- •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
4.3.3Методы распределения памяти с использованием дискового пространства Понятие виртуальной памяти
Уже достаточно давно пользователи столкнулись с проблемой размещения в памяти программ, размер которых превышал имеющуюся в наличии свободную память. Решением было разбиение программы на части, называемые оверлеями. Нулевой оверлей начинал выполняться первым. Когда он заканчивал свое выполнение, он вызывал другой оверлей. Все оверлеи хранились на диске и перемещались между памятью и диском средствами операционной системы. Однако разбиение программы на части и планирование их загрузки в оперативную память должен был осуществлять программист.
Развитие методов организации вычислительного процесса в этом направлении привело к появлению метода, известного под названием виртуальная память.
Виртуальная память – это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих разрабатывать программы, размер которых превосходит имеющуюся оперативную память. Для этого виртуальная память решает следующие задачи:
размещение данных в запоминающих устройствах разного типа, например, часть программы в оперативной памяти, а часть на диске;
перемещение по мере необходимости данных между запоминающими устройствами разного типа, например, подгрузка нужной части программы с диска в оперативную память;
преобразование виртуальных адресов в физические.
Все эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, то есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю.
Наиболее распространенными реализациями виртуальной памяти является страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг.
Страничное распределение
На рисунке 4.7 показана схема страничного распределения памяти. При такой организации памяти виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами. В общем случае размер виртуального адресного пространства не является кратным размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью.
Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками).
Размер страницы обычно выбирается равным степени двойки: 512, 1024 и т.д., это позволяет упростить механизм преобразования адресов.
При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, а остальные – на диск. Смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах. При загрузке операционная система создает для каждого процесса информационную структуру – таблицу страниц, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск. Кроме того, в таблице страниц содержится управляющая информация, такая как признак модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени) и другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти.
При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц данного процесса.
При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой произошло обращение. Если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.
В данной ситуации может быть использовано много разных критериев выбора, наиболее популярные из них следующие:
дольше всего не использовавшаяся страница;
первая попавшаяся страница;
страница, к которой в последнее время было меньше всего обращений.
В некоторых системах используется понятие рабочего множества страниц. Рабочее множество определяется для каждого процесса и представляет собой перечень наиболее часто используемых страниц, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти и поэтому не подлежат выгрузке.
После того, как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную память, анализируется ее признак модификации (из таблицы страниц). Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то она может быть просто уничтожена, то есть соответствующая физическая страница объявляется свободной.
При каждом обращении к оперативной памяти аппаратными средствами выполняются следующие действия:
на основании начального адреса таблицы страниц (содержимое регистра адреса таблицы страниц), номера виртуальной страницы (старшие разряды виртуального адреса) и длины записи в таблице страниц (системная константа) определяется адрес нужной записи в таблице;
из этой записи извлекается номер физической страницы;
к номеру физической страницы присоединяется смещение (младшие разряды виртуального адреса).
На производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные затраты, связанные с обработкой страничных прерываний и преобразованием виртуального адреса в физический. При часто возникающих страничных прерываниях система может тратить большую часть времени впустую, на свопинг страниц. Чтобы уменьшить частоту страничных прерываний, следовало бы увеличивать размер страницы. Кроме того, увеличение размера страницы уменьшает размер таблицы страниц, а значит уменьшает затраты памяти. С другой стороны, если страница велика, значит велика и фиктивная область в последней виртуальной странице каждой программы. В среднем на каждой программе теряется половина объема страницы, что в сумме при большой странице может составить существенную величину. Время преобразования виртуального адреса в физический в значительной степени определяется временем доступа к таблице страниц. В связи с этим таблицу страниц стремятся размещать в «быстрых» запоминающих устройствах. Это может быть, например, набор специальных регистров или память, использующая для уменьшения времени доступа ассоциативный поиск и кэширование данных.
Страничное распределение памяти может быть реализовано в упрощенном варианте, без выгрузки страниц на диск. В этом случае все виртуальные страницы всех процессов постоянно находятся в оперативной памяти. Такой вариант страничной организации хотя и не предоставляет пользователю виртуальной памяти, но почти исключает фрагментацию за счет того, что программа может загружаться в несмежные области, а также того, что при загрузке виртуальных страниц никогда не образуется остатков.