- •Введение в операционные системы
- •Часть I. Общие сведения
- •Глава 1. Введение
- •1.1 Что такое операционная система.
- •1.1.1 Структура вычислительной системы
- •1.1.2 Что такое ос
- •1.2 Краткая история эволюции вычислительных систем
- •1.3 Основные понятия, концепции ос.
- •1.4 Классификация ос
- •Часть II. Процессы и их поддержка в операционной системе
- •Глава 2. Процессы
- •2.1. Понятие процесса
- •2.2. Состояния процесса
- •2.3. Операции над процессами и связанные с ними понятия
- •2.3.1. Набор операций
- •2.3.2. Process Control Block и контекст процесса
- •2.3.3. Одноразовые операции
- •2.3.4. Многоразовые операции
- •2.3.5. Переключение контекста
- •Глава 3. Планирование процессов
- •3.1. Уровни планирования
- •3.2. Критерии планирования и требования к алгоритмам
- •3.3. Параметры планирования
- •3.4. Вытесняющее и невытесняющее планирование
- •3.5. Алгоритмы планирования
- •3.5.1. First-Come, First-Served (fcfs)
- •3.5.2. Round Robin (rr)
- •3.5.3. Shortest-Job-First (sjf)
- •3.5.5. Приоритетное планирование
- •3.5.6. Многоуровневые очереди с обратной связью (Multilevel Feedback Queue)
- •Глава 4. Кооперация процессов и основные аспекты ее логической организации
- •4.1. Взаимодействующие процессы
- •4.2. Категории средств обмена информацией
- •4.3. Потоки исполнения
- •Глава 5. Алгоритмы синхронизации
- •5.1. Interleaving, race condition и взаимоисключения
- •5.2. Критическая секция
- •5.3. Программные алгоритмы организации взаимодействия процессов 5.3.1. Требования, предъявляемые к алгоритмам
- •5.3.2. Запрет прерываний
- •5.3.3. Переменная-замок
- •5.3.4. Строгое чередование
- •5.3.5. Флаги готовности
- •5.3.6. Алгоритм Петерсона
- •5.3. Аппаратная поддержка взаимоисключений
- •5.3.1. Команда Test-and-Set (Проверить и присвоить 1)
- •6.1. Семафоры
- •6.1.1. Концепция семафоров
- •6.1.2. Решение проблемы producer-consumer с помощью семафоров
- •6.2. Мониторы
- •Глава 7. Тупики
- •7.1 Введение
- •7.2 Концепция ресурса
- •7.3 Условия возникновения тупиков
- •7.4 Основные направления борьбы с тупиками.
- •7.5 Алгоритм страуса
- •7.6 Обнаружение тупиков
- •7.7 Восстановление после тупиков
- •7.7.1 Восстановление при помощи перераспределения ресурсов
- •7.7.2 Восстановление через откат назад
- •7.7.3 Восстановление через ликвидацию одного из процессов
- •7.8 Способы обхода тупиков путем тщательного распределения ресурсов.
- •7.8.1 Алгоритм банкира.
- •7.8.2 Недостатки алгоритма банкира
- •7.9 Предотвращение тупиков за счет нарушения условий возникновения тупиков.
- •7.9.1 Нарушение условия взаимоисключения
- •7.9.2 Hарушение условия ожидания дополнительных ресурсов
- •7.9.3 Нарушение принципа неперераспределяемости.
- •7.9.4 Нарушение условия кругового ожидания
- •7.10 Заключение.
- •Часть III. Управление памятью.
- •Глава 8. Введение. Простейшие схемы управления памятью.
- •8.1 Введение.
- •8.2 Связывание адресов.
- •8.3 Простейшие схемы управления памятью.
- •8.3.1 Схема с фиксированными разделами.
- •8.3.2 Свопинг
- •8.3.3 Мультипрограммирование с переменными разделами.
- •Глава 9. Виртуальная память. Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти
- •9.1 Проблема размещения больших программ. Понятие виртуальной памяти.
- •9.2 Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти.
- •9.2.1 Страничная память
- •9.2.2 Сегментная и сегментно-страничная организации памяти
- •9.2.3 Таблица страниц
- •9.2.4 Ассоциативная память.
- •9.2.5 Иерархия памяти
- •9.2.6 Размер страницы
- •Глава 10. Аппаратно-независимый уровень управления виртуальной памятью
- •10.1 Исключительные ситуации при работе с памятью.
- •10.2 Стратегии управления страничной памятью
- •10.3 Алгоритмы замещения страниц
- •10.3.1 Fifo алгоритм. Выталкивание первой пришедшей страницы.
- •10.3.2 Оптимальный алгоритм
- •10.3.3 Выталкивание дольше всего не использовавшейся страницы. Lru (The Least Recently Used) Algorithm .
- •10.3.4 Выталкивание редко используемой страницы. Nfu (Not Frequently Used) алгоритм.
- •10.3.5 Другие алгоритмы
- •10.4. Thrashing. Свойство локальности. Модель рабочего множества.
- •Часть IV. Файловые системы
- •Глава 11. Файлы с точки зрения пользователя
- •11.1 Введение
- •11.3 Структура файлов
- •11.4 Типы и атрибуты файлов
- •11.5 Доступ к файлам
- •11.6 Операции над файлами.
- •11.7 Директории. Логическая структура файлового архива.
- •11.8 Операции над директориями
- •11.9 Защита файлов.
- •11.9.1 Контроль доступа к файлам
- •11.9.2 Списки прав доступа
- •Глава 12. Реализация файловой системы
- •12.1 Интерфейс файловой системы.
- •12.2 Общая структура файловой системы
- •12.3 Структура файловой системы на диске.
- •12.3.1 Методы выделения дискового пространства
- •12.3.2 Управление свободным и занятым дисковым пространством.
- •12.3.3 Размер блока
- •12.4 Надежность файловой системы.
- •12.4.1 Целостность файловой системы.
- •12.4.2 Управление плохими блоками.
- •12.5 Производительность файловой системы
- •Часть V. Ввод-вывод
- •Глава 13. Система управления вводом-выводом
- •13.1 Физические принципы организации ввода-вывода.
- •13.1.1. Общие сведения об архитектуре компьютера.
- •13.1.2. Структура контроллера устройства.
- •13.1.3. Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы
- •13.1.4. Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – dma).
- •13.2. Логические принципы организации ввода-вывода.
- •13.2.1. Структура системы ввода-вывода.
- •13.2.2. Систематизация внешних устройств и интерфейс между базовой подсистемой ввода-вывода и драйверами.
- •13.2.3. Функции базовой подсистемы ввода-вывода.
- •13.2.3.1. Блокирующиеся, не блокирующиеся и асинхронные системные вызовы.
- •13.2.3.2. Буферизация и кэширование.
- •13.2.3.3. Spooling и захват устройств.
- •13.2.3.4. Обработка прерываний и ошибок.
- •13.2.3.5. Планирование запросов.
1.3 Основные понятия, концепции ос.
В процессе эволюции возникло несколько важных концепций, которые стали неотъемлемой частью теории и практики ОС. Рассматриваемые в данном разделе понятия будут встречаться и разъясняться на протяжении всего настоящего курса. Здесь дается их краткое описание.
Системные вызовы
В любой операционной системе поддерживается некоторый механизм, который позволяет пользовательским программам обращаться за услугами ядра ОС. В операционных системах наиболее известной советской вычислительной машины БЭСМ-6 соответствующие средства общения с ядром назывались экстракодами, в операционных системах IBM они назывались системными макрокомандами и т.д. В ОС UNIX такие средства называются системными вызовами.
Системные вызовы (system calls) интерфейс между операционной системой и пользовательской программой. Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные из которых процессы и файлы. Пользовательская программа запрашивает сервис у операционной системы, осуществляя системный вызов. Имеются библиотеки процедур, которые загружают машинные регистры определенными параметрами и осуществляют прерывание процессора, после чего управление передается обработчику данного вызова, входящему в ядро операционной системы. Цель таких библиотек сделать системный вызов похожим на обычный вызов подпрограммы.
Основное отличие состоит в том, что при системном вызове задача переходит в привилегированный режим или режим ядра (kernel mode). Поэтому системные вызовы иногда еще называют программными прерываниями в отличие от аппаратных прерываний, которые чаще называют просто прерываниями.
В этом режиме работает код ядра операционной системы, причем он исполняется в адресном пространстве и в контексте вызвавшей его задачи. Таким образом, ядро операционной системы имеет полный доступ к памяти пользовательской программы, и при системном вызове достаточно передать адреса одной или нескольких областей памяти с параметрами вызова и адреса одной или нескольких областей памяти для результатов вызова.
В большинстве операционных систем системный вызов осуществляется командой программного прерывания (INT). Таким образом, программное прерывание это синхронное событие.
Прерывания
Прерывание (hardware interrupt) событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством. Посредством аппаратных прерываний аппаратура либо информирует центральный процессор о том, что возникло какое‑либо событие, требующее немедленной реакции (например, пользователь нажал клавишу), либо сообщает о завершении асинхронной операции ввода‑вывода (например, закончено чтение данных с диска в основную память). Важный тип аппаратных прерываний прерывания таймера, которые генерируются периодически через фиксированный промежуток времени. Прерывания таймера используются операционной системой при планировании процессов. Каждый тип аппаратных прерываний имеет собственный номер, однозначно определяющий источник прерывания. Аппаратное прерывание это асинхронное событие, то есть оно возникает вне зависимости от того, какой код исполняется процессором в данный момент. Обработка аппаратного прерывания не должна учитывать, какой процесс является текущим.
Исключительные ситуации
Исключительная ситуация (exception)событие, возникающее в результате попытки выполнения программой недопустимой команды, доступа к ресурсу при отсутствии достаточных привилегий или обращения к отсутствующей странице памяти. Исключительные ситуации так же, как и системные вызовы, являются синхронными событиями, возникающими в контексте текущей задачи. Исключительные ситуации можно разделить на исправимые и неисправимые. К исправимым относятся такие исключительные ситуации, как отсутствие нужной информации в оперативной памяти. После устранения причины исправимой исключительной ситуации программа может продолжить выполнение. Возникновение в процессе работы операционной системы исправимых исключительных ситуаций является нормальным явлением. Неисправимые исключительные ситуации обычно возникают в результате ошибок в программах. Обычно операционная система реагирует на такие ситуации завершением программы, вызвавшей исключительную ситуацию.
Файлы
Файлы предназначены для хранения информации на внешних носителях, то есть, принято, что информация, лежащая, например, на диске, должна находиться внутри файла. Обычно под файлом понимают часть пространства на носителе информации, имеющую имя.
Главная задача файловой системы (file system) скрыть особенности ввода-вывода и дать программисту простую абстрактную модель файлов, независимых от устройств. Для чтения, создания, удаления, записи, открытия и закрытия файлов также имеется обширная категория системных вызовов (create, delete, open, close, read, write ).. Пользователям хорошо знакомы такие понятия, связанные с организацией файловой системы, как каталог, текущий каталог, корневой каталог, путь, для манипулирования которыми в операционной системе имеются системные вызовы. Файловая система ОС описана в главах 11-12.
Процессы, потоки
Концепция процесса в ОС одна из наиболее фундаментальных. Процессы подробно рассмотрены в главах 2-7. Там же описаны потоки (нити) или легковесные процессы.