Увядзенне ў аперацыйныя сістэмы

Прывітанне, Хабр! Жадаю прадставіць вашай увазе серыю артыкулаў-перакладаў адной цікавы на мой погляд літаратуры - OSTEP. У гэтым матэрыяле разглядаецца досыць глыбока праца unix-падобных аперацыйных сістэм, а менавіта - праца з працэсамі, рознымі планавальнікамі, памяццю і іншымі падобнымі кампанентамі, якія складаюць сучасную АС. Арыгінал усіх матэрыялаў вы можаце паглядзець вось тут. Прашу ўлічыць, што пераклад выкананы непрафесійна (дастаткова вольна), але спадзяюся агульны сэнс я захаваў.

Лабараторныя працы па дадзеным прадмеце можна знайсці вось тут:
- Арыгінал: pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Homework/homework.html
- Арыгінал: github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code
- мая асабістая адаптацыя: github.com/bykvaadm/OS/tree/master/ostep

А яшчэ можаце зазіраць да мяне на канал у тэлеграм =)

Праца праграмы

Што ж адбываецца, калі працуе якая-небудзь праграма? Запушчаная праграм выконвае адну простую рэч - яна выконвае інструкцыі. Кожную секунду мільёны і нават магчыма мільярды інструкцый здабываюцца працэсарам з аператыўнай памяці, у сваю чаргу ён дэкадуе іх (напрыклад, распазнае да якога тыпу, належаць гэтыя інструкцыі) і выконвае. Гэта могуць быць складанне двух лікаў, доступ да памяці, праверка ўмовы, пераход да функцыі і гэтак далей. Пасля заканчэння выканання адной інструкцыі працэсар пераходзіць да выканання іншай. І так інструкцыя за інструкцыяй, яны выконваюцца да таго часу, пакуль праграма не завершыцца.
Дадзены прыклад натуральна разгледжана спрошчана - насамрэч для паскарэння працы працэсара сучаснае жалеза дазваляе выконваць інструкцыі па-за чаргой, пралічваць магчымыя вынікі, выконваць інструкцыі адначасова і таму падобныя хітрыкі.

Фон-Нейманаўская мадэль вылічэння

Апісаная намі спрошчаная форма працы падобная да Фон-Нейманаўскай мадэлі вылічэнняў. Фон-Нэйман гэта адзін з піянераў кампутарных сістэм, таксама ён адзін з аўтараў тэорыі гульняў. Падчас працы праграмы адбываецца яшчэ куча іншых падзей, працуе мноства іншых працэсаў і іншай логікі, асноўная мэта якіх - спрашчэнне запуску, працы і абслугоўвання сістэмы.
Існуе набор праграмнага забеспячэння, які адказны за прастату запуску праграм (ці нават які дазваляе запускаць некалькі праграм адначасова), ён дазваляе праграмам падзяляць адну і тую ж памяць, а гэтак жа ўзаемадзейнічаць з рознымі прыладамі. Такі набор ПА (праграмнага забеспячэння) па ісце і завуць аперацыйнай сістэмай і ў яго задачы ўваходжання адсочванне таго каб сістэма працавала карэктна і эфектыўна, а таксама забеспячэнне прастаты кіравання гэтай сістэмай.

Аперацыйная сістэма

Аперацыйная сістэма, скарочана АС – комплекс узаемазлучаных праграм, прызначаных для кіравання рэсурсамі кампутара і арганізацыі ўзаемадзеяння карыстача з кампутарам.
АС дамагаецца сваёй эфектыўнасці ў першую чаргу, праз самую галоўную тэхніку - тэхніку віртуалізацыі. АС ўзаемадзейнічае з фізічным рэсурсам (працэсарам, памяццю, дыскам і таму падобныя) і трансфармуе яго ў больш агульную, з вялікімі магчымасцямі і прасцейшую для выкарыстання форму самога сябе. Таму для агульнага разумення, можна вельмі грубіянска параўнаць аперацыйную сістэму з віртуальнай машынай.
Для таго каб дазваляць карыстачам даваць каманды аперацыйнай сістэме і такім чынам выкарыстаць магчымасці віртуальнай машыны (такія як: запуск праграмы, вылучэнне памяці, доступ да файла і гэтак далей), аперацыйная сістэма падае некаторы інтэрфейс, званы API (application programming interface) і да якога можна рабіць выклікі (call). Тыповая аперацыйная сістэма дае магчымасць зрабіць сотні сістэмных выклікаў.
І нарэшце, паколькі віртуалізацыя дазваляе мноству праграм працаваць (такім чынам, сумесна выкарыстоўваць CPU), і адначасова атрымліваць доступ да іх інструкцый і дадзеным (тым самым падзяляючы памяць), а таксама атрымліваць доступ да дыскаў (такім чынам, сумесна выкарыстоўваць прылады ўводу-высновы ), аперацыйную сістэму яшчэ называюць мэнэджэрам рэсурсаў. Кожны працэсар, дыск і памяць гэта рэсурс сістэмы і такім чынам адной з роляў аперацыйнай сістэмы становіцца задача па кіраванні гэтымі рэсурсамі, робячы гэта эфектыўна, сумленна ці, наадварот, у залежнасці ад задачы, для якой гэтая аперацыйная сістэма распрацавана.

Віртуалізацыя CPU

Разгледзім наступную праграму:
(https://www.youtube.com/watch?v=zDwT5fUcki4&feature=youtu.be)

Яна не выконвае нейкіх асаблівых дзеянняў, па сутнасці ўсё што яна робіць - выклікае функцыю прасці(), задача якой цыклічная праверка часу і вяртанне, пасля таго як прайшла адна секунда. Такім чынам, яна паўтарае бясконца радок, які карыстач перадаў у якасці аргументу.
Запусцім гэтую праграму, і перадамо ёй аргументам сімвал "А". Вынік атрымліваецца не асабліва цікавы - сістэма проста выконвае праграму, якая перыядычна выводзіць на экран сімвал "А".
Цяпер паспрабуем варыянт, калі запушчана мноства асобнікаў адной і той жа праграмы, але якія выводзяць розныя літары, каб было зразумелей. У гэтым выпадку, вынік атрымаецца некалькі іншы. Нягледзячы на ​​тое, што ў нас адзін працэсар, праграма выконваецца адначасова. Як жа гэта атрымліваецца? А атрымліваецца, што аперацыйная сістэма, не без дапамогі магчымасцяў абсталявання, стварае ілюзію. Ілюзію таго, што ў сістэме ёсць некалькі віртуальных працэсараў, ператвараючы адзін фізічны працэсар у тэарэтычна бясконцую колькасць і тым самым дазваляючы, праграмам з выгляду выконвацца адначасова. Такую ілюзію і завуць Віртуалізацыяй CPU.
Падобная карціна спараджае шмат пытанняў, напрыклад, калі некалькі праграм жадаюць запусціцца адначасова, то якая менавіта будзе запушчана? За гэтае пытанне адказваюць "палітыкі" АС. Палітыкі выкарыстоўваюцца ў шматлікіх месцах АС і адказваюць на падобныя пытанні, а гэтак жа з'яўляюцца базавымі механізмамі, якія АС увасабляе. Адгэтуль і роля АС як рэсурснага мэнэджара.

Віртуалізацыя памяці

Цяпер давайце разгледзім памяць. Фізічная мадэль памяці ў сучасных сістэмах уяўляецца як масіў байт.. Для чытання з памяці трэба пазначыць адрас ячэйкі, Каб атрымаць да яе доступ. Каб запісаць ці абнавіць дадзеныя трэба таксама паказаць дадзеныя і адрас ячэйкі, куды іх запісаць.
Звароты да памяці адбываецца ўвесь час падчас прац праграмы. Праграма захоўвае ў памяці ўсю яе структуру даных, і звяртаецца да яе, выконваючы розныя інструкцыі. Інструкцыі тым часам таксама захоўваюцца ў памяці, таму зварот да яе адбываецца таксама на кожны запыт да наступнай інструкцыі.

Выклік malloc()

Разгледзім наступную праграму, якая вылучае вобласць памяці, выкарыстоўваючы выклік малачок () (https://youtu.be/jnlKRnoT1m0):

Праграма робіць некалькі рэчаў. Па-першае, вылучае некаторы аб'ём памяці (радок 7), затым выводзіць адрас вылучанага вочка (радок 9), запісвае нуль у першы слот выдзеленай памяці. Далей праграма ўваходзіць у цыкл, у якім інкрыментуе значэнне, запісанае ў памяці па адрасе ў зменнай "p". Таксама яна выводзіць ідэнтыфікатар працэсу самога сябе. Ідэнтыфікатар працэсу ўнікальны для кожнага запушчанага працэсу. Запусціўшы некалькі копій, мы наткнёмся на цікавы вынік: У першым выпадку, калі не зрабіць нічога і проста запусціць некалькі копій, то адрасы будуць рознымі. Але ж гэта не трапляе пад нашу тэорыю! Правільна, паколькі ў сучасных дыстрыбутывах уключаная па змаўчанні функцыя рандомизации памяці. Калі яе адключыць, атрымаем чаканы вынік - адрасы памяці ў двух адначасова працавальных праграм будуць супадаць.

У выніку атрымліваецца, што дзве незалежныя праграмы працуюць са сваімі ўласнымі прыватнымі адраснымі прасторамі, якія ў сваю чаргу адлюстроўваюцца аперацыйнай сістэмай у фізічнай памяці.. Таму выкарыстанне адрасоў памяці ў межах адной праграмы ніяк не будзе закранаць іншыя і кожнай праграме здаецца, што ў яе ўласны кавалак фізічнай памяці, цалкам аддадзены ў яе распараджэнне. Рэальнасць, аднак, такая, што фізічная памяць - падзяляемы рэсурс, кіраванне якім ажыццяўляе аперацыйная сістэма.

ўзгодненасць

Яшчэ адна з важных тэм у рамках аперацыйных сістэм - узгодненасць. Гэты тэрмін выкарыстоўваецца, калі гаворка ідзе аб праблемах у сістэме, якія могуць узнікаць пры працы са шматлікімі рэчамі адначасова ў межах адной праграмы. Праблемы ўзгодненасці ўзнікаюць нават у самай аперацыйнай сістэме. У папярэдніх прыкладах з віртуалізацыяй памяці і працэсара, мы зразумелі, што АС кіруе шматлікімі рэчамі адначасова – запускае першы працэс, затым другі і гэтак далей. Як аказалася, такія паводзіны могуць прывесці да некаторых праблем. Так, напрыклад сучасныя шматструменныя праграмы адчуваюць такія цяжкасці.

Разгледзім наступную праграму:

Праграма ў галоўнай функцыі стварае два патоку, выкарыстоўваючы выклік Pthread_create(). У дадзеным прыкладзе аб струмені можна думаць як аб функцыі, запушчанай у адной прасторы памяці побач з іншымі функцыямі, прычым колькасць запушчаных адначасова функцый відавочна больш за адну. У дадзеным прыкладзе кожны паток стартуе і выконвае функцыю worker() якая ў сваю чаргу проста інкрыментуе зменную,.

Запусцім гэтую праграму з аргументам 1000. Як вы ўжо маглі здагадацца, вынікам павінна стаць 2000, паколькі кожны струмень інкрыментаваў зменную 1000 раз. Аднак усё не так проста. Паспрабуем запусціць праграму з лікам паўтораў на парадак болей.

Падаючы на ​​ўваход лік, напрыклад, 100000 мы чакаем убачыць на выхадзе лік 200000. Аднак, запусціўшы лік 100000 некалькі разоў, мы не толькі не ўбачым правільны адказ, але і атрымаем розныя няправільныя адказы. Разгадка крыецца ў тым, што для павелічэння колькасці патрабуецца тры аперацыі - выманне ліку з памяці, інкрыментацыя і затым запіс ліку назад. Паколькі ўсе гэтыя інструкцыі не здзяйсняюцца атамарна (усе адначасова), такія дзіўныя рэчы могуць адбывацца. Гэтая праблема завецца ў праграмаванні race condition - стан гонкі. Калі невядомыя сілы ў невядомы момант могуць паўплываць на выкананне якіх-небудзь вашых аперацый.

Крыніца: habr.com