- •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.
7.9.3 Нарушение принципа неперераспределяемости.
В соответствии со вторым принципом Хавендера можно отбирать ресурсы у удерживающих их процессов до завершения этих процессов. Если бы это было всегда возможно, то можно было бы добиться невыполнения третьего условия возникновения тупиков. С проблемой отнятия ресурсов у удерживающих их процессов мы сталкивались в 7.7.1. Если процесс в течение некоторого времени использует определенные ресурсы, а затем освобождает эти ресурсы, он теряет всю работу, проделанную до настоящего момента. Весь вопрос в цене данного решения, которая может быть слишком высокой, если подобная ситуация возникает часто.
Другим недостатком данной схемы может быть дискриминация отдельных процессов, у которых постоянно отбирают ресурсы.
7.9.4 Нарушение условия кругового ожидания
Осталось одно условие. Циклического ожидания можно избежать несколькими путями.
Один из них действовать в соответствии с правилом, согласно которому каждый процесс может иметь только один ресурс в каждый момент времени. Если нужен второй ресурс - освободи первый. Очевидно, что для многих процессов это не приемлемо, например, для тех, которые распечатывают большие файлы с ленты на принтер.
Другой способ - присвоить всем ресурсам уникальные номера и потребовать, чтобы процессы запрашивали ресурсы в порядке возрастания номеров. Тогда круговое ожидание возникнуть не может.
Небольшой вариацией этого алгоритма будет нумерация в возрастающем порядке не ресурсов, а запросов процесса. После последнего запроса и освобождения всех ресурсов можно разрешить процессу опять осуществит первый запрос.
Очевидно, что невозможно найти порядок, который удовлетворит всех.
7.10 Заключение.
Возникновение тупиков является потенциальной проблемой любой операционной системы. Они возникают, когда имеется группа процессов, каждый из которых пытается иметь эксклюзивный доступ к некоторым ресурсам и претендует на ресурсы, принадлежащие другому процессу. В итоге все они оказываются в состоянии бесконечного ожидания.
С тупиками можно бороться, можно их обнаруживать, избегать и восстанавливать систему после тупиков. Однако цена подобных действий высока и соответствующие усилия должны предприниматься только в системах, где игнорирование тупиковых ситуаций приводит к катастрофическим последствиям.
Считается, что в будущих системах тупики станут более критичным фактором, так как системы будущего:
будут в большей степени ориентированы на параллельную работу
будет преимущественно реализовываться динамическое распределение ресурсов
растет тенденция рассматривать данные как ресурс, в связи с чем количество ресурсов возрастет.
Более подробно данная тема рассмотрена в [9,12,22 и др.]
Часть III. Управление памятью.
В данной части изложена идеология построения системы управления памятью в современных ОС. Центральная концепция управления памятью система виртуальной памяти обеспечивает поддержку и защиту больших виртуальных адресных пространств процессов, составленных из нескольких логических сегментов. Тщательное проектирование аппаратно- зависимых и аппаратно-независимых компонентов менеджера памяти, базирующееся на анализе поведения программ (локальности ссылок), дает возможность организовать их производительную работу.