- •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
5.1 Open
Вызов системной функции open (открыть файл) — это первый шаг, который должен сделать процесс, чтобы обратиться к данным в файле. Синтаксис вызова функции open:
fd = open(pathname, flags, modes);
где pathname — имя файла, flags указывает режим открытия (например, для чтения или записи), а modes содержит права доступа к файлу в случае, если файл создается. Системная функция open возвращает целое число14, именуемое пользовательским дескриптором файла. Другие операции над файлами, такие как чтение, запись, позиционирование головок чтения-записи, воспроизведение дескриптора файла, установка параметров ввода-вывода, определение статуса файла и закрытие файла, используют значение дескриптора файла, возвращаемое системной функцией open.
Ядро просматривает файловую систему в поисках файла по его имени, используя алгоритм namei (см. Рисунок 5.2). Оно проверяет права на открытие файла после того, как обнаружит копию индекса файла в памяти, и выделяет открываемому файлу запись в таблице файлов. Запись таблицы файлов содержит указатель на индекс открытого файла и поле, в котором хранится смещение в байтах от начала файла до места, откуда предполагается начинать выполнение последующих операций чтения или записи. Ядро сбрасывает это смещение в 0 во время открытия файла, имея в виду, что исходная операция чтения или записи по умолчанию будет производиться с начала файла. С другой стороны, процесс может открыть файл в режиме записи в конец, в этом случае ядро устанавливает значение смещения, равное размеру файла. Ядро выделяет запись в личной (закрытой) таблице в адресном пространстве задачи, выделенном процессу (таблица эта называется таблицей пользовательских дескрипторов файлов), и запоминает указатель на эту запись. Указателем выступает дескриптор файла, возвращаемый пользователю. Запись в таблице пользовательских файлов указывает на запись в глобальной таблице файлов.
алгоритм open
входная информация:
имя файла
режим открытия
права доступа (при создании файла)
выходная информация: дескриптор файла
превратить имя файла в идентификатор индекса (алгоритм namei);
if (файл не существует или к нему не разрешен доступ) return (код ошибки);
выделить для индекса запись в таблице файлов, инициализировать счетчик, смещение;
выделить запись в таблице пользовательских дескрипторов файла, установить указатель на запись в таблице файлов;
if (режим открытия подразумевает усечение файла) освободить все блоки файла (алгоритм free);
снять блокировку (с индекса); /* индекс заблокирован выше, в алгоритме namei */
return (пользовательский дескриптор файла);
Рисунок 5.2. Алгоритм открытия файла
Предположим, что процесс, открывая файл «/etc/passwd» дважды, один раз только для чтения и один раз только для записи, и однажды файл «local» для чтения и для записи15, выполняет следующий набор операторов:
fd1 = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
fd2 = open("local", O_RDWR);
fd3 = open("/etc/passwd", O_WRONLY);
На Рисунке 5.3 показана взаимосвязь между таблицей индексов, таблицей файлов и таблицей пользовательских дескрипторов файла. Каждый вызов функции open возвращает процессу дескриптор файла, а соответствующая запись в таблице пользовательских дескрипторов файла указывает на уникальную запись в таблице файлов ядра, пусть даже один и тот же файл ("/etc/passwd") открывается дважды. Записи в таблице файлов для всех экземпляров одного и того же открытого файла указывают на одну запись в таблице индексов, хранящихся в памяти. Процесс может обращаться к файлу «/etc/passwd» с чтением или записью, но только через дескрипторы файла, имеющие значения 3 и 5 (см. Рисунок). Ядро запоминает разрешение на чтение или запись в файл в строке таблицы файлов, выделенной во время выполнения функции open. Предположим, что второй процесс выполняет следующий набор операторов:
fd1 = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
fd2 = open("private", O_RDONLY);
Рисунок 5.3. Структуры данных после открытия
На Рисунке 5.4 показана взаимосвязь между соответствующими структурами данных, когда оба процесса (и больше никто) имеют открытые файлы. Снова результатом каждого вызова функции open является выделение уникальной точки входа в таблице пользовательских дескрипторов файла и в таблице файлов ядра, и ядро хранит не более одной записи на каждый файл в таблице индексов, размещенных в памяти.
Запись в таблице пользовательских дескрипторов файла по умолчанию хранит смещение в файле до адреса следующей операции ввода-вывода и указывает непосредственно на точку входа в таблице индексов для файла, устраняя необходимость в отдельной таблице файлов ядра. Вышеприведенные примеры показывают взаимосвязь между записями таблицы пользовательских дескрипторов файла и записями в таблице файлов ядра типа «один к одному». Томпсон, однако, отмечает, что им была реализована таблица файлов как отдельная структура, позволяющая совместно использовать один и тот же указатель смещения нескольким пользовательским дескрипторам файла (см. [Thompson 78], стр.1943). В системных функциях dup и fork, рассматриваемых в разделах 5.13 и 7.1, при работе со структурами данных допускается такое совместное использование.
Рисунок 5.4. Структуры данных после того, как два процесса произвели открытие файлов
Первые три пользовательских дескриптора (0, 1 и 2) именуются дескрипторами файлов: стандартного ввода, стандартного вывода и стандартного файла ошибок. Процессы в системе UNIX по договоренности используют дескриптор файла стандартного ввода при чтении вводимой информации, дескриптор файла стандартного вывода при записи выводимой информации и дескриптор стандартного файла ошибок для записи сообщений об ошибках. В операционной системе нет никакого указания на то, что эти дескрипторы файлов являются специальными. Группа пользователей может условиться о том, что файловые дескрипторы, имеющие значения 4, 6 и 11, являются специальными, но более естественно начинать отсчет с 0 (как в языке Си). Принятие соглашения сразу всеми пользовательскими программами облегчит связь между ними при использовании каналов, в чем мы убедимся в дальнейшем, изучая главу 7. Обычно операторский терминал (см. главу 10) служит и в качестве стандартного ввода, и в качестве стандартного вывода и в качестве стандартного устройства вывода сообщений об ошибках.