- •1. Определение и функции ос. Классификация многозадачных ос. Принципиальные отличия требований к системам реального времени и к обычными системами разделения времени.
- •1 Вопрос. Определение и функции ос.
- •2 Вопрос. Три подхода к определению ос:
- •3 Вопрос. Классификация многозадачных ос
- •2. Ядро ос. Подходы к определению ядра ос (классический и по Василенко). Причины неоднозначности. Режим ядра и режим пользователя. Системный вызов и его реализация (на примере любой ос/архитектуры).
- •4 Вопрос. Подходы к определению ядра ос
- •7 Вопрос. Понятие процесса. Адресное пространство процесса
- •8 Вопрос. Контекст процесса. Регистровый контекст
- •9 Вопрос. Системный контекст
- •10 Вопрос. Контекст процесса.
- •Создание и завершение процесса
- •11 Вопрос. Создание и завершение процесса
- •12 Вопрос. Граф состояний процесса. Причины перехода между состояниями.
- •Все возможные причины блокировки процесса
- •4. Вытесняющая многозадачность. Цели алгоритма планирования и их противоречивость. Основные алгоритмы планирования и их модификации.
- •13 Вопрос. Вытесняющая многозадачность
- •14 Вопрос. Задачи алгоритмов планирования
- •15 Вопрос. Планирование в системах пакетной обработки данных
- •17 Вопрос. Наименьшее оставшееся время выполнения. Трехуровневое планирование
- •18 Вопрос. Планирование в интерактивных системах
- •19 Вопрос. Несколько очередей. "Самый короткий процесс - следующий"
- •20 Вопрос. Гарантированное планирование. Лотерейное планирование. Справедливое планирование
- •21 Вопрос. Планирование в системах реального времени
- •22 Вопрос. Иерархия классов в Linux: rt, cfs, idle, stats.
- •23 Вопрос. Реальные алгоритмы планирования
- •24 Вопрос. Проблема балансировки нагрузки в smp-системах
- •Область применения нитей и процессов.
- •Реализация потоков в ядре
- •7. Синхронизация процессов и нитей (в т.Ч. Ядерных). Основные примитивы синхронизации. Различия семафоров и спин-блокировки. Ограничения использования семафоров в ядре (сюда же can_sleep()).
- •25 Вопрос. Примитивы межпроцессного взаимодействия
- •Спин-блокировки:
- •26 Вопрос. Семафоры
- •27 Вопрос. Мьютексы
- •[Крищенко: метода sys_linux]
- •28 Вопрос. Виртуальная память
- •Задачи, решаемые виртуальной памятью:
- •Вопросы из лекций:
- •29 Вопрос. Страничная организация виртуальной памяти
- •30 Вопрос. Сегментная и сегментно-страничная организации виртуальной памяти
- •31 Вопрос. Преобразование виртуального адреса в физический при страничном преобразовании
- •32 Вопрос. Tlb и его назначение. Моменты сброса tlb.
- •Адресное пространство процесса
- •Разделы адресного пространства процесса (32 разряда)
- •Выделение памяти процессу и освобождение им памяти. Связь функций выделения памятью стандартной библиотеки и системных вызовов, необходимость менеджера памяти режима пользователя
- •11. Виды межпроцессного взаимодействия и их классификация. Виды ipc в стандартах posix. Использование сокетов tcp/ip при большом количестве соединений Методы межпроцессного взаимодействия.
- •Виды ipc в стандартах posix
- •Использование сокетов tcp/ip при большом количестве соединений
- •32 Вопрос. Ввод-вывод и обработка прерываний.
- •33 Вопрос. Первичная и отложенная обработка прерываний, необходимость такого разделения. Реализация отложенной обработки.
- •13. Планировщик ввода-вывода для дисковых устройств. Алгоритмы планирования ввода-вывода для дискового устройства. Буферизация запросов.
- •34 Вопрос. Структура системы ввода-вывода
- •35 Вопрос. Алгоритмы планирования
- •36 Вопрос. Механизм ввода-вывода
- •36. Вопрос. Дескрипторы очереди запросов. Дескриптор запроса. Процесс планирования ввода-вывода
- •Процесс планирования ввода-вывода
- •14. Подсистема виртуальной фс в ядре ос. Кеширование. Ввод-вывод и прямой доступ к памяти на примере дискового устройства. Необходимость в уровне буферов (на примере Линукс)
- •Основные структуры
- •Уровень виртуальной файловой системы
- •Менеджер ввода-вывода
- •Стратегии организации ввода-вывода:
- •Ещё заметка про уровень буфферов
- •37 Вопрос. Основные структуры файловой системы.
- •Задачи файловой системы (from wiki)
- •38 Вопрос. Различные подходы к организации структур фс
- •39 Вопрос. Неразрывные файлы
- •40 Вопрос. Связанные списки. Связанные списки с индексацией
- •Связанные списки с индексацией
- •41 Вопрос. Индексные узлы
- •42 Вопрос. Реализация простой фс (предлагаю на примере minix file system).
- •43 Вопрос. Битовые карты, индексные узлы в minix 3
- •Индексные узлы
- •44 Вопрос. Журналируемые фс.
- •45 Вопрос. Физическая организация fat
- •46 Вопрос. Физическая организация s5 и ufs
- •47 Вопрос. Поиск адреса файла по его символьному имени
- •49 Вопрос. Физическая организация ntfs
- •50 Вопрос. Первый отрезок mft
- •51 Вопрос. Структура файлов ntfs
- •52 Вопрос. Виды файлов в ntfs
- •53 Вопрос. Каталоги ntfs
- •54 Вопрос. Файловые операции
- •55 Вопрос. Открытие файла
- •56 Вопрос. Обмен данными с файлом
- •57 Вопрос. Блокировки файлов
- •58 Вопрос. Стандартные файлы ввода и вывода, перенаправление вывода
- •59 Вопрос. Контроль доступа к файлам
- •60 Вопрос. Механизм контроля доступа
- •61 Вопрос. Организация контроля доступа в ос unix
- •62 Вопрос. Организация контроля доступа в ос Windows nt
- •63 Вопрос. Разрешения на доступ к каталогам и файлам
- •64 Вопрос. Встроенные группы пользователей и их права
- •65 Вопрос. Выводы
- •16. Сетевая подсистема ос и её функции. Причины включения tcp/ip в ядро ос. Реализация сетевых файловых систем.
- •Реализация сетевых файловых систем
- •Таненбаум Файловая система nfs
- •17. Идея микроядра. Недостатки и достоинства концепции микроядра (см. Qnx, Hurd, Minix, использование Mach в Mac os X). Идея микроядра
- •Достоинства:
- •Недостатки:
- •Более подробно о микроядре на примерах:
- •18. Идея ос на базе jit-vm. Недостатки, достоинства, ограничения концепции (смотреть, например, Singularity)
- •20. Существующие стандарты на интерфейсы ос. Группа стандартов Posix. Достоинства и недостатки реализации нестандартных интерфейсов (на примере WinApi). Реализация интерфейсов "чужеродных" ос.
- •Основные идеи стандарта posix
- •Api операционных систем. Проблемы, связанные с многообразием api (статья Wikipedia: Интерфейс программирования приложений)
- •21. Графическая подсистема и её место в ос на примере x11/Cocoa/WinApi. Достоинства и недостатки различных подходов.
17. Идея микроядра. Недостатки и достоинства концепции микроядра (см. Qnx, Hurd, Minix, использование Mach в Mac os X). Идея микроядра
//менее важная информация отмечена курсивом…
Применительно к структурированию ОС идея «клиент-сервер» состоит в разбиении ее на несколько процессов - серверов, каждый из которых выполняет отдельный набор сервисных функций - например, управление памятью, создание или планирование процессов. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме. Клиент, которым может быть либо другой компонент ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер. Ядро ОС (называемое здесь микроядром), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, сервер выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения (рисунок 4.3).
Подход с использованием микроядра заменил вертикальное распределение функций операционной системы на горизонтальное. Компоненты, лежащие выше микроядра, хотя и используют сообщения, пересылаемые через микроядро, взаимодействуют друг с другом непосредственно. Микроядро играет роль регулировщика. Оно проверяет сообщения, пересылает их между серверами и клиентами, и предоставляет доступ к аппаратуре.
Данная теоретическая модель является идеализированным описанием системы клиент-сервер, в которой ядро состоит только из средств передачи сообщений. В действительности различные варианты реализации модели клиент-сервер в структуре ОС могут существенно различаться по объему работ, выполняемых в режиме ядра.
Микроядро реализует жизненно важные функции, лежащие в основе операционной системы. Это базис для менее существенных системных служб и приложений. Именно вопрос о том, какие из системных функций считать несущественными, и, соответственно, не включать их в состав ядра, является предметом спора среди соперничающих сторонников идеи микроядра. В общем случае, подсистемы, бывшие традиционно неотъемлемыми частями операционной системы - файловые системы, управление окнами и обеспечение безопасности - становятся периферийными модулями, взаимодействующими с ядром и друг с другом.
Главный принцип разделения работы между микроядром и окружающими его модулями - включать в микроядро только те функции, которым абсолютно необходимо исполняться в режиме супервизора и в привилегированном пространстве. Под этим обычно подразумеваются машиннозависимые программы (включая поддержку нескольких процессоров), некоторые функции управления процессами, обработка прерываний, поддержка пересылки сообщений, некоторые функции управления устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой команд в регистры устройств. Эти функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить программам, работающим в пространстве пользователя.
Есть два пути решения этой проблемы. Один путь - разместить несколько таких, чувствительных к режиму работы процессора, серверов, в пространстве ядра, что обеспечит им полный доступ к аппаратуре и , в то же время, связь с другими процессами с помощью обычного механизма сообщений. Такой подход был использован, например, при разработке Windows NT: кроме микроядра, в привилегированном режиме работает часть Windows NT, называемая executive управляющей программой. Она включает ряд компонентов, которые управляют виртуальной памятью, объектами, вводом-выводом и файловой системой (включая сетевые драйверы), взаимодействием процессов, и частично системой безопасности.
Другой путь, заключается в том, чтобы оставить в ядре только небольшую часть сервера, представляющую собой механизм реализации решения, а часть, отвечающую за принятие решения, переместить в пользовательскую область. В соответствии с этим подходом, например, в микроядре Mach, на базе которого разработана Workplace OS, размещается только часть системы управления процессами (и нитями), реализующая диспетчеризацию (то есть непосредственно переключение с процесса на процесс), а все функции, связанные с анализом приоритетов, выбором очередного процесса для активизации, принятием решения о переключении на новый процесс и другие аналогичные функции выполняются вне микроядра. Этот подход требует тесного взаимодействия между внешним планировщиком и резидентным диспетчером.
Здесь важно сделать различие - запуск процесса или нити требует доступа к аппаратуре, так что по логике - это функция ядра. Но ядру все равно, какую из нитей запускать, поэтому решения о приоритетах нитей и дисциплине постановки в очередь может принимать работающий вне ядра планировщик.
Кроме уже представленных соображений, перемещение планировщика на пользовательский уровень может понадобиться для чисто коммерческих целей. Некоторые производители ОС (например, IBM и OSF со своими вариантами микроядра Mach) планируют лицензировать свое микроядро другим поставщикам, которым может потребоваться заменить исходный планировщик на другой, поддерживающий, например, планирование в задачах реального времени или реализующий какой-то специальный алгоритм планирования. А вот другая ОС - Windows NT, также использующая микроядерную концепцию - воплотила понятие приоритетов реального времени в своем планировщике, резидентно расположенном в ядре, и это не дает возможности заменить ее планировщик на другой.
Как и управление процессами, управление памятью может распределяться между микроядром и сервером, работающим в пользовательском режиме. Например, в Workplace OS микроядро управляет аппаратурой страничной памяти. Пейджер (система управления страничной памятью), работающий вне ядра, определяет стратегию замещения страниц (т.е. решает, какие страницы следует удалить из памяти для размещения страниц, выбранных с диска в ответ на прерывание по отсутствию необходимой страницы), а микроядро выполняет перемещение выбранных пейджером страниц. Как и планировщик процессов, пейджер является заменяемой составной частью.
Драйверы устройств также могут располагаться как внутри ядра, так и вне его. При размещении драйверов устройств вне микроядра для обеспечения возможности разрешения и запрещения прерываний, часть программы драйвера должна исполняться в пространстве ядра. Отделение драйверов устройств от ядра делает возможной динамическую конфигурацию ОС. Кроме динамической конфигурации, есть и другие причины рассматривать драйверы устройств в качестве процессов пользовательского режима. СУБД, например, может иметь свой драйвер, оптимизированный под конкретный вид доступа к диску, но его нельзя будет подключить, если драйверы будут расположены в ядре. Этот подход также способствует переносимости системы, так как функции драйверов устройств могут быть во многих случаях абстрагированы от аппаратной части.
В настоящее время именно операционные системы, построенные с использованием модели клиент-сервер и концепции микроядра, в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным ОС.