блок (алгоритм brelse) и старый рабочий индекс (алгоритм iput), и переназначает индекс найденной компоненты (алгоритм iget). Новый индекс становится рабочим индексом. Если ядро не находит в блоке подходящего имени, оно освобождает блок, прибавляет к адресу смещения число байтов в блоке, превращает новый адрес смещения в номер дискового блока (алгоритм bmap) и читает следующий блок. Ядро повторяет эту процедуру до тех пор, пока имя компоненты пути поиска не совпадет с именем точки входа в каталоге, либо до тех пор, пока не будет достигнут конец каталога.
Предположим, например, что процессу нужно открыть файл «/etc/passwd». Когда ядро начинает анализировать имя файла, оно наталкивается на наклонную черту («/») и получает индекс корня системы. Сделав корень текущим рабочим индексом, ядро наталкивается на строку «etc». Проверив соответствие текущего индекса каталогу («/») и наличие у процесса права производить поиск в каталоге, ядро ищет в корневом каталоге файл с именем «etc». Оно просматривает корневой каталог блок за блоком и исследует каждую запись в блоке, пока не обнаружит точку входа для файла «etc». Найдя эту точку входа, ядро освобождает индекс, отведенный для корня (алгоритм iput), и выделяет индекс файлу «etc» (алгоритм iget) в соответствии с номером индекса в обнаруженной записи. Удостоверившись в том, что «etc» является каталогом, а также в том, что имеются необходимые права производить поиск, ядро просматривает каталог «etc» блок за блоком в поисках записи, соответствующей файлу «passwd». Если посмотреть на Рисунок 4.10, можно увидеть, что запись о файле «passwd» является девятой записью в каталоге. Обнаружив ее, ядро освобождает индекс, выделенный файлу «etc», и выделяет индекс файлу «passwd», после чего — поскольку имя пути поиска исчерпано — возвращает этот индекс процессу.
Естественно задать вопрос об эффективности линейного поиска в каталоге записи, соответствующей компоненте имени пути поиска. Ричи показывает (см. [Ritchie 78b], стр.1968), что линейный поиск эффективен, поскольку он ограничен размером каталога. Более того, ранние версии системы UNIX не работали еще на машинах с большим объемом памяти, поэтому значительный упор был сделан на простые алгоритмы, такие как алгоритмы линейного поиска. Более сложные схемы поиска потребовали бы отличной, более сложной, структуры каталога, и возможно работали бы медленнее даже в небольших каталогах по сравнению со схемой линейного поиска.