- •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
7.2 Концепция ресурса
Уже говорилось, что одна из основных функций ОС осуществлять распределение ресурсов между процессами, то есть быть менеджером ресурсов.
Как устройства, так и данные могут являться ресурсами.
Некоторые виды ресурсов допускают разделение между процессами, то есть являются разделяемыми устройствами. Например, память, процессор, диски коллективно используются процессами. Другие - нет, то есть являются выделенными, например, лентопротяжное устройство. Чаще всего тупики связаны с выделенными ресурсами, то есть тупики возникают, когда процессу дается эксклюзивный доступ к устройствам, файлам и другим ресурсам.
Последовательность событий, требуемых для использования ресурса такова:
запросить (request) ресурс,
использовать (use) ресурс,
освободить (release) ресурс.
Если ресурса нет в наличии, когда он требуется, то процесс вынужден ждать. В некоторых ОС процесс автоматически блокируется, когда получает отказ на запрос к ресурсу и просыпается, когда ресурс оказывается в наличии. В других системах отказ сопровождается возвратом ошибки и уже задача вызывающего процесса решить: подождать немного и попытаться осуществить запрос вновь.
В наших дальнейших рассуждениях мы будем предполагать, что когда запрос отклонен, процесс переходит в состояние ожидания.
Природа запроса сильно зависит от ОС. В некоторых системах имеется системный вызов request для прямого запроса на ресурс. В других - единственные ресурсы, о которых ОС знает - специальные файлы, которые только один процесс имеет право открывать за раз. Это делается обычным вызовом open. Если файл уже используется, вызывающий процесс блокируется, пока ресурс не освободится.
7.3 Условия возникновения тупиков
В 1971 г. Коффман, Элфик и Шошани сформулировали следующие четыре условия для возникновения тупиков.
1. Условие взаимоисключения (Mutual exclusion). Каждый ресурс выделен в точности одному процессу или доступен. Процессы требуют предоставления им монопольного управления ресурсами, которые им выделяются.
2. Условие ожидания ресурсов (Hold and wait). Процессы удерживают за собой ресурсы, уже выделенные им, ожидая в то же время выделения дополнительных ресурсов (которые при этом обычно удерживаются другими процессами).
3. Условие неперераспределяемости (No preemtion). Ресурс, данный ранее, не может быть принудительно забран у процесса. Освобождены они могут быть только процессом, который их удерживает.
4. Условие кругового ожидания (Circular wait). Существует кольцевая цепь процессов, в которой каждый процесс удерживает за собой один или более ресурсов, требующихся другим процессам цепи.
Для тупика необходимо выполнение всех четырех условий.
Обычно тупик моделируется прямым графом, наподобие того, что изображен на рис. 7.1, состоящим из узлов двух видов: прямоугольников процессов и эллипсов ресурсов. Стрелки, направленные от ресурса к процессу, показывают, что ресурс выделен данному процессу.
7.4 Основные направления борьбы с тупиками.
В связи с проблемой тупиков были выполнено много интересных исследований в области информатики и операционных систем.
Основные направления борьбы с тупиками:
Игнорировать данную проблему
Обнаружение тупиков
Восстановление после тупиков
Предотвращение тупиков за счет тщательного выделения ресурсов или нарушения одного из условий возникновения тупиков.