· Основные понятия и определения: операционная система (ОС), программное обеспечение (ПО), системное программное обеспечение.
· Файлы.
· Оболочка
15.2.1 Файлы — до 15 мин.
Файловая система — это еще одно ключевое понятие, поддерживаемое виртуально всеми операционными системами. Как было замечено ранее, основной функцией операционной системы является скрытие особенностей дисков и других устройств ввода-вывода и предоставление пользователю попятной и удобной абстрактной модели независимых от устройств файлов, Системные вызовы очевидно необходимы для создания, удаления, чтения пли записи файлов. Перед тем как прочитать файл, его нужно разместить на диске и открыть, а после прочтении его нужно закрыть. Все эти функции осуществляют системные вызовы.
Предоставляя место для хранения файлов, операционные системы используют понятие каталога (directory) как способ объединения файлов в группы. Например, студент может иметь по одному каталогу для каждого изучаемого им курса (для программ, необходимых в рамках этого курса), каталог для электронной почты, и еще один — для своей домашней web-страницы. Для создания и удаления каталогов также необходимы системные вызовы. Они же обеспечивают перемещение существующего файла в каталог и удаление файла из каталога. Содержимое каталогов могут составлять файлы или другие каталоги. Эта модель создает структуру — файловую систему, — как показано на рис. 15.1.
Иерархии процессов и файлов организованы в виде деревьев, но на этом сходство заканчивается. Иерархия процессов обычно не очень глубока (в ней редко бывает больше трех уровней), тогда как файловая структура достаточно часто имеет четыре, пять или даже больше уровней в глубину. Иерархия процессов обычно живет очень недолго, как правило, несколько минут, иерархия каталогов может существовать годами. Принадлежность и зашита также различны для процессов и файлов. Обычно только родительский процесс может управлять или даже просто иметь доступ к дочернему процессу, однако практически всегда существует механизм, позволяющий читать файлы и каталоги не только владельцу файла, а более широкой группе пользователей.
Каждый файл в иерархии каталогов можно определить, задав его имя пути, называемое также полным именем файла. Путь начинается из вершины структуры каталогов, называемой корневым каталогом. Такое абсолютное имя пути состоит из списка каталогов, которые нужно пройти от корневого каталога к файлу, с разделением отдельных компонентов косой чертой. На рис. 15.1 путь к файлу CS101 выглядит как /Faculty/Prof.Brown/Courses/CS'101. Первая косая черта говорит о том, что этот путь — абсолютный, то есть начинается от корневого каталога. В MS-DOS и Windows для разделения компонентов вместо символа косой черты используется обратная косая черта (\). Тогда этот путь будет выглядеть так: \Faculty\Prof.Brown \Courses\CS101. В нашей книге для записи пути мы в основном будем использовать соглашения UNIX.
Корневой каталог
Факультет
Студенты
Роберт^ Матти
Бумаги ^ ГрантьГ^*. Комиссии
SOSP COST-11
CS101 CS105
Рис 15.1 Файловая система
В каждый момент времени у каждого процесса есть текущий рабочий каталог, в котором ищутся пути файлов, не начинающиеся с косой черты. Например, если на рис. 1.1 A /Faculty/'Prof.Brown является рабочим каталогом, то использование пути Courses/CS101 даст тот же самый файл, что и абсолютный путь, написанный выше. Процессы могут изменять свой рабочий каталог, используя системные вызовы.
Перед тем как прочесть или записать файл, его нужно открыть, в это же время проверяется разрешение доступа. Если доступ разрешен, система возвращает небольшое целое число, называемое дескриптором файла и используемое в последующих операциях. Если доступ запрещен, то возвращается код ошибки.
Другое важное понятие в UNIX — это установленная (смонтированная) файловая система. Почти все персональные компьютеры имеют один или два дисковода для гибких дисков, куда можно вставить и откуда можно вынуть диск. Чтобы предоставить возможность общения со сменными носителями (включая компакт-диски), UNIX позволяет присоединять файловую систему сменного диска к главному дереву. Рассмотрим ситуацию на рис. Перед вызовом системной процедуры mount корневая файловая система на жестком диске и вторая файловая система на гибком диске существуют раздельно и никак не связаны между собой.
Однако файлы на гибком диске нельзя использовать, потому что для них невозможно определить путь. UNIX не позволяет присоединять к началу пути название диска или его номер, так как это привело бы к жесткой зависимости от устройств, которой операционная система должна избегать. Вместо этого системный вызов mount позволяет присоединять файловую систему па гибком диске к корневой файловой системе в том месте, где этого захочет программа. На рис. 15, б файловая система гибкого диска была установлена в каталог Ь, таким образом, обеспечен доступ к файлам по путям/b/x/ъ/Ь/у. Если каталог b содержал какие-либо файлы, они будут недоступны, пока смонтирован гибкий диск, так как теперь/Ь ссылается на корневой каталог гибкого диска. (Невозможность доступа к этим файлам не так страшна, как кажется с первого взгляда: файловые системы почти всегда устанавливаются в пустые каталоги.) Если система содержит несколько жестких дисков, они все могут быть встроены в одно дерево таким же образом.
Еще одно важное понятие в UNIX — это специальный файл. Специальные файлы служат для того, чтобы устройства ввода-вывода выглядели как файлы. При этом можно прочесть информацию из специальных файлов или записать ее туда с помощью тех же самых системных вызовов, что используются для чтения и записи файлов. Существует два вида специальных файлов: блочные специальные файлы и символьные специальные файлы. Блочные специальные файлы используются для моделирования устройств, состоящих из набора произвольно адресуемых блоков, таких как диски. Открывая блочный специальный файл и читая, скажем, блок 4, программа может напрямую получить доступ к четвертому блоку на устройстве, без обращения к содержащейся на нем файловой системе. Таким же образом символьные специальные файлы используются для моделирования принтеров, модемов и других устройств, которые принимают или выдают поток символов. По соглашению специальные файлы хранятся в каталоге/dev. Например, /dev/lp может быть строковым принтером.
И последнее понятие, которое мы обсудим во введении, — это каналы (pipe), имеющие отношение и к процессам и к файлам. Канал (также иногда называемый трубой) представляет собой псевдофайл, который можно использовать для связи двух процессов. Если процессы Л и В захотят пообщаться с помощью канала, они должны установить его заранее. Когда процесс А хочет отправить данные процессу В, он пишет их в капал, как если бы это был выходной файл. Процесс В может прочесть данные, читая их из канала, как если бы он был файлом с входными данными. Таким образом, соединение между процессами в UNIX выглядит очень похожим на обычное чтение и запись файлов. Более того, только сделав специальный системный вызов, процесс может обнаружить, что выходной файл, в который он пишет данные, не реальный файл, а канал. Файловые системы очень важны. Мы расскажем о них значительно больше в главе б.
Компьютеры содержат большое количество информации, конфиденциальность которой пользователи зачастую хотят сохранить: электронную почту, бизнес-планы и многое другое. В задачу операционной системы входит управление системой защиты подобных файлов, так чтобы они, например, были доступны только пользователям, имеющим на это права.
В качестве простейшего примера, дающего представление о том, как работает система безопасности, рассмотрим систему UNIX. В UNIX для защиты файлов им присваивается 9-битовый двоичный код. Этот код защиты состоит из трех полей по три бита; одно для владельца, второе для других членов группы владельца (пользователи разделяются па группы системным администратором) и третье — для всех остальных. В каждом поле есть бит, определяющий доступ для чтения, бит, определяющий доступ для записи, и бит, разрешающий выполнение. Эти три бита называются rwx-битами (read, write, execute). Например, код защиты iwxr-x--x означает, что владелец файла может читать, писать или выполнять файл, другие члены группы могут читать или выполнять файл (но не писать в него), а остальные могут только выполнять файл (но не читать или писать). Для каталогах означает разрешение на поиск. Дефис означает, что соответствующее разрешение отсутствует.
Кроме защиты файлов, существует еще множество других вопросов безопасности: защита системы от нежелательных гостей, людей, и не только (вирусов). Мы обсудим различные вопросы, связанные с безопасностью.
15.2.2 Оболочка — до 15 мин.
Операционная система представляет собой программу, выполняющую системные вызовы. Редакторы, компиляторы, ассемблеры, компоновщики и командные интерпретаторы не являются частью операционной системы, несмотря на их большую важность и полезность. Поскольку есть риск запутаться в этих вещах, в данном разделе мы кратко рассмотрим только командный интерпретатор UNIX, называемый оболочкой (shell). Хотя она не входит в операционную систему, но во всю пользуется многими функциями операционной системы и поэтому является хорошим примером того, как могут применяться системные вызовы. Кроме этого, оболочка предоставляет основной интерфейс между пользователем, сидящим за своим терминалом, и операционной системой, если, конечно, пользователь не использует графический интерфейс. Существует множество оболочек, например sh, csh, ksh и bash. Все они поддерживают описанные ниже функции, поскольку произошли от первоначальной оболочки (sh).
Когда какой-либо пользователь входит в систему, запускается оболочка. Стандартным входным и выходным устройством для оболочки является терминал (монитор с клавиатурой). Оболочка начинает работу с печати приглашения (prompt) — знака доллара, говорящего пользователю, что оболочка ожидает ввода команды. Если теперь пользователь напечатает, например,
date
оболочка создаст дочерний процесс и запустит программу date. Пока дочерний процесс работает, оболочка ожидает его завершения. После завершения дочернего процесса оболочка опять печатает приглашение и пытается прочесть следующую входную строку. Пользователь может перенаправить стандартный выводданныхвфайл:
date >f1le
Таким же образом можно переопределить устройство, с которого читаются входные данные, как показано ниже:
sort <filel >file2
Эта команда предписывает программе сортировки считать данные из файла 1 и вывести результат в файл 2.
Выходные данные одной программы можно использовать в качестве входных данных для другой, соединив их каналом. Так, команда
cat file! file2 file3 I sort >/dev/lp
предписывает программе car объединить (concatenate) три файла и послать выходные данные программе sort, которая расставит все строки в алфавитном порядке. Результат работы sort перенаправляется в файл/dev/lp, обычно обозначающий принтер. Если пользователь наберет знак & после команды, оболочка не будет ждать окончания ее выполнения. В этом случае она немедленно напишет новое приглашение. То есть в результате команды
cat file! file2 f1le3 | sort >/dev/lp &
сортировка запустится как фоновое задание, разрешая пользователю продолжать нормальную работу во время выполнения сортировки. Оболочка имеет множество других интересных особенностей, для обсуждения которых у нас здесь, к сожалению, недостаточно места. Но большинство книг по UNIX описывают оболочки довольно подробно.
Кибернетика (наука о компьютерах), как и множество других областей знания, находится в сильной зависимости от технологий. Причиной отсутствия автомобилей у древних римлян являлось вовсе не то, что они очень любили ходить пешком. Машин не было потому, что римляне просто не знали, как их сконструировать. И персональные компьютеры существуют не потому, что миллионы людей долгое время хотели иметь свой собственный компьютер, но сдерживали это желание, а потому, что теперь можно относительно дешево их производить. Мы часто забываем, как сильно влияет технология на наше видение систем, и действительно полезно поразмышлять об этом время от времени.
Часто случается, что из-за изменений в технологии некоторые идеи устаревают. Но другие изменения в технологии могут вновь оживить их. Такое случается главным образом тогда, когда происходящие изменения имеют отношение к относительной производительности различных частей системы. Например, когда скорость центрального процессора начинает намного превышать быстродействие памяти, кэш становится очень важной деталью, увеличивающей скорость «медленной» памяти. Если новые технологии в области памяти когда-нибудь создадут память намного более быструю, чем процессор, кэш станет не нужным. Но если затем процессоры опять станут более быстрыми, чем память, кэш появится снова. В биологии вымирание происходит навсегда, но в кибернетике иногда это бывает только на несколько лет.
Из-за такого непостоянства в данной книге время от времени мы будем рассматривать «устаревшие» концепции, то есть идеи, не оптимальные для современных технологий. Но изменения в технологии могут вернуть к жизни некоторые из так называемых «устаревших понятий». По этой причине важно помять, почему концепция является устаревшей и какие изменения в окружающей обстановке могут оживить ее.
Чтобы пояснить нашу точку зрения, рассмотрим несколько примеров. Ранние компьютеры имели вмонтированный В аппаратуру набор команд. Затем появилось микропрограммирование, при котором интерпретатор выполнял команды программно. Аппаратное выполнение устарело. После этого были созданы RISC-компьютеры, и микропрограммирование (то есть интерпретируемое выполнение) тоже стало устаревшим понятием, поскольку исполнение команд напрямую оказалось быстрее. Теперь мы наблюдаем возрождение интерпретации в форме алплетов Java, которые передаются по Интернету и интерпретируются по прибытии. Здесь скорость выполнения не играет решающей роли, поскольку задержки в сети настолько велики, что основное время тратится на них. Но все это тоже однажды может измениться.
Ранние компьютерные системы размещали файлы на диске, располагая их в соседних секторах, один за другим. Хотя эта схема осуществляется очень просто, она не является гибкой, поскольку если файл увеличился в размере, уже не будет места для его хранения. Концепция непрерывного размещения файлов была отвергнута и стала устаревшей. До тех пор, пока не появились компакт-диски. Для них не существует проблемы роста файлов. Внезапно простота непрерывного размещения файлов оказалась гениальной идеей, и на ней сейчас базируются файловые системы компакт-дисков.
И наконец, рассмотрим динамическое связывание. Система MULTICS проектировалась так, чтобы она могла функционировать днем и ночью без остановок. Чтобы программно исправлять системные ошибки, необходимо было найти способ, позволяющий заменять библиотечные процедуры во время их использования.
