- •Глава 1. Введение в теорию операционных систем
- •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 Архитектурные особенности ос.
- •1.4.1 Монолитное ядро
- •1.4.2 Слоеные системы (Layered systems)
- •1.4.3 Виртуальные машины
- •1.4.4 Микроядерная архитектура.
- •1.4.5 Смешанные системы
- •1.5 Классификация ос
- •1.6 Резюме
- •Глава II. Процессы и их поддержка в операционной системе
- •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
- •2.4. Резюме
- •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
- •3.5.4. Гарантированное планирование
- •3.5.5. Приоритетное планирование
- •3.5.6. Многоуровневые очереди (Multilevel Queue)
- •3.5.7. Многоуровневые очереди с обратной связью (Multilevel Feedback Queue)
- •3.6. Резюме
- •Глава 4. Кооперация процессов и основные аспекты ее логической организации
- •4.1. Взаимодействующие процессы
- •4.2. Категории средств обмена информацией
- •4.3. Логическая организация механизма передачи информации
- •4.3.1. Как устанавливается связь?
- •4.3.2. Информационная валентность процессов и средств связи
- •4.3.3. Особенности передачи информации с помощью линий связи
- •4.3.3.1 Буферизация
- •4.3.3.2. Поток ввода/вывода и сообщения
- •4.3.4. Надежность средств связи
- •4.3.5. Как завершается связь?
- •4.4. Нити исполнения
- •4.5. Резюме
- •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
- •5.3.7. Алгоритм булочной (Bakery algorithm)
- •5.4. Аппаратная поддержка взаимоисключений
- •5.4.1. Команда Test-and-Set (Проверить и присвоить 1)
- •5.4.2. Команда Swap (Обменять значения)
- •5.5. Резюме
- •Глава 6. Механизмы синхронизации
- •6.1. Семафоры
- •6.1.1. Концепция семафоров
- •6.1.2. Решение проблемы producer-consumer с помощью семафоров
- •6.2. Мониторы
- •6.3. Сообщения
- •6.4. Эквивалентность семафоров, мониторов и сообщений
- •6.4.1. Реализация мониторов и передачи сообщений с помощью семафоров
- •6.4.2. Реализация семафоров и передачи сообщений с помощью мониторов
- •6.4.3. Реализация семафоров и мониторов с помощью очередей сообщений
- •6.5. Резюме
- •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 предотвращения тупиков путем тщательного распределения ресурсов.
- •7.8.1 Предотвращение тупиков и 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 Родственные проблемы
- •7.10.1 Двухфазная локализация
- •7.10.2 Тупики не ресурсного типа
- •7.10.3 Голод (starvation)
- •7.11 Заключение.
- •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.
- •8.4 Резюме
- •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.
- •10.5 Демоны пейджинга
- •10.6 Аппаратно-независимая модель памяти процесса.
- •10.6.1 Структуры данных, используемые для описания сегментной модели
- •10.7 Отдельные аспекты функционирования менеджера памяти.
- •10.8 Заключение
- •Глава 11. Файловые системы. Файлы с точки зрения пользователя
- •11.1 Введение
- •11.2 Имена файлов
- •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
- •11.10 Резюме
- •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
- •12.3.4 Структура файловой системы на диске
- •12.4 Реализация директорий
- •12.4.1 Примеры реализация директорий в некоторых ос
- •12.4.2 Поиск в директории
- •12.5 Монтирование файловых систем.
- •12.6 Связывание файлов.
- •12.6.1 Организация связи между каталогом и разделяемым файлом
- •12.7 Кооперация процессов при работе с файлами.
- •12.8 Надежность файловой системы.
- •12.8.1 Целостность файловой системы.
- •12.8.2 Управление плохими блоками.
- •12.9 Производительность файловой системы
- •12.10 Реализация некоторых операций над файлами.
- •12.10.1 Системные вызовы, работающие с символическим именем файла.
- •12.10.2 Системные вызовы, работающие с файловым дескриптором
- •12.11 Современные архитектуры файловых систем
- •12.12 Резюме
- •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.
- •13.2.4. Алгоритмы планирования запросов к жесткому диску.
- •13.2.4.1. Строение жесткого диска и параметры планирования.
- •13.2.4.2. Алгоритм First Come First Served (fcfs)
- •13.2.4.3. Алгоритм Short Seek Time First (sstf).
- •13.2.4.4. Алгоритмы сканирования (scan, c-scan, look, c-look)
- •13.3. Резюме.
- •Глава 14. Сети и сетевые операционные системы
- •Глава 15. Основные понятия информационной безопасности.
- •15.1 Введение
- •15.2 Классификация угроз
- •15.3 Формализация подхода к обеспечению информационной безопасности. Классы безопасности
- •15.4 Политика безопасности
- •15.5 Криптография, как одна из базовых технологий безопасности ос.
- •Глава 16. Защитные механизмы операционных систем.
- •16.1 Идентификация и аутентификация
- •16.1.1 Пароли, уязвимость паролей
- •16.2 Авторизация. Разграничение доступа к объектам ос
- •16.2.1 Домены безопасности
- •16.2.2 Матрица доступа
- •16.2.3 Недопустимость повторного использование объектов
- •16.3 Аудит, учет использования системы защиты
- •16.4 Анализ некоторых популярных ос с точки зрения их защищенности.
- •16.5 Резюме
- •Литература
4.1. Взаимодействующие процессы
Для достижения поставленной цели различные процессы (возможно, даже принадлежащие разным пользователям) могут исполняться псевдопараллельно на одной вычислительной системе или параллельно на разных вычислительных системах, взаимодействуя между собой.
Для чего процессам нужно заниматься совместной деятельностью? Какие существуют причины для их кооперации?
Одной из причин является повышение скорости работы. Когда один процесс ожидает наступления некоторого события (например, окончания операции ввода-вывода), другие в это время могут заниматься полезной работой, направленной на решение общей задачи. В многопроцессорных вычислительных системах программа разделяется на отдельные кусочки, каждый из которых будет исполняться на своем процессоре.
Второй причиной является совместное использование данных. Различные процессы могут, к примеру, работать с одной и той же динамической базой данных или с разделяемым файлом, совместно изменяя их содержимое.
Третьей причиной является модульная конструкция какой-либо системы. Типичным примером может служить микроядерный способ построения операционной системы, когда ее различные части представляют собой отдельные процессы, общающиеся путем передачи сообщений через микроядро.
Наконец, это может быть необходимо просто для удобства работы пользователя, желающего, например, редактировать и отлаживать программу одновременно. В этой ситуации процессы редактора и отладчика должны уметь взаимодействовать друг с другом.
Процессы не могут взаимодействовать не общаясь. Общение процессов обычно приводит к изменению их поведения в зависимости от полученной информации. Если деятельность процессов остается неизменной при любой принятой ими информации, то это означает, что они на самом деле не нуждаются во взаимном общении. Процессы, которые влияют на поведение друг друга путем обмена информацией, принято называть кооперативными или взаимодействующими процессами, в отличие от независимых процессов, не оказывающих друг на друга никакого воздействия и ничего не знающих о взаимном сосуществовании в вычислительной системе.
Различные процессы в вычислительной системе изначально представляют собой обособленные сущности. Работа одного процесса не должна приводить к нарушению работы другого процесса. Для этого, в частности, разделены их адресные пространства и системные ресурсы, и для обеспечения корректного взаимодействия процессов требуются специальные средства и действия операционной системы. Нельзя просто поместить значение, вычисленное в одном процессе, в область памяти, соответствующую переменной в другом процессе, не предприняв каких-либо дополнительных организационных усилий. Давайте рассмотрим основные аспекты организации совместной работы процессов.
4.2. Категории средств обмена информацией
Процессы могут взаимодействовать друг с другом только обмениваясь информацией. По объему передаваемой информации и степени возможного воздействия на поведение другого процесса все средства такого обмена можно разделить на три категории:
Сигнальные. Передается минимальное количество информации — один бит, “да” или “нет”. Используются, как правило, для извещения процесса о наступлении какого-либо события. Степень воздействия на поведение процесса, получившего информацию, минимальна. Все зависит от того, знает ли он, что означает полученный сигнал, надо ли на него реагировать и каким образом. Неправильная реакция на сигнал или его игнорирование могут привести к трагическим последствиям. Вспомним профессора Плейшнера из кинофильма “Семнадцать мгновений весны”. Сигнал тревоги — цветочный горшок на подоконнике — был ему передан, но проигнорирован. И к чему это привело?
Канальные. Общение процессов происходит через линии связи, предоставленные операционной системой, и напоминает общение людей по телефону, с помощью записок, писем или объявлений. Объем передаваемой информации в единицу времени ограничен пропускной способностью линий связи. С увеличением количества информации увеличивается и возможность влияния на поведение другого процесса.
Разделяемая память. Два или более процессов могут совместно использовать некоторую область адресного пространства. Созданием разделяемой памяти занимается операционная система (если, конечно, ее об этом попросят). Общение процессов напоминает совместное проживание студентов в одной комнате общежития. Возможность обмена информацией максимальна, как, впрочем, и влияние на поведение другого процесса, но требует повышенной осторожности (если вы переложили с места на место все вещи вашего соседа по комнате, а часть из них еще и выбросили, то представляете, как он отреагирует?). Использование разделяемой памяти для передачи/получения информации осуществляется с помощью средств обычных языков программирования, в то время как сигнальным и канальным средствам коммуникации для этого необходимы специальные системные вызовы. Разделяемая память представляет собой наиболее быстрый способ взаимодействия процессов в одной вычислительной системе.