- •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
10.8 Заключение
Описанная система управления памятью является совокупностью программно-технических средств, обеспечивающих производительное функционирование современных компьютеров. Успех реализации той части ОС, которая относится к управлению виртуальной памятью, определяется близостью архитектуры аппаратуры, поддерживающей виртуальную память, к абстрактной модели виртуальной памяти ОС. Для справедливости заметим, что в подавляющем большинстве современных компьютеров аппаратура выполняет функции, существенно превышающие потребности модели ОС, так что создание аппаратно-зависимой части подсистемы управления виртуальной памятью ОС в большинстве случаев не является чрезмерно сложной задачей.
Глава 11. Файловые системы. Файлы с точки зрения пользователя
Все компьютерные приложения нуждаются в хранении и обновлении информации. Возможности оперативной памяти для хранения информации ограничены. Во-первых, оперативная память обычно теряет свое содержимое после отключения питания, а во-вторых, объем обрабатываемых данных зачастую превышает ее возможности. Кроме того, информацию желательно иметь в виде, независимом от процессов. Поэтому принято хранить данные на внешних носителях (обычно это диски) в единицах, называемых файлами. В большинстве компьютерных систем предусмотрены устройства внешней (вторичной) памяти, большой емкости, на которых можно хранить огромные объемы данных. Однако характеристики доступа к таким устройствам существенно отличаются от характеристик доступа к основной памяти. Чтобы повысить эффективность использования этих устройств, был разработан ряд специфичных для них структур данных и алгоритмов.
11.1 Введение
История систем управления данными во внешней памяти начинается еще с магнитных лент, но современный облик они приобрели с появлением магнитных дисков. До этого каждая прикладная программа сама решала проблемы именования данных и структуризации данных во внешней памяти. Это затрудняло поддержание на внешнем носителе нескольких архивов долговременно хранимой информации. Историческим шагом явился переход к использованию централизованных систем управления файлами. Система управления файлами берет на себя распределение внешней памяти, отображение имен файлов в адреса внешней памяти и обеспечение доступа к данным.
Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы организовать эффективную работу с данными, хранящимися во внешней памяти и обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с этими данными. Организовать хранение информации на магнитном диске непросто. Это требует хорошего знания устройства контроллера диска, особенностей работы с его регистрами и.т. д. (этим обычно занимается компонент системы ввода-вывода ОС, называемый драйвером диска). Для того чтобы избавить пользователя компьютера от сложностей взаимодействия с аппаратурой и была придумана ясная абстрактная модель файловой системы. Операции записи или чтения файла концептуально проще, чем низкоуровневые операции работы с устройствами. Основная идея использования внешней памяти состоит в следующем. ОС делит ее на блоки фиксированного размера, например, 4096 байт. С точки зрения пользователя каждый файл состоит из набора индивидуальных элементов, называемых записями (например, характеристика какого-нибудь объекта). Каждый файл хранится в виде определенной последовательности блоков (не обязательно смежных); каждый блок хранит целое число записей. В некоторых ОС (MS-DOS) адреса блоков, содержащих данные файла, могут быть организованы в связный список и вынесены в отдельную таблицу в памяти. В других ОС (Unix), адреса блоков данных файла хранятся в отдельном блоке внешней памяти (так называемом индексе или индексном узле). Этот прием называется индексацией и является наиболее распространенным для приложений, требующих произвольного доступа к записям файлов. Индекс файла состоит из списка элементов, каждый из которых содержит номер блока в файле и указание о местоположении данного блока. В современных ОС файлы обычно представляют собой неструктурированную последовательность байтов (длина записи равна 1) и считывание очередного байта осуществляется с так называемой текущей позиции, которая характеризуется смещением от начала файла. Зная размер блока, легко вычислить номер блока, содержащего текущую позицию. Адрес же нужного блока диска можно затем извлечь из индекса файла. Базовой операцией, выполняемой по отношению к файлу, является чтение блока с диска и перенос его в буфер, находящийся в основной памяти. Файловая система позволяет при помощи системы справочников (каталогов, директорий) связать уникальное имя файла с блоками вторичной памяти, содержащими данные файла. Иерархическая структура каталогов, используемая для управления файлами, является другим примером индексной структуры. В этом случае каталоги или папки играют роль индексов, каждый из которых содержит ссылки на свои подкаталоги. С этой точки зрения вся файловая система компьютера представляет собой большой индексированный файл. Понятие «файловая система» включает [31]:
совокупность всех файлов на диске,
наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,
комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.
Файлы управляются ОС. То, как они структурированы, поименованы, используются, защищены, реализованы – одна из главных тем проектирования ОС. Перечислим основные функции файловой системы:
Идентификация файлов. Связывание имени файла с выделенным ему пространством внешней памяти.
Распределение внешней памяти между файлами. Для работы с конкретным файлом не требуется иметь информацию о местоположении этого файла на внешнем носителе информации. Например, для того, чтобы загрузить документ в редактор с жесткого диска нам не требуется знать на какой стороне какого магнитного диска и на каком цилиндре и в каком секторе находится требуемый документ.
Обеспечение надежности и отказоустойчивости. Стоимость информации может во много раз превышать стоимость компьютера.
Обеспечение защиты от НСД.
Обеспечение совместного доступа к файлам, не требуя от пользователя специальных усилий по обеспечению синхронизации доступа.
Обеспечение высокой производительности.
Иногда говорят, что файл - поименованный набор связанной информации, записанной во вторичную память. Для большинства пользователей файловая система - наиболее видимая часть ОС. Она предоставляет механизм для он-лайнового хранения и доступа, как данным, так и программам ОС для всех пользователям системы. С точки зрения пользователя файл - минимальная величина внешней памяти, то есть данные, записанные на диск должны быть в составе какого-нибудь файла. Важный аспект организации файловой системы – учет стоимости операций взаимодействия с вторичной памятью. Процесс считывания блока диска состоит из позиционирования считывающей головки над дорожкой, содержащей требуемый блок, ожидания, пока требуемый блок сделает оборот и окажется под головкой и собственно считывания блока. Для этого требуется значительное время (десятки миллисекунд). В современных компьютерах обращение к диску примерно в 100000 медленнее, чем обращение к памяти. Таким образом, критерием вычислительной сложности алгоритмов, работающих с внешней памятью, является количество обращений к диску. В данной главе рассмотрены вопросы структуры, именования, защиты файлов, операции, разрешенные над файлами, организация файлового архива. Проблемы выделения дискового пространства, обеспечения производительной работы файловой системы и ряд других, интересующие дизайнеров системы, вынесены в следующую главу.