120. Основные концепции ос unix/Linux, средства графического интерфейса пользователей, основные механизмы и компоненты ядра, программирование в среде unix /Linux.

Технические средства, выполняют функции, обеспечивающие функционирование операционной системы. Операционная система взаимодействует с аппаратурой непосредственно, обеспечивая обслуживание программ и их независимость от деталей аппаратной конфигурации. Если представить систему состоящей из пластов, в ней можно выделить системное ядро, изолированное от пользовательских программ.

РИСУНОК 119

Программы, подобные командному процессору shell и редакторам (ed и vi) и показанные на внешнем по отношению к ядру слое, взаимодействуют с ядром при помощи хорошо определенного набора обращений к операционной системе. Обращения к операционной системе понуждают ядро к выполнению различных операций, которых требует вызывающая программа, и обеспечивают обмен данными между ядром и программой. Некоторые из программ, приведенных на рисунке, в стандартных конфигурациях системы известны как команды, однако на одном уровне с ними могут располагаться и доступные пользователю программы, такие как программа a.out, стандартное имя для исполняемого файла, созданного компилятором с языка Си. Другие прикладные программы располагаются выше указанных программ, на верхнем уровне, как это показано на рисунке. Хотя на рисунке приведена двухуровневая иерархия прикладных программ, пользователь может расширить иерархическую структуру на столько уровней, сколько необходимо. В самом деле, стиль программирования, принятый в системе UNIX, допускает разработку комбинации программ, выполняющих одну и ту же, общую задачу.

В версии V принято 64 типа обращений к операционной системе, из которых немногим меньше половины используются часто. Набор обращений к операционной системе вместе с реализующими их внутренними алгоритмами составляют "тело" ядра. Короче говоря, ядро реализует функции, на которых основывается выполнение всех прикладных программ в системе UNIX, и им же определяются эти функции.

На Рисунке уровень ядра операционной системы изображен непосредственно под уровнем прикладных программ пользователя. Выполняя различные элементарные операции по запросам пользовательских процессов, ядро обеспечивает функционирование пользовательского интерфейса. Среди функций ядра можно отметить:

- Управление выполнением процессов посредством их создания, завершения или приостановки и организации взаимодействия между ними.

- Планирование очередности предоставления выполняющимся процессам времени центрального процессора (диспетчеризация). Процессы работают с центральным процессором в режиме разделения времени: центральный процессор выполняет процесс, по завершении отсчитываемого ядром кванта времени процесс приостанавливается и ядро активизирует выполнение другого процесса. Позднее ядро запускает приостановленный процесс.

- Выделение выполняемому процессу оперативной памяти. Ядро операционной системы дает процессам возможность совместно использовать участки адресного пространства на определенных условиях, защищая при этом адресное пространство, выделенное процессу, от вмешательства извне. Если системе требуется свободная память, ядро освобождает память, временно выгружая процесс на внешние запоминающие устройства, которые называют устройствами выгрузки. Если ядро выгружает процессы на устройства выгрузки целиком, такая реализация системы UNIX называется системой со свопингом (подкачкой); если же на устройство выгрузки выводятся страницы памяти, такая система называется системой с замещением страниц.

- Выделение внешней памяти с целью обеспечения эффективного хранения информации и выборка данных пользователя. Именно в процессе реализации этой функции создается файловая система. Ядро выделяет внешнюю память под пользовательские файлы, мобилизует неиспользуемую память, структурирует файловую систему в форме, доступной для понимания, и защищает пользовательские файлы от несанкционированного доступа.

- Управление доступом процессов к периферийным устройствам, таким как терминалы, ленточные устройства, дисководы и сетевое оборудование.

Средства графического интерфейса пользователей

Во-первых, во всех случаях поддерживается многооконный режим работы с экраном терминала.

Во-вторых, во всех современных разновидностях графического интерфейса поддерживается управление мышью.

В-третьих, такое распространение "мышиного" стиля работы оказывается возможным за счет использования интерфейсных средств, основанных на пиктограммах (icons) и меню. Наконец, современные графические интерфейсы обладают "дружественностью по отношению к пользователю", обеспечивая возможность немедленного получения интерактивной подсказки по любому поводу.

В настоящее время оконная система X является фактическим стандартом опорных средств графического интерфейса. Система X, дополнительные библиотеки, а также ряд готовых интерфейсных средств распространяются MIT бесплатно. В то же время сегодня именно оконная система X является базовым механизмом организации графических интерфейсов пользователя в большинстве UNIX-систем.

Поскольку ОС UNIX является интерактивной операционной системой, то каждый работающий в системе пользователь взаимодействует с системой через предоставленный ему терминал (скорее всего, рабочую станцию) и, вообще говоря, вызывает программы, которые будут выполняться на других компьютерах локальной или территориально распределенной сети. Именно эти программы обеспечивают интерфейс с данным пользователем, т.е. они должны иметь возможность работать с терминалом пользователя вне зависимости от того, где они выполняются. Более того, чтобы возможности графического интерфейса этих программ удовлетворяли общим требованиям, нужно, чтобы программы могли не заботиться о таких деталях, как многооконная организация экрана, текущее расположение окон, управление мышью и т.д.

Оконная система X предоставляет в точности требуемые возможности. На стороне пользовательского терминала находится сервер системы X, обеспечивающий единообразное управление графическим терминалом вне зависимости от его специфических аппаратных характеристик. В других компьютерах сети (которые, фактически, являются серверами с точки зрения организации вычислительного процесса) установлены клиентские части системы X, создающие впечатление у выполняемой программы, что она взаимодействует с локальным терминалом, а на самом деле поддерживающие точно специфицированный протокол взаимодействий с сервером системы X.

Архитектура операционной системы

Сущности: файлы и процессы, являются центральными понятиями модели операционной системы UNIX. На рисунке представлена блок-схема ядра системы. В частности, на ней слева изображена файловая подсистема, а справа подсистема управления процессами, две главные компоненты ядра. Эта схема дает логическое представление о ядре, хотя в действительности в структуре ядра имеются отклонения от модели, поскольку отдельные модули испытывают внутреннее воздействие со стороны других модулей.

Схема на рисунке имеет три уровня: уровень пользователя, уровень ядра и уровень аппаратуры. Обращения к операционной системе и библиотеки составляют границу между пользовательскими программами и ядром, проведенную на рисунке в начале. Обращения к операционной системе выглядят так же, как обычные вызовы функций в программах на языке Си, и библиотеки устанавливают соответствие между этими вызовами функций и элементарными системными операциями. При этом программы на ассемблере могут обращаться к операционной системе непосредственно, без использования библиотеки системных вызовов. Программы часто обращаются к другим библиотекам, таким как библиотека стандартных подпрограмм ввода-вывода, достигая тем самым более полного использования системных услуг. Для этого во время компиляции библиотеки связываются с программами и частично включаются в программу пользователя.

На рисунке совокупность обращений к операционной системе разделена на те обращения, которые взаимодействуют с подсистемой управления файлами, и те, которые взаимодействуют с подсистемой управления процессами. Файловая подсистема управляет файлами, размещает записи файлов, управляет свободным пространством, доступом к файлам и поиском данных для пользователей. Процессы взаимодействуют с подсистемой управления файлами, используя при этом совокупность специальных обращений к операционной системе.

Подсистема управления файлами обращается к данным, которые хранятся в файле, используя буферный механизм, управляющий потоком данных между ядром и устройствами внешней памяти. Буферный механизм, взаимодействуя с драйверами устройств ввода-вывода блоками, инициирует передачу данных к ядру и обратно. Драйверы устройств являются такими модулями в составе ядра, которые управляют работой периферийных устройств. Устройства ввода-вывода блоками относятся программы пользователя к типу запоминающих устройств с произвольной выборкой; их драйверы построены таким образом, что все остальные компоненты системы воспринимают эти устройства как запоминающие устройства с произвольной выборкой. Подсистема управления файлами также непосредственно взаимодействует с драйверами устройств "неструктурированного" ввода-вывода, без вмешательства буферного механизма. К устройствам неструктурированного ввода-вывода, иногда именуемым устройствами посимвольного ввода-вывода (текстовыми), относятся устройства, отличные от устройств ввода-вывода блоками.

Подсистема управления процессами отвечает за синхронизацию процессов, взаимодействие процессов, распределение памяти и планирование выполнения процессов. Подсистема управления файлами и подсистема управления процессами взаимодействуют между собой, когда файл загружается в память на выполнение: подсистема управления процессами читает в память исполняемые файлы перед тем, как их выполнить.