Текст книги "Операционные системы"

1.5 Архитектура операционной системы

Единой архитектуры операционных систем не существует, но существуют универсальные подходы к их структурированию. Ниже дано описание двух архитектур операционных систем, выполненное по книге Олифера В.Г., Олифера Н.А. «Сетевые операционные системы» [11].

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

• ядро – модули, выполняющие основные функции операционной системы;

• модули, выполняющие вспомогательные функции операционной системы.

Модули ядра выполняют такие базовые функции операционной системы, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т.п. Ядро составляет сердцевину операционной системы, без него она является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекстов, загрузка/выгрузка станиц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т. д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API.

Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы операционной системы все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

Некоторые компоненты операционной системы оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной операционной системой формата, поэтому очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями.

Вспомогательные модули операционной системы обычно подразделяются на следующие группы:

• утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных на магнитную ленту;

• системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;

• программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и даже игры;

• библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например библиотека математических функций, функций вводавывода и т. д.

Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу системы и, например, разрушить часть ее кодов. Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы – пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode). На рисунке 5 представлено такое разделение режимов.

Рисунок 5 – Архитектура операционной системы с ядром в привилегированном режиме

Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами вводавывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти.

Уровней привилегий может быть несколько – 2, 3, 4 и т.д. Между количеством уровней привилегий, реализуемых аппаратно, и количеством уровней привилегий, поддерживаемых операционной системой, нет прямого соответствия. Так, на базе четырех уровней, обеспечиваемых процессорами компании Intel, операционная система OS/2 строит трехуровневую систему привилегий, а операционные системы Windows NT, UNIX и некоторые другие ограничиваются двухуровневой системой.

Повышение устойчивости операционной системы, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный, а при возврате к приложению – переключение из привилегированного режима в пользовательский (Рисунок 6). Во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.

Вычислительную систему, работающую под управлением операционной системы на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположенных слоев: нижний слой образует аппаратура, промежуточный – ядро, а утилиты, обрабатывающие программы и приложения, составляют верхний слой системы Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс.

Поскольку ядро представляет собой сложный многофункциональный комплекс, то многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра.

Рисунок 6 – Смена режимов при выполнении системного вызова к привилегированному ядру

Ядро может состоять из следующих слоев.

• Средства аппаратной поддержки операционной системы. К операционной системе относят, естественно, не все аппаратные устройства компьютера, а только средства её аппаратной поддержки, то есть те, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегированного режима, систему прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т.п.

• Машинно-зависимые компоненты операционной системы. Этот слой образуют программные модули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. В идеале этот слой полностью экранирует вышележащие слои ядра от особенностей аппаратуры.

• Базовые механизмы ядра. Этот слой выполняет наиболее примитивные операции ядра, такие как программное переключение контекстов процессов, диспетчеризацию прерываний, перемещение страниц из памяти на диск и обратно и т. п.

• Менеджеры ресурсов. Этот слой состоит из мощных функциональных модулей, реализующих стратегические задачи по управлению основными ресурсами вычислительной системы. Обычно на данном слое работают менеджеры (называемые также диспетчерами) процессов, ввода-вывода, файловой системы и оперативной памяти.

• Интерфейс системных вызовов. Этот слой является самым верхним слоем ядра и взаимодействует непосредственно с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы. Функции API, обслуживающие системные вызовы, предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной и компактной форме, без указания деталей их физического расположения.

Приведенное разбиение ядра операционной системы на слои является достаточно условным. В реальной системе количество слоев и распределение функций между ними может быть и иным.

Архитектура операционной системы, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима, стала, по существу, классической. Ее используют многие популярные операционные системы, в том числе многочисленные версии UNIX, IBM OS/390, OS/2, и с определенными модификациями – Windows NT.

Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу построения операционной системы. Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть операционной системы, называемая микроядром (Рисунок 7). Микроядро защищено от остальных частей операционной системы и приложений. В состав микроядра обычно входят машинно-зависимые модули, а также модули, выполняющие базовые (но не все) функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением регистров устройств. Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Такие функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить в пространстве пользователя.

Рисунок 7 – Перенос основного объема функций ядра в пользовательское пространство

Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначного решения о том, какие из системных функций нужно оставить в привилегированном режиме, а какие перенести в пользовательский, не существует. В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра – файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п. – становятся «периферийными» модулями, работающими в пользовательском режиме.

Менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами операционной системы, то есть модулями, основным назначением которых является обслуживание запросов локальных приложений и других модулей операционной системы. Очевидно, что для реализации микроядерной архитектуры необходимым условием является наличие в операционной системе удобного и эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка такого механизма и является одной из главных задач микроядра.

Схематично механизм обращения к функциям операционной системы, оформленным в виде серверов, выглядит следующим образом (Рисунок 8). Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент операционной системы, запрашивает выполнение некоторой функции у соответствующего сервера, посылая ему сообщение. Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна, так как их адресные пространства изолированы друг от друга. Микроядро, выполняющееся в привилегированном режиме, имеет доступ к адресным пространствам каждого из этих приложений и поэтому может работать в качестве посредника. Микроядро сначала передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры нужному серверу, затем сервер выполняет запрошенную операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Таким образом, работа микроядерной операционной системы соответствует известной модели клиентсервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.

Рисунок 8 – Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре

Достоинства микроядерной архитектуры:

1 Переносимость. Высокая степень переносимости обусловлена тем, что весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и все они логически сгруппированы вместе.

2Расширяемость присуща микроядерной операционной системе в очень высокой степени.

3Конфигурируемость. При микроядерном подходе конфигурируемость операционной системы не вызывает никаких проблем и не требует особых мер – достаточно изменить файл с настройками начальной конфигурации системы или же остановить не нужные больше серверы в ходе работы обычными для остановки приложений средствами.

4Надежность. Использование микроядерной модели повышает надежность системы. Каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в своей собственной области памяти и таким образом защищен от других серверов операционной системы, что не наблюдается в традиционной операционной системе, где все модули ядра могут влиять друг на друга.

5 Модель с микроядром хорошо подходит для поддержки распределенных вычислений, так как использует механизмы, аналогичные сетевым: взаимодействие клиентов и серверов путем обмена сообщениями.

К основному и очень существенному недостатку относится низкая производительность операционной системы микроядерного типа. При классической организации операционной системы выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной организации – четырьмя (Рисунок 9).

Рисунок 9 – Смена режимов при выполнении системного вызова: в классической архитектуре (а); в микроядерной (б)

Таким образом, операционная система на основе микроядра при прочих равных условиях всегда будет менее производительной, чем система с классическим ядром. Именно по этой причине микроядерный подход не получил такого широкого распространения, которое ему предрекали. Примером микроядерной системы является VM/370, использующаяся в мейнфреймах.

Однако на настоящий момент не существует операционных систем с чисто классической или микроядерной архитектурой. В результате операционные системы образуют некоторый спектр, на одном краю которого находятся системы с минимально возможным микроядром, а на другом – системы, в которых микроядро выполняет достаточно большой объем функций.

Контрольные вопросы по разделу

1 Каковы две главные функции операционной системы?

2 Что такое многозадачность?

3 Перечислите основные различия между операционной системой для персонального компьютера и для мэйнфрейма.

4 Какие из приведенных ниже терминов являются синонимами? привилегированный режим; защищенный режим; режим супервизора; пользовательский режим; реальный режим; режим ядра.

5 В чем состоят отличия в работе процессора в привилегированном и пользовательском режимах?

6 Какими этапами отличается выполнение системного вызова в микроядерной операционной системе и системе с монолитным ядром?

7 В чем состоят современные тенденции развития операционных систем?

8 Каковы преимущества и недостатки микроядерной архитектуры?

9 Для чего служат менеджеры ресурсов?

10 Кем и на какой операционной системе был впервые опробован дружественный графический интерфейс?

2 Процессы и потоки

2.1 Процессы

В многозадачной системе процессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. В каждый конкретный момент времени процессор работает только с одной программой, создавая иллюзию параллельной работы, т.е. псевдопараллелизм [14]. Настоящая параллельная работа присутствует в многопроцессорных и многоядерных системах, таких как Core 2 Duo. Следить за работой параллельно идущих процессов достаточно трудно, поэтому со временем разработчики операционных систем создали концептуальную модель последовательных процессов, упрощающую эту работу.

В этой модели все функционирующее на компьютере программное обеспечение организовано в виде набора последовательных процессов. С позиции модели у каждого процесса есть собственный виртуальный центральный процессор. На рисунке 10, а представлена схема компьютера, работающего с 4 программами. На рисунке 10, б представлены 4 процесса каждый со своим логическим счетчиком команд, идущие независимо друг от друга. На самом деле существует только один физический счетчик команд, который загружается и сохраняется при переключении процессов. На рисунке 10, в видно, что за достаточно большой промежуток времени изменилось состояние всех 4 процессов.

Поскольку процессор переключается между программами, скорость, с которой процессор производит свои вычисления, будет непостоянной и, возможно, даже будет отличной при каждом новом запуске программы.

Существует четыре основных события, приводящие к созданию процессов:

• инициализация системы;

• выполнение изданного работающим процессом системного запроса на создание процесса;

• запрос пользователя на создание процесса;

• инициирование пакетного задания.

Программист для создания процесса в UNIX должен вызвать комбинацию из двух функций fork и execve, а в Windows – CreateProcess [12].

Процесс может завершиться благодаря одному из следующих действий:

• обычный выход (преднамеренно);

• выход по ошибке (преднамеренно);

• выход по неисправимой ошибке (непреднамеренно);

• уничтожение другим процессом (непреднамеренно).

Для завершения процесса программист в UNIX должен вызвать системный запрос kill, соответствующая функция в Win32 API – TerminateProcess.

Основным отличием структуры процессов в Windows и UNIX является связь между родительским и дочерним процессами. Так в UNIX существует иерархия процессов, а в Windows все процессы равноправны. Единственное, в чем проявляется что-то вроде иерархии процессов в Windows – создание процесса, в котором родительский процесс получает специальный маркер (так называемый дескриптор), позволяющий контролировать дочерний процесс. Но маркер можно передать другому процессу, нарушая иерархию.

Рисунок 10 – 4 программы в многозадачном режиме (а); модель 4 независимых последовательных процессов (б); в каждый момент времени активна только одна программа (в)

Процесс может находиться в 3 возможных состояниях (Рисунок 11):

• работающий (в конкретный момент времени использующий процессор);

• готовый к работе (процесс временно приостановлен, чтобы позволить выполняться другому процессу);

• заблокированный (процесс не может быть запущен прежде, чем произойдёт некое внешнее событие).

Рисунок 11 – Процесс может находиться в рабочем, готовом и заблокированном состоянии

Переходы между состояниями:

1) процесс блокируется, ожидая входных данных;

2) планировщик выбирает другой процесс;

3) планировщик выбирает этот процесс;

4) доступны входные данные.

Переход 1 происходит, когда процесс обнаруживает, что продолжение работы невозможно. Переходы 2 и 3 вызываются частью операционной системы, называемой планировщиком процессов, так что сами процессы даже не знают о существовании этих переходов. Переход 4 происходит с появлением внешнего события, ожидавшегося процессом (например, прибытие входных данных).

Для реализации модели процессов операционная система содержит таблицу (массив структур), называемую таблицей процессов, с одним элементом для каждого процесса. Элемент таблицы содержит информацию о состоянии процесса, счетчике команд, указателе стека, распределении памяти, состоянии открытых файлов, об использовании и распределении ресурсов, а также всю остальную информацию, которую необходимо сохранять при переключении в состояние готовности или блокировки для последующего запуска – как если бы процесс не останавливался. В таблице 1 представлены некоторые типичные элементы таблицы процессов.

Таблица 1 – Некоторые поля типичного элемента таблицы процессов

Большое значение для создания иллюзии многопоточности на компьютерах с одним процессором имеет значение понятия прерывания. Прерывание (англ. interrupt) – сигнал, сообщающий процессору о совершении какого-либо асинхронного события [14]. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, и управление передаётся обработчику прерывания, который выполняет работу по обработке события и возвращает управление в прерванный код.

Понятия программы и процесса отличаются друг от друга. Программа представляет собой статический набор команд, а процесс это набор ресурсов и данных, использующихся при выполнении программы. Процесс в Windows состоит из следующих компонентов:

• структура данных, содержащая всю информацию о процессе;

• адресное пространство – диапазон адресов виртуальной памяти, которым может пользоваться процесс;

• исполняемая программа и данные, проецируемые на виртуальное адресное пространство процесса.

2.2 Потоки

Далее необходимо уяснить отличие между процессом и потоком. Процесс представляет собой объект, которому принадлежат ресурсы приложения. А поток (или нить) – это независимый путь выполнения внутри процесса, разделяющий вместе с процессом общее адресное пространство, код и глобальные данные. У каждого потока имеются собственные регистры, стек и механизмы ввода, в том числе очередь скрытых сообщений. Для описания использования нескольких потоков в одном процессе используется термин многопоточность.

В отличие от различных процессов, которые могут быть инициированы различными пользователями и преследовать несовместимые цели, один процесс всегда запущен одним пользователем, и потоки созданы таким образом, чтобы работать совместно, не мешая друг другу. Как показано в таблице 2, потоки разделяют не только адресное пространство, но и открытые файлы, дочерние процессы, сигналы и т. п.

Первая колонка содержит элементы, являющиеся свойствами процесса, а не потока. Например, если один поток открывает файл, этот файл тут же становится видимым для остальных потоков, и они могут считывать информацию и записывать ее в файл. Также как и процесс, поток может находиться в одном из нескольких состояний. Переходы между состояниями потоков такие же, как на рисунке 11.

У каждого потока свой собственный стек. Стек (англ. stack – стопка) – структура данных с методом доступа к элементам LIFO (англ. Last In – First Out, «последним пришел – первым вышел») [14].

В качестве примера использования нескольких потоков в одном процессе, можно привести ситуацию, когда приложению нужно записать большой файл на диск. При использовании одного потока – доступ к другим функциям программы будет недоступен до окончания операции.

Таблица 2 – Элементы процесса, общие для потоков, и индивидуальные элементы потоков

Преимущества использования нескольких потоков перед несколькими процессами:

• возможность совместного использования параллельными объектами адресного пространства и всех содержащихся в нём данных;

• создание и уничтожение потоков происходит в примерно в 100 раз быстрее, чем для процессов;

• увеличивается производительность.

Есть два основных способа реализации пакета потоков: в пространстве пользователя и в ядре (Рисунок 12). В первом случае ядро ничего не знает о потоках и управляет обычными однопоточными процессами. Преимущество этого способа состоит в том, что его можно реализовать даже в операционных системах, не поддерживающих потоки. Раньше именно так все операционные системы и строились. Другое преимущество – это более высокая производительность по отношению ко второму способу и возможность использовать процессом собственный алгоритм планирования.

Рисунок 12 – Пакет потоков в пространстве пользователя (а); пакет потоков, управляемый ядром (б)

Однако, у первого способа есть серьёзные недостатки по отношению со вторым, например проблема добровольной отдачи процессора одним из потоков, или блокирование одного потока, что приводит к блокированию всего процесса. Поэтому на настоящий момент в большинстве известных ОС потоки реализуются в ядре или используется смешанное использование обоих способов.