- •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
9.2.4 Ассоциативная память.
Поиск нужной страницы в многоуровневой таблице страниц, требующий несколько обращений к основной памяти на пути преобразования виртуального адреса к физическому занимает много времени. В ряде обстоятельств такая задержка недопустима. Эта проблема также находит решение на уровне архитектуры компьютера.
В соответствии со свойством локальности большинство программ в течение некоторого промежутка времени делают ссылки к небольшому числу страниц, таким образом, только небольшая часть таблицы страниц работает напряженно.
Естественное решение - снабдить компьютер аппаратным устройством для отображения виртуальных страниц в физические без обращения к таблице страниц, то есть иметь небольшую, быструю кэш-память, хранящую необходимую на данный момент часть таблицы страниц. Это устройство называется ассоциативная память, иногда также употребляют термин ассоциативные регистры (иногда translation lookaside buffer (TLB)).
Одна запись в таблице в ассоциативной памяти содержит информацию про одну виртуальную страницу, ее атрибуты и кадр, в котором она находится. Эти поля в точности соответствуют полям в таблице страниц.
Отображение виртуальных страниц, хранимых в ассоциативной памяти, осуществляется быстро, однако кэш память является дорогостоящей и имеет ограниченный размер. Число записей в TLB от 8 до 2048
Память называется ассоциативной, потому что в отличие от таблицы страниц, которая проиндексирована по номерам виртуальных страниц, здесь происходит одновременное сравнение номера виртуальной страницы с соответствующим полем во всех строках этой небольшой таблицы. Поэтому эта память является дорогостоящей. В строке, поле виртуальной страницы которой совпало с искомым значением, находится номер страничного кадра.
Рассмотрим функционирование менеджера памяти при наличии ассоциативной памяти. Вначале он ищет виртуальную страницу в ассоциативной памяти. Если страница найдена - все нормально за исключением случаев нарушения привилегий, когда запрос на обращение к памяти отклоняется.
Если страницы нет в ассоциативной памяти, то она ищется через таблицу страниц. Происходит замена одной из страниц в ассоциативной памяти найденной страницей. В таблице такая загруженная страница помечается битом модификации, что будет учтено при следующей загрузке ассоциативной памяти из таблицы страниц.
Процент раз, когда номер страницы находится в ассоциативной памяти, называется hit (совпадение) ratio (пропорция, отношение). Таким образом, hit ratio - часть ссылок, которая может быть сделана с использованием ассоциативной памяти. Обращение к одним и тем же страницам повышает hit ratio.
Например, предположим, что для доступа к таблице страниц необходимо 100 нс, а для доступа к ассоциативной памяти 20 нс. С 90% hit ratio среднее время доступа - 0.9*20+0.1*100 = 28 нс.
Вполне приемлемая производительность современных ОС доказывает эффективность использования ассоциативной памяти. Высокое значение вероятности нахождения данных в ассоциативной памяти связано с наличием у данных объективных свойств: пространственной и временной локальности.
Необходимо обратить внимание на следующий факт. При переключении процессов нужно добиться того, чтобы новый процесс не видел в ассоциативной памяти информацию, относящуюся к предыдущему процессу, например, очищать ее. Т.о. использование ассоциативной памяти увеличивает время переключения контекстов.