- •Что такое операционная система Структура вычислительной системы
- •Что такое ос
- •Операционная система как виртуальная машина
- •Операционная система как менеджер ресурсов
- •Операционная система как защитник пользователей и программ
- •Операционная система как постоянно функционирующее ядро
- •Краткая история эволюции вычислительных систем
- •Первый период (1945–1955 гг.). Ламповые машины. Операционных систем нет
- •Второй период (1955 г.–начало 60-х). Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные операционные системы
- •Третий период (начало 60-х – 1980 г.). Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные ос
- •Четвертый период (с 1980 г. По настоящее время). Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы
- •Основные понятия, концепции ос
- •Системные вызовы
- •Прерывания
- •Исключительные ситуации
- •Процессы, нити
- •Архитектурные особенности ос
- •Монолитное ядро
- •Многоуровневые системы (Layered systems)
- •Виртуальные машины
- •Микроядерная архитектура
- •Смешанные системы
- •Классификация ос
- •Реализация многозадачности
- •Поддержка многопользовательского режима
- •Многопроцессорная обработка
- •Системы реального времени
- •Заключение
- •Приложение 1. Некоторые сведения об архитектуре компьютера
- •Взаимодействие с периферийными устройствами
- •2. Лекция: Процессы
- •Понятие процесса
- •Состояния процесса
- •Операции над процессами и связанные с ними понятия Набор операций
- •Process Control Block и контекст процесса
- •Одноразовые операции
- •Многоразовые операции
- •Переключение контекста
- •Заключение
- •3. Лекция: Планирование процессов
- •Уровни планирования
- •Критерии планирования и требования к алгоритмам
- •Параметры планирования
- •Вытесняющее и невытесняющее планирование
- •Алгоритмы планирования
- •First-Come, First-Served (fcfs)
- •Round Robin (rr)
- •Shortest-Job-First (sjf)
- •Гарантированное планирование
- •Приоритетное планирование
- •Многоуровневые очереди (Multilevel Queue)
- •Многоуровневые очереди с обратной связью (Multilevel Feedback Queue)
- •Заключение
- •4. Лекция: Кооперация процессов и основные аспекты ее логической организации
- •Взаимодействующие процессы
- •Категории средств обмена информацией
- •Логическая организация механизма передачи информации
- •Как устанавливается связь?
- •Информационная валентность процессов и средств связи
- •Особенности передачи информации с помощью линий связи
- •Буферизация
- •Поток ввода/вывода и сообщения
- •Надежность средств связи
- •Как завершается связь?
- •Нити исполнения
- •Заключение
- •5. Лекция: Алгоритмы синхронизации
- •Interleaving, race condition и взаимоисключения
- •Критическая секция
- •Программные алгоритмы организации взаимодействия процессов Требования, предъявляемые к алгоритмам
- •Запрет прерываний
- •Переменная-замок
- •Строгое чередование
- •Флаги готовности
- •Алгоритм Петерсона
- •Алгоритм булочной (Bakery algorithm)
- •Аппаратная поддержка взаимоисключений
- •Команда Test-and-Set (проверить и присвоить 1)
- •Команда Swap (обменять значения)
- •Заключение
- •6. Лекция: Механизмы синхронизации
- •Семафоры
- •Концепция семафоров
- •Решение проблемы producer-consumer с помощью семафоров
- •Мониторы
- •Сообщения
- •Эквивалентность семафоров, мониторов и сообщений
- •Реализация мониторов и передачи сообщений с помощью семафоров
- •Реализация семафоров и передачи сообщений с помощью мониторов
- •Реализация семафоров и мониторов с помощью очередей сообщений
- •Заключение
- •7. Лекция: Тупики Введение
- •Условия возникновения тупиков
- •Основные направления борьбы с тупиками
- •Игнорирование проблемы тупиков
- •Способы предотвращения тупиков
- •Способы предотвращения тупиков путем тщательного распределения ресурсов. Алгоритм банкира
- •Предотвращение тупиков за счет нарушения условий возникновения тупиков
- •Нарушение условия взаимоисключения
- •Нарушение условия ожидания дополнительных ресурсов
- •Нарушение принципа отсутствия перераспределения
- •Hарушение условия кругового ожидания
- •Обнаружение тупиков
- •Восстановление после тупиков
- •Заключение
- •8. Лекция: Организация памяти компьютера. Простейшие схемы управления памятью Введение
- •Физическая организация памяти компьютера
- •Локальность
- •Логическая память
- •Связывание адресов
- •Функции системы управления памятью
- •Простейшие схемы управления памятью
- •Один процесс в памяти
- •Оверлейная структура
- •Динамическое распределение. Свопинг
- •Страничная память
- •Сегментная и сегментно-страничная организация памяти
- •Заключение
- •9. Лекция: Виртуальная память. Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти
- •Понятие виртуальной памяти
- •Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти
- •Страничная виртуальная память
- •Сегментно-страничная организации виртуальной памяти
- •Структура таблицы страниц
- •Ассоциативная память
- •Инвертированная таблица страниц
- •Размер страницы
- •Заключение
- •10. Лекция: Аппаратно-независимый уровень управления виртуальной памятью
- •Исключительные ситуации при работе с памятью
- •Стратегии управления страничной памятью
- •Алгоритмы замещения страниц
- •Алгоритм fifo. Выталкивание первой пришедшей страницы
- •Аномалия Билэди (Belady)
- •Оптимальный алгоритм (opt)
- •Выталкивание дольше всего не использовавшейся страницы. Алгоритм lru
- •Выталкивание редко используемой страницы. Алгоритм nfu
- •Другие алгоритмы
- •Управление количеством страниц, выделенным процессу. Модель рабочего множества
- •Трешинг (Thrashing)
- •Модель рабочего множества
- •Страничные демоны
- •Программная поддержка сегментной модели памяти процесса
- •Отдельные аспекты функционирования менеджера памяти
- •Заключение
- •11. Лекция: Файлы с точки зрения пользователя Введение
- •Общие сведения о файлах Имена файлов
- •Типы файлов
- •Атрибуты файлов
- •Организация файлов и доступ к ним
- •Последовательный файл
- •Файл прямого доступа
- •Другие формы организации файлов
- •Операции над файлами
- •Директории. Логическая структура файлового архива
- •Разделы диска. Организация доступа к архиву файлов.
- •Операции над директориями
- •Защита файлов
- •Контроль доступа к файлам
- •Списки прав доступа
- •Заключение
- •12. Лекция: Реализация файловой системы
- •Общая структура файловой системы
- •Управление внешней памятью
- •Методы выделения дискового пространства
- •Выделение непрерывной последовательностью блоков
- •Связный список
- •Индексные узлы
- •Управление свободным и занятым дисковым пространством
- •Учет при помощи организации битового вектора
- •Учет при помощи организации связного списка
- •Размер блока
- •Структура файловой системы на диске
- •Монтирование файловых систем
- •Связывание файлов
- •Кооперация процессов при работе с файлами
- •Примеры разрешения коллизий и тупиковых ситуаций
- •Hадежность файловой системы
- •Целостность файловой системы
- •Порядок выполнения операций
- •Журнализация
- •Проверка целостности файловой системы при помощи утилит
- •Управление "плохими" блоками
- •Производительность файловой системы
- •Кэширование
- •Оптимальное размещение информации на диске
- •Реализация некоторых операций над файлами
- •Системные вызовы, работающие с символическим именем файла Системные вызовы, связывающие pathname с дескриптором файла
- •Связывание файла
- •Удаление файла
- •Системные вызовы, работающие с файловым дескриптором
- •Функции ввода-вывода из файла
- •Современные архитектуры файловых систем
- •Заключение
- •13. Лекция: Система управления вводом-выводом
- •Физические принципы организации ввода-вывода
- •Общие сведения об архитектуре компьютера
- •Структура контроллера устройства
- •Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы
- •Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – dma)
- •Логические принципы организации ввода-вывода
- •Структура системы ввода-вывода
- •Систематизация внешних устройств и интерфейс между базовой подсистемой ввода-вывода и драйверами
- •Функции базовой подсистемы ввода-вывода
- •Блокирующиеся, неблокирующиеся и асинхронные системные вызовы
- •Буферизация и кэширование
- •Spooling и захват устройств
- •Обработка прерываний и ошибок
- •Планирование запросов
- •Алгоритмы планирования запросов к жесткому диску
- •Строение жесткого диска и параметры планирования
- •Алгоритм First Come First Served (fcfs)
- •Алгоритм Short Seek Time First (sstf)
- •Алгоритмы сканирования (scan, c-scan, look, c-look)
- •Заключение
- •14. Лекция: Сети и сетевые операционные системы
- •Для чего компьютеры объединяют в сети
- •Сетевые и распределенные операционные системы
- •Взаимодействие удаленных процессов как основа работы вычислительных сетей
- •Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами
- •Понятие протокола
- •Многоуровневая модель построения сетевых вычислительных систем
- •Проблемы адресации в сети
- •Одноуровневые адреса
- •Двухуровневые адреса
- •Удаленная адресация и разрешение адресов
- •Локальная адресация. Понятие порта
- •Полные адреса. Понятие сокета (socket)
- •Проблемы маршрутизации в сетях
- •Связь с установлением логического соединения и передача данных с помощью сообщений
- •Синхронизация удаленных процессов
- •Заключение
- •15. Лекция: Основные понятия информационной безопасности Введение
- •Угрозы безопасности
- •Формализация подхода к обеспечению информационной безопасности
- •Криптография как одна из базовых технологий безопасности ос
- •Шифрование с использованием алгоритма rsa
- •Теорема Эйлера
- •Заключение
- •16. Лекция: Защитные механизмы операционных систем
- •Идентификация и аутентификация
- •Пароли, уязвимость паролей
- •Шифрование пароля
- •Авторизация. Разграничение доступа к объектам ос
- •Домены безопасности
- •Матрица доступа
- •Список прав доступа. Access control list
- •Мандаты возможностей. Capability list
- •Другие способы контроля доступа
- •Смена домена
- •Недопустимость повторного использования объектов
- •Выявление вторжений. Аудит системы защиты
- •Анализ некоторых популярных ос с точки зрения их защищенности
- •NetWare, IntranetWare
- •Windows nt/2000/xp
- •Заключение
- •Список литературы
Мониторы
Хотя решение задачи producer-consumerс помощьюсемафороввыглядит достаточно изящно, программирование с их использованием требует повышенной осторожности и внимания, чем отчасти напоминает программирование на языке Ассемблера. Допустим, что в рассмотренном примере мы случайно поменяли местами операцииP, сначала выполнив операцию длясемафораmutex, а уже затем длясемафоровfullиempty. Допустим теперь, что потребитель, войдя в свой критический участок (mutexсброшен), обнаруживает, что буфер пуст. Он блокируется и начинает ждать появления сообщений. Но производитель не может войти в критический участок для передачи информации, так как тот заблокирован потребителем. Получаем тупиковую ситуацию.
В сложных программах произвести анализ правильности использования семафоровс карандашом в руках становится очень непросто. В то же время обычные способы отладки программ зачастую не дают результата, поскольку возникновение ошибок зависит от interleaving атомарных операций, и ошибки могут быть трудновоспроизводимы. Для того чтобы облегчить работу программистов, в 1974 году Хором (Hoare) был предложен механизм еще более высокого уровня, чемсемафоры, получивший названиемониторов. Мы с вами рассмотрим конструкцию, несколько отличающуюся от оригинальной.
Мониторыпредставляют собой тип данных, который может быть с успехом внедрен в объектно-ориентированные языки программирования.Мониторобладает собственными переменными, определяющими его состояние. Значения этих переменных извне могут быть изменены только с помощью вызова функций-методов, принадлежащихмонитору. В свою очередь, эти функции-методы могут использовать в работе только данные, находящиеся внутримонитора, и свои параметры. На абстрактном уровне можно описать структурумонитораследующим образом:
monitor monitor_name {
описание внутренних переменных ;
void m1(...){...
}
void m2(...){...
}
...
void mn(...){...
}
{
блок инициализации
внутренних переменных;
}
}
Здесь функции m1,..., mnпредставляют собой функции-методымонитора, а блок инициализации внутренних переменных содержит операции, которые выполняются один и только один раз: при созданиимонитораили при самом первом вызове какой-либо функции-метода до ее исполнения.
Важной особенностью мониторов является то, что в любой момент времени только один процесс может быть активен, т. е. находиться в состоянии готовностьилиисполнение, внутри данногомонитора. Посколькумониторыпредставляют собой особые конструкции языка программирования, компилятор может отличить вызов функции, принадлежащеймонитору, от вызовов других функций и обработать его специальным образом, добавив к нему пролог и эпилог, реализующий взаимоисключение. Так как обязанность конструирования механизма взаимоисключений возложена на компилятор, а не на программиста, работа программиста при использованиимониторовсущественно упрощается, а вероятность возникновения ошибок становится меньше.
Однако одних только взаимоисключений недостаточно для того, чтобы в полном объеме реализовать решение задач, возникающих при взаимодействии процессов. Нам нужны еще и средства организации очередности процессов, подобно семафорамfullиemptyв предыдущем примере. Для этого вмониторахбыло введено понятие условных переменных (condition variables)1), над которыми можно совершать две операцииwaitиsignal, отчасти похожие на операцииPиVнадсемафорами.
Если функция мониторане может выполняться дальше, пока не наступит некоторое событие, она выполняет операциюwaitнад какой-либоусловной переменной. При этом процесс, выполнивший операциюwait, блокируется, становится неактивным, и другой процесс получает возможность войти вмонитор.
Когда ожидаемое событие происходит, другой процесс внутри функции-метода совершает операцию signalнад той же самойусловной переменной. Это приводит к пробуждению ранее заблокированного процесса, и он становится активным. Если несколько процессов дожидались операцииsignalдля этой переменной, то активным становится только один из них. Что можно предпринять для того, чтобы у нас не оказалось двух процессов, разбудившего и пробужденного, одновременно активных внутримонитора? Хор предложил, чтобы пробужденный процесс подавлял исполнение разбудившего процесса, пока он сам не покинетмонитор. Несколько позже Хансен (Hansen) предложил другой механизм: разбудивший процесс покидаетмониторнемедленно после исполнения операцииsignal. Мы будем придерживаться подхода Хансена.
Необходимо отметить, что условные переменные, в отличие от семафоров Дейкстры, не умеют запоминать предысторию. Это означает, что операцияsignalвсегда должна выполняться после операцииwait.Если операцияsignalвыполняется над условной переменной, с которой не связано ни одного заблокированного процесса, то информация о произошедшем событии будет утеряна. Следовательно, выполнение операцииwaitвсегда будет приводить к блокированию процесса.
Давайте применим концепцию мониторовк решению задачи производитель-потребитель.
monitor ProducerConsumer {
condition full, empty;
int count;
void put() {
if(count == N) full.wait;
put_item;
count += 1;
if(count == 1) empty.signal;
}
void get() {
if (count == 0) empty.wait;
get_item();
count -= 1;
if(count == N-1) full.signal;
}
{
count = 0;
}
}
Producer:
while(1) {
produce_item;
ProducerConsumer.put();
}
Consumer:
while(1) {
ProducerConsumer.get();
consume_item;
}
Легко убедиться, что приведенный пример действительно решает поставленную задачу.
Реализация мониторовтребует разработки специальных языков программирования и компиляторов для них.Мониторывстречаются в таких языках, как параллельный Евклид, параллельный Паскаль, Java и т. д. Эмуляциямониторовс помощью системных вызовов для обычных широко используемых языков программирования не так проста, как эмуляциясемафоров. Поэтому можно пользоваться еще одним механизмом со скрытыми взаимоисключениями, механизмом, о котором мы уже упоминали, – передачей сообщений.