введение_1 (1085732), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Затем BIOS определяет устройство, с которого будет происходить загрузка, по очереди пробуя каждое из списка, хранящегося в CMOS-памяти. Пользователь может изменить этот список, войдя в конфигурационную программу BIOS сразу после загрузки. Обычно сначала делается попытка загрузиться с гибкого диска. Если это не удается, пробуется компакт-диск. Если в компьютере отсутствуют и гибкий диск, и компакт-диск, система загружается с жесткого диска. С загру­зочного устройства считывается в память и выполняется первый сектор. В этом секторе находится программа, обычно проверяющая таблицу разделов в конце загрузочного сектора, чтобы определить, который из разделов является активным. Затем из того же раздела читается вторичный загрузчик. Он считывает из актив­ного раздела операционную систему и запускает ее.

После этого операционная система опрашивает BIOS, чтобы получить инфор­мацию о конфигурации компьютера. Для каждого устройства она проверяет на­личие драйвера. Если драйвер отсутствует, операционная система просит пользо­вателя вставить гибкий диск или компакт-диск, содержащий драйвер (эти диски поставляются производителем устройства). Если же все драйверы на месте, опе­рационная система загружает их в ядро. Затем она инициализирует таблицы драй­веров, создает все необходимые фоновые процессы и запускает программу ввода пароля или графический интерфейс на каждом терминале. По крайней мере, пред­полагается, что операционная система должна работать таким образом. В реаль­ной жизни система plug and play часто бывает настолько ненадежна, что многие люди называют ee plug and pray («включи и молись»).

Понятия операционной системы

Для каждой операционной системы существует набор базовых понятий, например процессы, память и файлы, которые являются самыми важными для понимания общей идеи. В следующих разделах мы рассмотрим некоторые из них по возмож­ности кратко, как это должно быть сделано во введении. Позже мы вернемся к каж­дому из них и рассмотрим в деталях. Для иллюстрации этих понятий время от времени мы будем использовать примеры, в основном взятые из системы UNIX. Но аналогичные примеры можно найти и в других системах.

Процессы

Ключевое понятие операционной системы — процесс. Процессом, по существу, называют программу в момент выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство — список адресов в памяти от некоторого минимума (обычно нуля) до некоторого максимума, которые процесс может прочесть и в ко­торые он может писать. Адресное пространство содержит саму программу, данные к ней и ее стек. Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, указатель стека и другие аппаратные регистры, плюс вся осталь­ная информация, необходимая для запуска программы.

Мы более детально рассмотрим понятие процесса в главе 2, но сейчас для того, чтобы интуитивно осознать, что это такое, вспомним о системах, работаю­щих в режиме разделения времени. Предположим, периодически операционная система решает остановить работу одного процесса и запустить другой, потому что первый израсходовал отведенную для него часть рабочего времени центрального процессора в прошедшую секунду.

Если процесс был приостановлен подобным образом, позже он должен быть запущен заново из того же состояния, в каком его остановили. Следовательно, всю информацию о процессе нужно где-либо явно сохранить на время его приостанов­ки. Например, процесс может иметь открытыми для чтения несколько файлов одновременно. Связанный с каждым файлом указатель дает текущую позицию (то есть номер байта или записи, которые будут прочитаны следующими). При временном прекращении процесса все указатели нужно сохранить так, чтобы ко­манда чтения, выполненная после возобновления процесса, прочла правильные данные. Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, дополнительная к содержимому его собственного адресного пространства, хранит­ся в таблице операционной системы. Эта таблица называется таблицей процес­сов и представляет собой массив (или связанный список) структур, по одной на каждый существующий в данный момент процесс.

Таким образом, приостановленный процесс состоит из собственного адресного пространства, обычно называемого образом памяти (core image, core в переводе означает «сердечник», в честь использовавшейся давным-давно памяти на магнит­ных сердечниках), и компонентов таблицы процесса, содержащей, помимо других величин, его регистры.

Главными системными вызовами, управляющими процессами, являются вызо­вы, связанные с созданием и окончанием процессов. Рассмотрим типичный пример.

Процесс, называемый интерпретатором команд или оболочкой (shell), читает команды с терминала. Пользователь только что напечатал команду, содержащую запрос на компиляцию программы. Теперь оболочка должна создать новый про­цесс, который запустит компилятор. Когда процесс закончит компиляцию, он вы­полнит системный вызов, завершающий его собственную работу.

Если процесс может создавать несколько других процессов (называющихся дочерними процессами), а эти процессы, в свою очередь, тоже могут создать дочер­ние процессы, перед нами предстает дерево процессов, изображенное на рис. 1.12. Связанные процессы — это те, которые объединены для выполнения некоторой задачи, и им нужно часто передавать данные от одного к другому и синхронизиро­вать свою деятельность. Такая связь называется межпроцессным взаимодействи­ем и будет обсуждена в деталях в главе 2.

А

B

C

D

E

F

Рис. 1.12. Дерево процесса. Процесс А создал два дочерних процесса В и С. Процесс В создал три дочерних процесса D, Е и F

Другие системные вызовы предназначаются для запросов о предоставлении дополнительной памяти (или освобождении не использующейся памяти), ожида­нии завершения дочерних процессов и наложении одной программы на другую.

Время от времени необходимо передавать информацию работающему процес­су так, чтобы он не простаивал в ожидании получения этой информации. Напри­мер, процесс, связанный с другим процессом на удаленном компьютере, делает это, посылая сообщения по сети. Чтобы предотвратить возможность потери сообще­ния или ответа на него, отправитель может потребовать от собственной операци­онной системы уведомления, если по истечении определенного интервала ожида­ния не будет получено подтверждение о получении сообщения. В этом случае он сможет повторить отправку сообщения. После установки таймера программа про­должит выполнение другой работы.

Если по истечении определенного количества секунд ответа нет, операционная система посылает процессу сигнал тревоги. Сигнал вызывает временную оста­новку работы процесса независимо от того, что процесс делает в данный момент; сохраняет его регистры в стеке и запускает специальную процедуру обработки сигнала (например, передающую повторно предположительно потерянное сооб­щение). После завершения обработки сигнала работающий процесс запускается заново в том состоянии, в котором он находился до сигнала. Сигналы являются программными аналогами аппаратных прерываний и могут быть сгенерированы по различным причинам, а не только из-за истечения какого-либо интервала вре­мени. Многие аппаратные прерывания (например, вызванные выполнением недо­пустимой команды или использованием неправильного адреса) также преобразу­ются в сигналы процессу, в котором произошла ошибка.

Каждому пользователю, которому разрешено пользоваться системой, системный администратор присваивает UID (User IDentification — идентификатор пользова­теля). У каждого работающего процесса есть идентификатор пользователя, запус­тившего его. Дочерний процесс получает тот же самый UID, что и его родитель. Пользователи могут становиться членами групп, каждая из которых имеет иден­тификатор группы (GID, Group IDentification).

Пользователь с особым идентификатором UID, называемый в UNIX «супер­пользователем» (superuser), имеет особые полномочия и может игнорировать множество правил защиты. В огромных системах только системный администра­тор знает пароль, необходимый для того, чтобы стать суперпользователем. Одна­ко множество обыкновенных пользователей (особенно студенты) тратят значи­тельное количество времени и труда на то, чтобы найти брешь в системе, которая позволит им стать суперпользователями без пароля.

Мы изучим процессы, взаимодействие между ними и связанные с ними во­просы в главе 2.

Взаимоблокировка

Когда взаимодействуют два или более процессов, они могут попадать в патовые ситуации, из которых невозможно выйти без посторонней помощи. Такая ситуа­ция называется тупиком, тупиковой ситуацией или взаимоблокировкой.

Тупиковую ситуацию легче всего представить с помощью примера из реально­го мира, с которым знаком каждый, — это пробки на дорогах. Обсудим ситуацию на рис. 1.13, а. Четыре автобуса приближаются к перекрестку. За каждым автобу­сом есть еще машины (они не показаны на рисунке). При определенном невезе­нии первые четыре автобуса прибудут на перекресток одновременно, что приве­дет к ситуации, показанной на рис. 1.13, #. Все автобусы заблокировали друг друга, поскольку ни один автобус не может двигаться вперед. Каждый автобус блокиру­ет остальные. При этом они не могут двигаться назад, потому что за ними есть еще автобусы. И нет простого способа выпутаться из этой ситуации.

A

B

Рис. 1.13. Потенциальная взаимоблокировка (а); фактическая взаимоблокировка (b)

Компьютерные процессы могут попадать в аналогичные ситуации, в которых они не могут продвигаться дальше. Представьте себе компьютер с накопителем на магнитной ленте и записывающим компакт-диски устройством (CD-recorder). Теперь представьте, что каждому из двух процессов нужно записать данные с лен­ты на компакт-диск. Процесс 1 запрашивает и получает в пользование устройство с лентой. Затем процесс 2 запрашивает и получает устройство для записи компакт-дисков. После этого процесс 1 запрашивает устройство для записи компакт-дис­ков и приостанавливается до тех пор, пока процесс 2 не освободит его. Наконец, процесс 2 запрашивает устройство с лентой и также останавливается на время, потому что магнитофон уже занят процессом 1. Перед нами типичный тупик, из которого нет выхода. Мы в деталях изучим тупиковые ситуации и посмотрим, что можно с ними делать в главе 3.

Характеристики

Список файлов книги