Sissejuhatus operatsioonisüsteemidesse

Tere, Habr! Soovin teile tutvustada artiklite seeriat, mis on tõlgitud huvitavast, minu arvates, kirjandusest - OSTEP. Selles materjalis käsitletakse süvitsi Unix-laadsete operatsioonisüsteemide tööd, nimelt protsesside, erinevate ajastajate, mälu ja muude sarnaste komponentide tegemist, mis moodustavad kaasaegse OS-i. Originaali kõiki materjale saate vaadata siit siit. Palun arvestage, et tõlge on tehtud mitteprofessionaalselt (piisavalt vaba), kuid loodan, et üldine mõte on säilinud.

Käesoleva aine laboritöid saab leida siit:
— originaal: pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Homework/homework.html
— originaal: github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code
— minu isiklik kohandamine: github.com/bykvaadm/OS/tree/master/ostep

Ja võite ka külastada minu kanalit Telegramis =)

Programmi töö

Mis toimub, kui mõni programm töötab? Käivitatud programm teeb ühte lihtsat asja - see täidab juhiseid. Iga sekundi jooksul tõmbab protsessor mälust välja miljonid ja isegi võimalik, et miljardid juhiseid, samal ajal dekodeerides neid (näiteks tuvastab, kuhu tüüpi need juhised kuuluvad) ja täidab. Need võivad olla kahe numbri liitmine, mälu juurde pääsemine, tingimuse kontrollimine, funktsiooni juurde üleminek ja nii edasi. Pärast ühe juhise täitmist liigub protsessor järgmise täitmise juurde. Ja nii juhis juhise järel, nad täidetakse, kuni programm lõpetatakse.
Antud näide on loomulikult lihtsustatud - tegelikult võimaldab kaasaegne riistvara protsessori töötamise kiirusel täita juhiseid väljaspool järjekorda, arvutada võimalikke tulemusi, täita juhiseid samaaegselt ja palju muid sarnaseid nippe.

Von Neumani arvutusmudel

Meie kirjeldatud lihtsustatud vorm töötab sarnaselt Von Neumani arvutusmudelile. Von Neumann on üks arvutussüsteemide pioneeridest, samuti üks mänguteooria autoritest.. Programmi töötamise ajal toimub veel mitmeid muid sündmusi, töötavad paljusid teisi protsesse ja kõrvalisi loogika, mille peamine eesmärk on süsteemi käivitamine, toimimine ja hooldamine lihtsustamine.
On olemas tarkvarakomplekt, mis vastutab programmide käivitamise lihtsuse eest (või isegi võimaldab mitme programmi samaaegset käivitamist); see võimaldab programmidel jagada ühte ja sama mälu ning suhelda erinevate seadmetega. Sellist tarkvarakomplekti nimetatakse operatsioonisüsteemiks, mille ülesanne on jälgida, et süsteem töötaks korrektselt ja tõhusalt, ning tagada selle haldamise lihtsus.

Operatsioonisüsteem

Operatsioonisüsteem, lühendatult OS — omavahel seotud programmide kogum, mis on mõeldud arvuti ressursside haldamiseks ja kasutaja suhtlemiseks arvutiga..
OS saavutab oma efektiivsuse peamiselt läbi kõige olulisema tehnika — tehnika virtualiseerimine. OS suhtleb füüsiliste ressurssidega (protsessor, mälu, ketas jne) ja muudab need üldiseks, suuremate võimalustega ja kasutamiseks lihtsamaks vormiks. Seetõttu võib operatsioonisüsteemi üldiseks mõistmiseks väga jämedalt võrrelda virtuaalmasinaga.
Kasutajate käsu andmiseks operatsioonisüsteemile ja seega virtuaalmaski võimaluste kasutamiseks (nt programmi käivitamine, mälu eraldamine, faili juurde pääsemine jne) pakub operatsioonisüsteem mingit liidest, mida nimetatakse API (rakenduste programmeerimise liides) ja kellele saab teha väljakutseid (call). Tüüpiline operatsioonisüsteem võimaldab teha sadu süsteemi väljakutseid.
Ja lõpuks, kuna virtualiseerimine võimaldab paljude programmide töötamist (seega CPU jagamine) ja samal ajal juurdepääsu nende juhistele ja andmetele (jagades seega mälu) ning juurdepääsu ketastele (seega seadmete jagamine), nimetatakse operatsioonisüsteemi veel ka ressursside halduriks. Iga protsessor, ketas ja mälu on süsteemi ressurss ning seega on operatsioonisüsteemi üheks rolliks nende ressursside tõhus ja õiglane haldamine või vastupidi, sõltuvalt ülesandest, mille jaoks operatsioonisüsteem on loodud.

CPU virtualiseerimine

Vaatame järgmist programmi:
(https://www.youtube.com/watch?v=zDwT5fUcki4&feature=youtu.be)

See ei tee mingeid erilisi toiminguid, põhimõtteliselt teeb see vaid funktsiooni kutsumise spin(), milleks on ajavahemiku tsükliline kontrollimine ja tagasipöördumine pärast ühe sekundi möödumist. Seega kordab see lõputult kasutaja antud argumenti.
Käivitame selle programmi ja viime sinna argumendiks sümboli 'A'. Tulemuseks on mitte kuigi huvitav — süsteem lihtsalt täidab programmi, mis perioodiliselt kuvab ekraanile sümbolit 'A'.
Nüüd proovime varianti, kus töötavad mitu sama programmi eksemplari, aga näitavad erinevaid tähti, et asja selgemaks teha. Sellisel juhul saab tulemus veidi teistsugune. Ehkki meil on ainult üks protsessor, töötab programm samal ajal. Kuidas see võimalik on? See juhtub nii, et operatsioonisüsteem, kasutades riistvara võimalusi, loob illusiooni. Illusiooni, et süsteemis on mitu virtuaalset protsessorit, muutes ühe füüsilise protsessori teoreetiliselt lõpmatuks hulgaks ja lubades seega programmidel näiliselt töötada samal ajal. Sellist illusiooni nimetatakse CPU virtualiseerimiseks.
Sarnane pilt tekitab palju küsimusi, näiteks kui mitu programmi soovivad samal ajal käivituda, siis milline neist käivitatakse? Selle küsimuse eest vastutavad operatsioonisüsteemi “poliitikad”. Poliitikaid kasutatakse paljudes kohtades operatsioonisüsteemis ja need vastavad sellistele küsimustele, ning on ka põhimehanismid, mida operatsioonisüsteem rakendab. Seega on operatsioonisüsteemi roll ressursside haldurina.

Mälu virtualiseerimine

Nüüd vaatame mälu. Kaasaegsete süsteemide füüsiline mälumudel esindab end kui baitide massi.Mälust lugemiseks peab näitama mälurakenduse aadressi, et sellele juurde pääseda. Andmete salvestamiseks või uuendamiseks peab samuti näitama andmed ja see aadress, kuhu need salvestada.
Mälu juurde pääsemine toimub pidevalt programmi töö käigus. Programm salvestab mällu kogu oma andmestruktuuri ja pääseb sellele juurde, tehes erinevaid juhiseid. Juhised ise salvestatakse mällu, seetõttu juhtub mäluga kontakteerumine samuti iga kord, kui järgmise juhise jaoks tehtakse päring.

Kutsumine malloc()

Vaadake järgmist programmi, mis eraldab mäluala, kasutades väljakutset malloc() (https://youtu.be/jnlKRnoT1m0):

Programm teeb mitmeid asju. Esiteks eraldab see teatud hulga mälu (rida 7), seejärel prindib välja eraldatud mäluse vea aadressi (rida 9), salvestab nulli esimesse eraldatud mälu sloti. Seejärel siseneb programm tsüklisse, milles suurendab väärtust, mis on salvestatud aadressil muutuja „p” järgi. Samuti prindib see välja enda protsessi identifikaatori. Protsessi identifikaator on iga käivitatud protsessi jaoks ainulaadne. Käivitades mitu koopia, seisame silmitsi huvitava tulemusega: esimesel juhul, kui mitte midagi teha ja lihtsalt käivitada mitu koopia, siis aadressid on erinevad. Kuid see ei sobi meie teooriaga! Õige, kuna kaasaegsetes jaotustes on vaikimisi lubatud mälu randomiseerimise funktsioon. Kui selle välja lülitame, saame oodatud tulemuse - kahe samaaegselt töötava programmi mäluaadressid kattuvad.

Kokkuvõttes töötab kaks sõltumatut programmi oma erakordsete aadressiruumidega, mis seejärel kaardistatakse operatsioonisüsteemi poolt füüsilisse mällu.. Seetõttu ei mõjuta mälu aadresside kasutamine ühes programmis kuidagi teisi ja igale programmile näib, et tal on oma füüsilise mälu osa, mis on täielikult tema käsutuses. Kuid reaalsus on see, et füüsiline mälu on jagatud ressurss, mille haldamise eest vastutab operatsioonisüsteem.

Järjepidevus

Veel üks oluline teema operatsioonisüsteemides on järjepidevus. See termin kasutatakse, kui räägitakse süsteemi probleemidest, mis võivad tekkida, kui töötatakse samaaegselt paljude asjadega ühe programmi piires. Järjepidevuse probleemid tekivad isegi operatsioonisüsteemis endas. Eelmistes näidetes mälude ja protsessori virtualiseerimisega mõistsime, et operatsioonisüsteem haldab samaaegselt palju asju - käivitab esmakordse protsessi, siis teise ja nii edasi. Selgus, et selline käitumine võib põhjustada teatud probleeme. Näiteks kannatavad kaasaegsed mitme läbipääsuga programmid selliste raskuste all.

Vaatame järgmist programmi:

Peamine funktsioon loob kaks niiti, kasutades funktsiooni Pthread_create(). Selles näites võib niiti mõista kui funktsiooni, mis käivitatakse ühes mäluruumis koos teiste funktsioonidega, kusjuures samal ajal on selgelt rohkem kui üks käivitatud funktsioon. Selles näites käivitab iga niit ja täidab funktsiooni worker(), mis omakorda lihtsalt suurendab mingit muutuja väärtust.,.

Käivitame selle programmi argumendiga 1000. Nagu võisite arvata, peaks tulemuseks olema 2000, kuna iga niit suurendas muutuja väärtust 1000 korda. Kuid asi pole nii lihtne. Proovime käivitada programmi kordusega, mis on oluliselt suurem.

Sisestades näiteks arvu 100000, loodame näha väljundis arvu 200000. Kuid kui käivitame arvu 100000 mitu korda, ei saa me mitte ainult õiget vastust, vaid saame ka erinevaid valesid vastuseid. Lahendus peitub selles, et numbri suurendamiseks on vajalik kolm sammu — arvu mälust lugemine, suurendamine ja seejärel numbri tagasi kirjutamine. Kuna kõik need juhised ei toimu aatomiliselt (korraga), võivad toimuda kummalised asjad. Seda probleemi nimetatakse programmeerimises race condition — võidujooks. Kui tundmatud tegurid võivad tundmatul hetkel mõjutada mõne teie operatsiooni täitmist.

Allikas: habr.com