- •Операционные системы
- •Владимирского государственного университета
- •Оглавление
- •1 Операционные системы. Общие понятия 5
- •2 Однопользовательские операционные системы 11
- •3 Сетевые операционные системы 13
- •4 Управление локальными ресурсами 17
- •5 Современные концепции и технологии проектирования операционных систем 43
- •Введение
- •1Операционные системы. Общие понятия
- •1.1Понятие и функции операционной системы
- •1.1.1Ос как расширенная машина
- •1.2Этапы развития ос
- •1.3Классификация ос
- •1.3.1Особенности алгоритмов управления ресурсами
- •Поддержка многозадачности
- •Поддержка многопользовательского режима
- •Вытесняющая и невытесняющая многозадачность
- •Поддержка многонитевости
- •Многопроцессорная обработка
- •1.3.2Особенности аппаратных платформ
- •1.3.3Особенности областей использования
- •1.3.4Особенности методов построения
- •2Однопользовательские операционные системы
- •2.1Структура однозадачной операционной системы
- •2.2Структура многозадачной операционной системы
- •3Сетевые операционные системы
- •3.1Структура сетевой операционной системы
- •3.2Одноранговые сетевые ос и ос выделенных серверов
- •4Управление локальными ресурсами
- •4.1Понятие ресурса
- •4.1.1Свойства и классификация ресурсов
- •4.1.2Действия над ресурсами
- •4.2Управление процессами
- •4.2.1Состояние процессов
- •4.2.2Алгоритмы планирования процессов
- •4.2.3Вытесняющая и невытесняющая многозадачность
- •4.2.4Нити
- •4.2.5Взаимодействие процессов Разделяемая память
- •Программные каналы
- •Системы, управляемые событиями
- •4.2.6Средства синхронизации процессов Проблема синхронизации
- •Критическая секция
- •4.3Управление памятью
- •4.3.1Типы адресов
- •4.3.2Методы распределения памяти без использования дискового пространства
- •Распределение памяти фиксированными разделами
- •Распределение памяти разделами переменной величины
- •Перемещаемые разделы
- •4.3.3Методы распределения памяти с использованием дискового пространства Понятие виртуальной памяти
- •Страничное распределение
- •Сегментное распределение
- •Странично-сегментное распределение
- •Свопинг
- •4.3.4Иерархия запоминающих устройств. Принцип кэширования данных
- •4.4Управление вводом-выводом
- •4.4.1Физическая организация устройств ввода-вывода
- •4.4.2Организация программного обеспечения ввода-вывода
- •Обработка прерываний
- •Драйверы устройств
- •Независимый от устройств, слой операционной системы
- •Пользовательский слой программного обеспечения
- •4.5Файловая система
- •4.5.1Имена файлов
- •4.5.2Типы файлов
- •4.5.3Логическая организация файла
- •4.5.4Физическая организация и адрес файла
- •4.5.5Права доступа к файлу
- •4.5.6Общая модель файловой системы
- •4.5.7Отображаемые в память файлы
- •4.5.8Современная архитектура файловой системы
- •5Современные концепции и технологии проектирования операционных систем
- •5.1Требования, предъявляемые к ос нового поколения
- •5.2Пользовательский интерфейс
- •5.2.1Интерфейс cli
- •5.2.2Интерфейс gui
- •5.3Операционная система Windows nt
- •5.3.1История создания
- •5.3.2Особенности Windows nt версий 4.0 и 5.0
- •5.3.3Требования к аппаратуре
- •5.3.4Области использования Windows nt
- •5.3.5Микроядерная структура Windows nt
- •5.3.6Планирование процессов и нитей
- •5.3.7Управление памятью
- •5.3.8Файловые системы Windows nt
- •Файловая система fat
- •Файловая система ntfs Структура ntfs
- •Короткие имена
- •Надежность ntfs
- •5.3.9Управление вводом-выводом в Windows nt
- •5.3.10Встроенная сетевая поддержка в Windows nt
- •5.3.11Доменная справочная служба Windows nt
- •5.3.12Служба каталогов Active Directory Общие сведения о службе каталогов
- •Архитектура Active Directory
- •Модель данных
- •Логическая структура
- •Модель защиты данных
- •Модель управления
- •Свойства Active Directory
- •Интеграция dns
- •Именование объектов
- •Доступ к Active Directory
- •Виртуальные контейнеры
- •Глобальный каталог
- •Безопасность
- •Репликация
- •Деревья и лес
- •Логическая структура
- •Публикация
- •Литература
4.1.2Действия над ресурсами
При централизованном распределении ресурсов соответствующими механизмами ОС в отношении каждого ресурса предполагается, что процесс-пользователь выполняет три типа действий: запрос, использование, освобождение. При выполнении действия запрос в ответ на требование процесса-пользователя система выделяет ресурс, либо отказывает в распределении. Отказ может быть вызван тем, что распределяемый ресурс находится в состоянии «Занят» либо обусловлен какой-то другой причиной. Если ресурс после выполнения действия запрос распределен процессу, то процесс может использовать его. Выполняется действие использование. Действие освобождение выполняется по требованию процесса и сводится к переводу ресурса в состояние «Свободен».
Природа ресурса и (или) используемое правило распределения ресурса обусловлены параллельной или последовательной схемой использования распределяемого между несколькими процессами ресурса. Последовательная схема предполагает, что в отношении некоторого ресурса, который называют последовательно используемым, допустимо строго последовательное во времени выполнение цепочек действий «запрос-исполнение-освобождение» каждым процессом-потребителем этого ресурса. Для параллельных процессов такие цепочки действий являются критическими областями и должны выполняться так, чтобы удовлетворять правилу взаимного исключения, более подробно о котором ниже. Поэтому последовательно используемый ресурс, разделяемый несколькими параллельными процессами, чаще называют критическим ресурсом. В рассмотренном классе потребляемых ресурсов буфер, хранящий принятые, но еще не востребованные сообщения, является примером критического ресурса для процесса-производителя и процесса-потребителя соответственно.
Параллельная схема предполагает параллельное, т. е. одновременное, использование одного ресурса, который поэтому называют параллельно используемым более чем одним процессом. Такое использование не должно вносить каких-либо ошибок в логику развития каждого из процессов. Аналогично рассмотренному случаю, ресурс может быть параллельно используемым благодаря своей природе либо специальной организации действий при работе с ним. Массив данных, находящийся в некоторой области оперативной памяти и допускающий только чтение данных из него, – пример параллельно используемого ресурса.
4.2Управление процессами
Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Процесс (или задача) – абстракция, описывающая выполняющуюся программу. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.
4.2.1Состояние процессов
В многозадачной (многопроцессной) системе процесс может находиться в одном из трех основных состояний:
ВЫПОЛНЕНИЕ – активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;
ОЖИДАНИЕ – пассивное состояние процесса, процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса;
ГОТОВНОСТЬ – также пассивное состояние процесса, но в этом случае процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.
В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе. Типичный граф состояний процесса показан на рисунке 4.1.
|
Рис. 4.1. Граф состояний процесса в многозадачной среде
|
В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ – несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно «вытеснен» из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени. В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.
Таким образом, на протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды (состояние операционной среды отображается состоянием регистров, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы и т.д.). Эта информация называется контекстом процесса.
Кроме этого, операционной системе для реализации планирования процессов требуется дополнительная информация: идентификатор процесса, состояние процесса, данные о степени привилегированности процесса и другая информация. В некоторых ОС (например, в UNIX) информацию такого рода называют дескриптором процесса.
Дескриптор процесса по сравнению с контекстом содержит более оперативную информацию, которая должна быть легко доступна подсистеме планирования процессов. Контекст процесса содержит менее актуальную информацию и используется операционной системой только после того, как принято решение о возобновлении прерванного процесса.