- •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
9.2.1 Структуры данных, используемые подсистемой замещения страниц
Для поддержки функций управления памятью на машинном (низком) уровне и для реализации механизма замещения страниц ядро использует 4 основные структуры данных: записи таблицы страниц, дескрипторы дисковых блоков, таблицу содержимого страничных блоков (page frame data table — сокращенно: pfdata) и таблицу использования области подкачки. Место для таблицы pfdata выделяется один раз на все время жизни системы, для других же структур страницы памяти выделяются динамически.
Из главы 6 нам известно, что каждая область располагает своими таблицами страниц, с помощью которых осуществляется доступ к физической памяти. Каждая запись таблицы страниц (Рисунок 9.13) состоит из физического адреса страницы, кода защиты, в разрядах которого описываются права доступа процесса к странице (на чтение, запись и исполнение), а также следующих двоичных полей, используемых механизмом замещения страниц:
• бит доступности
• бит упоминания
• бит модификации
• бит копирования при записи
• "возраст" страницы
Установка бита доступности свидетельствует о правильности содержимого страницы памяти, однако из того, что бит доступности выключен, не следует с необходимостью то, что ссылка на страницу недопустима, в чем мы убедимся позже. Бит упоминания устанавливается в том случае, если процесс делает ссылку на страницу, а бит модификации — в том случае, если процесс скорректировал содержимое страницы. Установка бита копирования при записи, производимая во время выполнения системной функции fork, свидетельствует о том, что ядру в случае, когда процесс корректирует содержимое страницы, следует создавать ее новую копию. Наконец, "возраст" страницы говорит о продолжительности ее пребывания в составе рабочего множества процесса. Биты доступности, копирования при записи и "возраст" страницы устанавливаются ядром, биты упоминания и модификации — аппаратным путем; в разделе 9.2.4 рассматриваются конфигурации, в которых эти возможности не поддерживаются аппаратурой.
Рисунок 9.12. Рабочее множество процесса
Рисунок 9.13. Записи таблицы страниц и дескрипторы дисковых блоков
Каждая запись таблицы страниц связана с дескриптором дискового блока, описывающим дисковую копию виртуальной страницы (Рисунок 9.13). Поэтому процессы, использующие разделяемую область, обращаются к общим записям таблицы страниц и к одним и тем же дескрипторам дисковых блоков. Содержимое виртуальной страницы располагается либо в отдельном блоке на устройстве выгрузки, либо в исполняемом файле, либо вообще отсутствует на устройстве выгрузки. Если страница находится на устройстве выгрузки, в дескрипторе дискового блока содержится логический номер устройства и номер блока, по которым можно отыскать содержимое страницы. Если страница содержится в исполняемом файле, в дескрипторе дискового блока располагается номер логического блока в файле с содержимым страницы; ядро может быстро преобразовать этот номер в адрес на диске. В дескрипторе дискового блока также имеется информация о двух устанавливаемых функцией exec особых условиях: страница при обращении к ней заполняется ("demand fill") или обнуляется ("demand zero"). Разъяснения по этому поводу даются в разделе 9.2.1.2.
В таблице pfdata описывается каждая страница физической памяти. Записи таблицы проиндексированы по номеру страницы и состоят из следующих полей:
• Статус страницы, указывающий на то, что страница располагается на устройстве выгрузки или в исполняемом файле, что к странице произведено обращение по прямому доступу в память (путем считывания информации с устройства выгрузки), или на то, что страница может быть переназначена.
• Количество процессов, ссылающихся на страницу. Счетчик ссылок хранит число записей в таблице страниц, имеющих ссылку на текущую страницу. Это значение может отличаться от количества процессов, использующих разделяемую область с данной страницей, в чем мы убедимся чуть позже, когда будем снова обращаться к алгоритму функции fork.
• Логический номер устройства (устройства выгрузки или файловой системы) и номер блока, указывающие расположение содержимого страницы.
• Указатели на другие записи таблицы pfdata в соответствии со списком свободных страниц или с хеш-очередью страниц.
По аналогии с буферным кэшем ядро связывает записи таблицы pfdata в список свободных страниц и хеш-очередь. Список свободных страниц представляет собой буфер, который содержит страницы, доступные для переназначения, однако процесс, обратившийся к этим страницам, может столкнуться с ошибкой адресации, так и не получив соответствующую страницу из списка. Этот список дает ядру возможность сократить число операций чтения с устройства выгрузки. Ядро выделяет страницы из этого списка по вышеназванному принципу замещения "стариков". Ядро выстраивает записи таблицы в хеш-очередь в соответствии с номером устройства (выгрузки) и номером блока. Используя эти номера, ядро может быстро отыскать страницу, если она находится в памяти. Передавая физическую страницу области, ядро выбирает соответствующую запись из списка свободных страниц, исправляет указанные в ней номера устройства и блока и помещает ее в соответствующее место хеш-очереди.
Каждая запись таблицы использования области подкачки соответствует странице, находящейся на устройстве выгрузки. Запись содержит счетчик ссылок, показывающий количество записей таблицы страниц, в которых имеется ссылка на текущую страницу.
На Рисунке 9.14 показана взаимосвязь между записями таблицы страниц, дескрипторами дисковых блоков, записями таблицы pfdata и таблицы использования области подкачки. Виртуальный адрес 1493К отображается на запись таблицы страниц, соответствующую странице с физическим номером 794; дескриптор дискового блока, связанный с этой записью, свидетельствует о том, что содержимое страницы располагается на устройстве выгрузки с номером 1 в дисковом блоке с номером 2743. Запись таблицы pfdata, помимо того, что указывает на те же номера устройства и блока, сообщает, что счетчик ссылок на физическую страницу имеет значение, равное 1. Счетчик ссылок на виртуальную страницу (в записи таблицы использования области подкачки) свидетельствует о том, что на копию страницы на устройстве выгрузки ссылается только одна запись таблицы страниц.