ОС | Операционные системы

Автор: Вячеслав Дужий.

Устройство операционных систем — это очень обширная тема. При ее изучении довольно легко запутаться в деталях и потерять нить обсуждения какого-то конкретного вопроса. В данной главе приводится общий обзор, к которому читатель сможет вернуться в любой момент работы над книгой. Изложение начинается со сведений о предназначении и функциональных особенностях операционных систем. Далее описаны некоторые важные с исторической точки зрения системы и функции операционных систем. Обсуждение этих вопросов позволяет на простых примерах раскрыть некоторые фундаментальные принципы устройства операционной системы и прояснить взаимосвязь между ее различными функциями. Также приведена информация про современные операционные системы. По мере изложения различных тем периодически возникает необходимость обращаться как к фундаментальным, устоявшимся принципам, так и к последним новшествам в устройстве операционных систем.

1. Функции операционных систем | Функции ОС

2. Эволюция операционных систем | Эволюция ОС

3. Основные достижения операционных систем

4. Процессы в операционной системе | Процессы в ОС

5. Управление памятью в ОС

6. Защита информации и безопасность операционных систем

7. Планирование и управление ресурсами Операционной системы

8. Структура операционной системы | Структура ОС

9. Основные характеристики Операционных систем

10. Обзор Операционной системы Windows 2000

11. UNIX Операционная система | ОС UNIX

12. Операционная система Linux | ОС linux

Операционная система обслуживает пользователей, обращаясь при этом к ресурсам аппаратного обеспечения, в состав которых входит один или несколько процессоров. Кроме того, она управляет вторичной памятью и устройствами ввода-вывода. Поэтому прежде чем приступить к исследованию операционных систем, важно получить некоторое представление о компьютерных системах, на которых они работают.

В данной главе представлен обзор аппаратного обеспечения компьютерных систем. Большинство вопросов освещено кратко, так как предполагается, что читатель знаком с предметом. Однако некоторые из них раскрыты более подробно, исходя из важности этих тем для дальнейшего усвоения материала.

1. Основные компоненты компьютера | Основные элементы персонального компьютера

2. Регистры процессора

3. Исполнение команд

4. Системные прерывания | Аппаратное прерывание | Обработка прерываний

5. Запоминающие устройства компьютера | Запоминающие устройства ПК

6. Многозадачность

7. КЭШ процессора | Структура КЕШ

8. Операции ввода вывода

9. Прямой доступ к памяти

10. Характеристики производительности двухуровневой памяти | Управление процедурами

Основной задачей любой операционной системы является управление процессами.

1. Процессы в операционной системе | Процессы в ОС

2. Состояние процессов

3. Создание процессов и завершение процессов

4. Приостановленные процессы

5. Описание процессов

6. Управление процессами

7. Управление процессами в операционной системе UNIX SVR4

8. Процессы и потоки

9. Симметричная многопроцессорная обработка

10. Микроядро

11. Потоки и SMP в Windows 2000

12. Управление потоками и SMP в Solaris

13. Процессы в Linux | Управление процессами и потоками в Linux

В этой главе изучаются концепции современных операционных систем, связанные с управлением процессами. Мы узнаем, что концепция процессов на самом деле сложнее и тоньше, чем можно себе представить исходя из материала предшествующих глав. По сути, эта концепция объединяет в себе две отдельные, потенциально независимые концепции, одна из которых имеет отношение к владению ресурсами, а другая — к выполнению процессов. В некоторых операционных системах это различие привело к появлению конструкции, известной под названием поток (thread). После рассмотрения потоков мы обратимся к изучению симметричной многопроцессорности (symmetric multiprocessing — SMP). В системе с несколькими процессорами операционная система должна выполнять одновременное планирование выполнения на разных процессорах нескольких процессов. И наконец, мы ознакомим читателя с концепцией микроядра (microkernel), которое является эффективным средством структурирования операционной системы для управления процессами и решения других задач.

1. Процессы и поток

2. Многопоточность

3. Функциональность потоков

4. Потоки на пользовательском уровне. Потоки на уровне ядра

5. Симметричная многопроцессорная обработка

6. Микроядра

7. Управление потоками и SMP в Solaris

8. Управление процессами и потоками в Linux

Параллельные вычисления: взаимоисключения и многозадачность

Основные вопросы, на которых сосредотачивается внимание разработчиков операционных систем, связаны с управлением процессами и потоками.

• Многозадачность: управление множеством процессов в однопроцессорной системе.
• Многопроцессорность: управление множеством процессов в многопроцессорной системе.
• Распределенные вычисления: управление множеством процессов, выполняемых в распределенной вычислительной системе с множеством компьютеров. Основным примером таких систем являются широко распространенные в последнее время кластеры.

Фундаментальной концепцией этой области, да и разработки операционных систем в целом, является концепция параллельных вычислений (concurrency). Параллельность охватывает множество вопросов разработки, включая вопросы обмена информацией между процессами, разделения ресурсов, синхронизацию работы процессов и распределение процессорного времени между различными процессами. Вы увидите, что эти вопросы возникают не только в многопроцессорной или распределенной вычислительной среде, но и в случае многозадачных систем на базе одного процессора.

Параллельность проявляется в трех различных контекстах.

• Множественные приложения: многозадачность разработана для того, чтобы позволить динамически разделять процессорное время между рядом активных приложений.
• Структурность приложений: в качестве развития парадигмы модульной разработки и структурного программирования некоторые приложения могут быть разработаны как множество параллельно работающих процессов.
• Структура операционной системы: преимущества структурного программирования доступны не только прикладным, но и системным программистам, и, как вы знаете, операционные системы также  зачастую реализуются в виде набора процессов или потоков.

В силу важности данного вопроса ему посвящены четыре главы данной книги. В настоящей и следующей главах рассматривается параллельность в контексте многопроцессорности и многозадачности; в главах 13, "Распределенные вычисления, архитектура клиент/сервер и кластеры", и 14, "Управление распределенными процессами", изложены вопросы параллельных вычислений в контексте распределенных вычислений. Хотя оставшаяся часть книги охватывает различные важные темы разработки операционных систем, параллельные вычисления играют главную роль при рассмотрении этих тем.
Данная глава начинается с введения в концепции параллельных вычислений и параллельного выполнения ряда процессов1. Вы узнаете, что основным требованием поддержки параллельных процессов является возможность обеспечения взаимоисключений, т.е. возможность обеспечить работу только одного процесса с остановкой выполнения всех остальных. В следующем разделе будут рассмотрены различные подходы к обеспечению взаимоисключений. Все они являются программными решениями и требуют использования технологии, известной как пережидание занятости (busy waiting). Затем мы остановимся на некоторых аппаратных механизмах, способных обеспечить поддержку взаимоисключений, а также решениях, которые не используют пережидание занятости и могут поддерживаться операционной системой или компиляторами. Мы рассмотрим три подхода: семафоры, мониторы и передачу сообщений.

Для иллюстрации концепций и сравнения, представленных в этой главе подходов используются две классические задачи. Сперва, мы познакомимся с задачей производителей/потребителей, а затем — с задачей читателей/писателей.
Наше изучение параллельных вычислений продолжится в главе 6, "Взаимоблокировка и голодание", и обсуждение механизмов параллельности рассматриваемых нами операционных систем мы отложим до ее конца.

1. Принципы параллельных вычислений

2. Взаимоисключения: програмный подход

3. Алгоритм Деккера

4. Алгоритм Петерсона

5. Взаимоисключения: аппаратная поддержка

6. Семафоры

7. Решение задачи производитель потребитель

8. Задача о парикмахерской

9. Мониторы

10. Передача сообщений

11. Задача читатели писатели

Эта глава продолжает рассмотрение параллельных вычислений и посвящена двум проблемам, доставляющим основные неприятности при работе с параллельными вычислениями: взаимоблокировкам и голоданию. Глава начнется с изложения основных принципов взаимоблокировок, а затем мы узнаем, как их можно предотвратить, обнаружить и устранить. Под конец мы рассмотрим еще одну классическую задачу, иллюстрирующую вопросы синхронизации и взаимоблокировки, а именно — задачу об обедающих философах. Как и в главе 5, "Параллельные вычисления: взаимоисключения и многозадачность", здесь мы ограничимся рассмотрением проблем в единой системе; распределенным системам посвящена глава 14, "Управление распределенными процессами".

1. Принципы взаимного блокирования

2. Предотвращение взаимоблокировок

3. Устранение взаимоблокировок

4. Интегрированная стратегия

5. Задача об обедающих философах

6. Механизмы параллельных вычислений в unix

7. Примитивы синхронизации потоков SOLARIS

8. Параллельные вычисления в Windows

Одним из наиболее сложных аспектов разработки операционной системы является управление памятью. Хотя стоимость памяти постоянно снижается и в результате растет размер основной памяти на современных машинах, достигая гигабайтового диапазона, ее всегда недостаточно для хранения всех программ и структур данных, необходимых активным процессам и операционной системе в целом. Соответственно, одной из центральных задач операционной системы является управление памятью, включающее выгрузку и загрузку блоков данных из вторичной памяти. Од-нако операции ввода-вывода довольно медленные, и их скорость с каждым годом все больше и больше отстает от скорости работы процессора. Для эффективной работы процессора(ов) операционная система должна четко рассчитывать процессы подкачки для минимизации влияния операций ввода-вывода на производительность.

1. Управление памятью

2. Требования к управлению памятью

3. Распределение памяти

4. Страничная организация памяти

5. Сегментация