45033 (Операционные системы), страница 3

Давайте рассмотрим некоторое пространства ВЗУ, и рассмотрим, как мы можем организовать размещение файлов в пределах этого пространства.

1. Одноуровневая организация файлов непрерывными сегментами. Термин «одноуровневая» означает, что система обеспечивает работу с файлами уникально именованными. В пределах пространства ВЗУ выделяется некоторая область для хранения данных, которая называется каталог. Каталог имеет следующую структуру:

имя	начальный блок	конечный блок

«Начальный блок» ссылается на некоторый относительный адрес пространства ВЗУ, с которого начинается файл с заданным именем. «Конечный блок» определяет последний блок данного файла. Функция открытия файла сводится к нахождению в каталоге имени файла и определении его начала и конца (реально данные могут занимать несколько меньше места, об этом будет сказано позже). Это действие очень простое, к тому же каталог можно хранить в памяти операционной системы, и тем самым уменьшить количество обменов. Если создается новый файл, то он записывается на свободное место. Аналогично каталогу имен может иметься таблица свободных пространств (фрагментов).

Чтение/запись происходит почти без дополнительных обменов, так как при открытии мы получаем диапазон размещения данных. Чтение происходит в соответствии с этой блочной структурой и никакая дополнительная информация не требуется, соответственно обмен происходит очень быстро.

Что будет, когда нужно записать в такой файл дополнительную информацию, а свободного пространства за этим файлом нет? В этом случае система может поступить двояко. Первое, она скажет, что нет места и вы должны сделать что-то сами, например, запустить некий процесс, который перенесет этот файл в другое место и добавит нужную информацию. Этот перенос - функция достаточно дорогостоящая. Вторая возможность - в обмене будет отказано. Это означает, что при открытии файла нужно было заранее зарезервировать дополнительное место; при этом файловая система проверяет размер свободного буфера, и если его мало, то ищет свободное место там, где этот файл разместится.

Итак, мы видим, что эта организация проста, при обменах эффективна, но в случае нехватки пространства для файла начинается неэффективность. К тому же, при долговременной работе такой файловой системы на диске случается то же, что у нас случалось с оперативной памятью - фрагментация. То есть ситуация, когда есть свободные фрагменты, но среди них нет такого, куда можно было бы разместить файл. Борьба с фрагментацией для такой организации файловой системы - это периодическая компрессия, когда запускается долгий, тяжелый и опасный для содержимого файловой системы процесс, который прижимает все файлы плотно друг к другу.

Такая организация может быть пригодна для однопользовательской файловой системы, потому что при большом количестве пользователей очень быстро произойдет фрагментация, а постоянный запуск компрессии - смерть для системы. С другой стороны, система проста и не требует почти никаких накладных расходов.

2. Файловая система с блочной организацией файлов. Пространство ВЗУ разделено на блоки (те самые блоки, которые эффективны для обмена). В файловой системе такого типа распределение информации происходит аналогично распределению информации процесса в оперативной памяти со страничной организацией. В общем случае, с каждым именем файла связан набор номеров блоков устройства, в которых размещены данные этого файла. Причем, номера этих блоков имеют произвольный порядок, то есть блоки могут быть разбросаны по всему устройству в произвольном порядке. При такой организации нет фрагментации, хотя могут быть потери кратные блоку (если файл занял хотя бы один байт в блоке, то весь блок считается занятым). Следовательно, нет проблем компрессии, и эта система может использоваться при многопользовательской организации.

В этом случае с каждым файлом связан набор атрибутов: имя файла, имя пользователя, по которым происходит доступ к файлу. Такая организация позволяет уйти от уникальности имен, которая требовалась в предыдущем случае. В такой системе требуется уникальность имен лишь среди файлов одного пользователя.

Организация таких файлов может быть через каталог. Структура каталога может быть следующая. Каталог содержит строки; каждая i-тая строка соответствует i-тому блоку файловой системы. В этой строке содержится информация о том, является ли этот блок свободным или занятым. Если он занят, то в этой строке указывается имя файла (либо ссылка на него), имя пользователя, и может находиться какая-то дополнительная информация.

При обмене система может действовать по-разному. Либо при открытии файла система пробегает по всему каталогу и строит таблицу соответствия логических блоков файла, их размещению на диске. Либо при каждом обмене осуществляется поиск этого соответствия.

Такая организация файловой системы является одноуровневой в рамках одного пользователя, то есть все файлы связаны в группы по принадлежности к какому-то пользователю.

3. Иерархическая файловая система. Все файлы файловой системы построены в структуру, которая называется деревом. В корне дерева находится, так называемый, корень файловой системы. Если узел дерева является листом, то это файл, который может содержать данные пользователя, либо являться файлом-каталогом. Узлы дерева отличные от листа являются файлами-каталогами. Именование в такой иерархической файловой системе может происходить разными способами. Первый тип - именование файла относительно ближайшего каталога, т. е. если мы посмотрим файлы, которые являются ближайшими для каталога F0, - это файл F1, который является также каталогом, и файл F2. Для успешного именования в такой системе на одном уровне не могут повторяться имена. С другой стороны, так как все файлы связаны с помощью дерева, мы можем говорить о, так называемом, полном имени файла, которое составляется из всех имен файлов, которые составляют путь от корня файловой системы к конкретному файлу. Полное имя файла F3 будет обозначаться так: /F0/F1/F3. Такая организация хороша тем, что она позволяет работать как с коротким именем файла (если системно подразумевается, что мы работаем в данном каталоге), так и с полным именем файла. Полные имена файлов есть пути, а в любом дереве от его корня до любого узла существует единственный путь, следовательно, этим решается проблема унификации имен. Первый раз такой подход был использован в операционной системе Multix, которая разрабатывалась в университете Беркли в конце 60-х годов. Это красивое решение стало появляться впоследствии во многих операционных системах. Согласно этой иерархии, каждому из файлов можно привязывать какие-то атрибуты, связанные с правами доступа. Правами доступа могут обладать как пользовательские файлы, так и каталоги. Структура этой системы хороша для организации многопользовательской работы, за счет отсутствия проблемы именования, и такая система может очень хорошо наращиваться.

4. Персонификация и защита данных в операционной системе. Этот нюанс, который мы сейчас рассмотрим, и простой, и сложный. Простой - потому что мы скажем о нем буквально несколько фраз, а сложный, потому что существуют проблемы, о которых можно говорить долго.

Персонификация - это возможность операционной системы идентифицировать конкретного пользователя и в соответствии с этим принимать те или иные действия, в частности, по защите данных.

Если мы с вами посмотрим на любимую нами операционную систему MS-DOS, то там не было понятия пользователя со всеми вытекающими последствиями - она однопользовательская.

Второй уровень операционных систем - это операционные системы, которые позволяют регистрировать пользователей, но все пользователи представляются в виде единого набора некоторых субъектов и не связаны друг с другом никак. Примером таких операционных систем могут служить некоторые операционные системы фирмы IBM для mainframe-компьютеров. Например, лектор не знает, кто из его слушателей к какой группе относится, но все, сидящие перед ним, пользователи его курса. Это и хорошо, и плохо. С точки зрения прослушивания курса лекций - это хорошо, но для проведения этим лектором какого-то опроса это плохо, потому что за один день он не успеет опросить всех. Ему надо будет всех слушателей как-то поделить, а как - не известно.

Соответственно, при такой одномерной персонификации обеспечиваются все те функции, о которых мы с вами говорили (в частности защита), но такая организация пользователей не предполагает образования групп пользователей. А мне удобно, чтобы, предположим, на нашем факультетском сервере моя лаборатория была выделена, и в рамках этой лаборатории можно было бы предоставлять друг другу права доступа к файлам и т.д.

Соответственно, аналогично файловой системе, появляется иерархическая организация пользователей. То есть у нас имеется понятие «все пользователи» и понятие «группа пользователей». В группе есть реальные пользователи. Такая иерархическая организация персонификации влечет за собой следующие моменты. При регистрации какого-то пользователя необходимо сначала привязать его к какой-то группе - это может быть лаборатория, кафедра или учебная группа. Так как пользователи объединены в группы, то появляется возможность разделения прав доступа к ресурсам пользователей. То есть пользователь может, например, заявить, что все его ресурсы доступны для всех пользователей группы. Такая схема может быть многоуровневой (группы делятся на подгруппы и т.д.) с соответственным распределением прав и возможностей. Сейчас появляются операционные системы, в которых права доступа могут определяться не только такой иерархической структурой, но и могут быть более сложными, т. е. права доступа можно добавлять, нарушая эту иерархию.

Лекция №7

3. Операционная система UNIX.

Мы переходим к изучению операционной системы UNIX, поскольку многие решения, которые принимаются в операционных системах, мы будем рассматривать на примере этой операционной системы.

В середине 60-х годов в Bell Laboratories фирмы AT&T проводились исследования и разработка одной из первых операционных систем в современном ее понимании - операционной системы Multix. Эта операционная система обладала свойствами операционной системы разделения времени, многопользовательской системы, а также в этой системе были предложены основные решения по организации файловых систем, в частности, была предложена иерархическая древообразная файловая система. От этой разработки через некоторое время получила начало операционная система UNIX. Одна из историй разработки этой системы говорит о том, что на фирме был ненужный компьютер PDP-7 с очень малоразвитым программным обеспечением и требовалась машина, которая позволяла бы организовывать комфортную работу пользователя, в частности, обработку текстовой информации. Известная группа людей - это Кен Томпсон и Деннис Ритчи, занялись разработкой новой операционной системы. Другой вариант этой истории гласит о том, что якобы они занимались реализацией некоторой игры и те средства, которые были им доступны, оказались неудобны - тогда они решили поиграть с этой машиной. В результате появилась операционная система UNIX.

Особенностью этой системы являлось то, что она была первой системной программой, которая была написана с использованием языка, отличного от машинного языка (ассемблера). Для целей написания этого системного программного обеспечения, в частности, операционной системы UNIX, также проводились работы, которые начинались от языка BCPL. Из него был образован язык B, который оперировал с машинными словами. Далее абстракция машинных слов - BN, и наконец язык Си. С 1983 года операционная система UNIX (ее первоначальная версия) была переписана на язык Си, и получилось, что около 90% операционной системы было написано на языке высокого уровня, не зависящем от архитектуры машины, а 10% этой системы были написаны на ассемблере. В эти десять процентов вошли наиболее критичные по времени части операционной системы.

Итак, первым важным и революционным результатом было использование языка высокого уровня. Этот факт вызывал обсуждения, потому что никто не верил, что это может быть долговременно, поскольку всегда язык высокого уровня ассоциировался с большой неэффективностью. Язык Си был сконструирован таким образом, что позволял, с одной стороны, писать достаточно эффективные программы, с другой стороны, транслировать его в эффективный код.

Первое свойство языка Си, которое повышало его эффективность, - это работа с указателями. Второе свойство заключается в том, что при программировании на ассемблере мы часто используем побочные эффекты. Например, эффект, когда результатом вычисления какого-то выражения является не только записанной значение, но и какие-то промежуточные значения, которые можно по ходу записать для последующего их использования. Эти возможности стали доступны и в языке Си, потому что понятие выражения в языке Си гораздо шире, чем в тех языках, которые имелись в наличии в то время. В частности, появилась операция присваивания, вместо оператора присваивания, которая позволила программировать побочные эффекты. Эти свойства и определили «живучесть» языка, пригодность для программирования системных компонентов и возможность оптимальной трансляции кода различных машин.

С профессиональной (канонической) точки зрения, язык Си - ужасный язык. Основным требованием, которое предъявляется к языкам программирования, является обеспечение безопасности программирования. Средства языка должны минимизировать вероятность внесения ошибок в программу, и заведомо к таким средствам современных языков относится следующее: жесткий контроль типов (т.е. нельзя, например, сложить целочисленную переменную с вещественной, не преобразовав перед этим тип одной из них к типу другой). Язык Си обладает возможностью преобразования типов по умолчанию. Другая криминальная вещь - это обеспечение контроля за доступом к памяти программы (т.е. если в ячейке памяти хранится вещественное число, то мы не можем его проинтерпретировать никак иначе). Возможность бесконтрольного использования этих значений предоставляют указатели. Более того, через указатель можно «обманывать» функции в соответствии и несоответствии фактических параметров формальным параметрам и т.д. Третье свойство - это контроль за взаимодействием модулей. Много ошибок появляется в том случае, если в функции продекларирован один набор формальных параметров, а обращение к ней происходит по другому набору (причем отличия могут быть как по количеству параметров, так и по типам). В языке Си всегда можно обмануть программу - вместо формального параметра одного типа дать параметр другого типа, и вместо десяти параметров передать один. Это приводит к ошибкам.