- •Часть I. Общие сведения 5
- •Глава 4. Кооперация процессов и основные аспекты ее логической организации 43
- •Глава 5. Алгоритмы синхронизации 54
- •Глава 6. Механизмы синхронизации 66
- •Глава 7. Тупики 74
- •Часть III. Управление памятью. 85
- •Глава 8. Введение. Простейшие схемы управления памятью. 85
- •Глава 9. Виртуальная память. Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти 94
- •Глава 10. Аппаратно-независимый уровень управления виртуальной памятью 106
- •Часть IV. Файловые системы 119
- •Глава 11. Файлы с точки зрения пользователя 119
- •Глава 12. Реализация файловой системы 131
- •Часть V. Ввод-вывод 150
- •Глава 13. Система управления вводом-выводом 150
- •Введение в операционные системы Часть I. Общие сведения Глава 1. Введение
- •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
- •Часть II. Процессы и их поддержка в операционной системе Глава 2. Процессы
- •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
- •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)
- •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. Потоки исполнения
- •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)
- •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
- •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 обхода тупиков путем тщательного распределения ресурсов.
- •7.8.1 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.
- •Часть III. Управление памятью.
- •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.
- •8.3.1.1 Один процесс в памяти
- •8.3.1.2 Оверлейная структура
- •8.3.2 Свопинг
- •8.3.3 Мультипрограммирование с переменными разделами.
- •Глава 9. Виртуальная память. Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти
- •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.
- •10.4.1 Концепция локальности
- •10.4.2 Модель рабочего множества (Working Set)
- •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.
- •Часть IV. Файловые системы
- •Глава 11. 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
- •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
- •12.4.2Поиск в директории
- •12.5 Монтирование файловых систем.
- •12.6 Кооперация процессов при работе с файлами.
- •12.7 Надежность файловой системы.
- •12.7.1 Целостность файловой системы.
- •12.7.2 Управление плохими блоками.
- •12.8 Производительность файловой системы
- •12.9 Современные архитектуры файловых систем
- •Часть V. Ввод-вывод 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)
7.8.1 Алгоритм банкира.
Можно избежать тупиковой ситуации, если рациональным образом использовать ресурсы, придерживаясь
определенных правил. Наиболее известен среди алгоритмов такого рода - алгоритм банкира, предложенный Дейкстрой. Он, как бы имитирует действия банкира, который, располагая определенным источником капитала, принимает ссуды и выдает платежи.
Предположим, что у системы в наличии n устройств, например лент. Суть алгоритма состоит в следующем.
ОС принимает запрос от пользовательского процесса, если его максимальная потребность не превышает n.
Пользователь гарантирует, что если ОС в состоянии удовлетворить его запрос, то все устройства будут возвращены системе в течение конечного времени.
Текущее состояние системы называется надежным, если ОС может обеспечить всем процессам их выполнение в течение конечного времени.
В соответствии с алгоритмом банкира выделение устройств возможно, только если состояние системы остается надежным.
Рассмотрим пример надежного состояния для системы с тремя пользователями и 12-ю устройствами, где 10 устройств задействовано, а 2 имеется в наличии. Пусть текущая ситуация такова:
|
|
Текущее количество |
Максимальная потребность |
|
Первый пользователь |
1 |
4 |
|
Второй пользователь |
4 |
6 |
|
Третий пользователь |
5 |
8 |
Данное состояние надежно. Последующие действия системы могут быть таковы. Вначале удовлетворить запросы второго пользователя, затем дождаться, когда он выполнит свою работу и освободит свои 6 устройств. Затем можно обслужить остальных пользователей. То есть, система удовлетворяет только те запросы, которые оставляют ее в надежном состоянии и отклоняет остальные.
Термин ненадежное состояние не предполагает, что обязательно возникнут тупики. Он лишь говорит о том, что в случае неблагоприятной последовательности событий система может зайти в тупик.
7.8.2 Недостатки алгоритма банкира
У алгоритма банкира имеются серьезные недостатки, из-за которых разработчик может выбрать другой подход для решения проблемы тупиков:
Алгоритм банкира исходит из фиксированного количества ресурсов.
Он требует, чтобы число работающих пользователей оставалось постоянным
Данный алгоритм требует, чтобы распределитель гарантированно удовлетворял запросы за конечный период времени. Очевидно, что для реальных систем нужны более конкретные гарантии.
Алгоритм требует, чтобы клиенты гарантированно возвращали ресурсы. Опять таки в реальных системах требуются, гораздо более конкретные гарантии.
Требуется, чтобы пользователи заранее указали свои максимальные потребности в ресурсах. При динамическом распределении ресурсов трудно оценить максимальные потребности пользователей.
В следующей секции рассмотрены другие способы предотвращения тупиков.
7.9 Предотвращение тупиков за счет нарушения условий возникновения тупиков.
Как же может реальная система избежать тупиков, если отсутствует информация о будущих запросах? Для ответа на этот вопрос вернемся к четырем условиям раздела 7.3. Если мы сможем организовать работу системы так, что, по крайней мере, одно из этих условий не удовлетворено, тупик не возможен.