Sissejuhatus operatsioonisüsteemidesse

Tere, Habr! Soovin tutvustada teile tõlgitud artiklite seeriat, mis sisaldab üht huvitavat kirjandust — OSTEP. Selles materjalis käsitletakse süvitsi unix-sarnaste operatsioonisüsteemide toimimist, nimelt protsesside haldamist, erinevaid planeerijaid, mälu ja muid sarnaseid komponente, mis moodustavad modernse operatsioonisüsteemi. Originaali võite vaadata siit siin. Palun arvestage, et tõlge on tehtud mitteprofessionaalselt (piisavalt vabalt), kuid loodan, et olen põhisisu säilitanud.

Laboritööd selle aine kohta leiate 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

Lisaks võite minna minu kanalile Telegraam =)

Programmi töö

Mis juhtub, kui programm töötab? Käivitatud programm täidab ühte lihtsat asja — see täidab korraldusi. Iga sekundi jooksul tõmbab protsessor miljonite ja isegi miljardite korralduste hulgast andmed töömälu, dekodeerib need (näiteks määrab, millist tüüpi need korraldused on) ja täidab need. Need võivad olla kahe numbri liitmine, mälule ligipääs, tingimuse kontrollimine, funktsiooni juurde üleminek ja nii edasi. Pärast ühe korralduse täitmist läheb protsessor järgmise täitmise juurde. Nii täidetakse korraldus järgemööda seni, kuni programm lõpetatakse.
See näide on loomulikult lihtsustatud — tegelikult võimaldab kaasaegne riistvara protsessori töö kiirendamiseks täita korraldusi järjekorrata, arvutada võimalikke tulemusi, täita korraldusi samaaegselt ja teisi sarnaseid trikke.

Von Neumanni arvutusmudel

Kuwas toodulembavad kuulumise protsess sarnaneb Von Neumanni arvutusmudelile. Von Neumann on üks arvutussüsteemide pioneeridest ning ka mänguteooria autoritest.. Programmide töö käigus toimub veel palju teisi sündmusi, töötab hulgaliselt teisi protsesse ja kolmanda osapoole loogikat, mille põhieesmärk on süsteemi käivitamise, töö ning hoolduse lihtsustamine.
On olemas tarkvarade kogum, mis vastutab programmide lihtsa käivitamise eest (või isegi võimaldab mitme programmi samaaegset käivitamist). See võimaldab programmide jagada sama mälu ning suhelda erinevate seadmetega. Sellist tarkvara (operatiivtarkvara) nimetatakse operatsioonisüsteemiks, mille ülesanne on jälgida, et süsteem töötaks õigesti ja efektiivselt, ning tagada, et süsteemi haldamine oleks lihtne.

Operatsioonisüsteem

Operatsioonisüsteem, lühendatult OS — on omavahel seotud programmide kompleks, mis on mõeldud arvuti ressursside haldamiseks ja kasutaja suhtlemise korraldamiseks arvutiga..
OS saavutab oma efektiivsuse eelkõige kõige olulisema tehnika kaudu — virtualiseerimise tehnika. virtualiseerimine. Operatsioonisüsteem suhtleb füüsiliste ressurssidega (protsessor, mälu, ketas jne) ja muudab need enda lihtsamaks ja universaalsemaks vormiks. Seetõttu võib operatsioonisüsteemi väga üldiselt võrrelda virtuaalmasinaga.
Kasutajatele käskude andmiseks operatsioonisüsteemile ning virtuaalmasina võimaluste (nt programmide käivitamine, mälu eraldamine, failidele juurdepääs jne) kasutamiseks võimaldab operatsioonisüsteem teatud liidest, mida nimetatakse API (rakenduste programmeerimise liideseks) ja millele saab teha kutseid (call). Tüüpiline operatsioonisüsteem võimaldab teha sadu süsteemikutseid.
Lõpuks, kuna virtualiseerimine võimaldab mitmetel programmidel töötada (seega jagada CPU-d) ja samal ajal ligipääsu nende juhistele ja andmetele (jagades seega mälu), samuti ligipääsule ketastele (seega jagades sisend-väljund seadmeid), nimetatakse operatsioonisüsteemi ka ressursside halduriks. Iga protsessor, ketas ja mälu on süsteemi ressurss ja seega üks operatsioonisüsteemi rollidest on nende ressursside haldamine, tehes seda tõhusalt, õiglaselt või vastupidi, sõltuvalt ülesandest, milleks see operatsioonisüsteem on loodud.

CPU virtualiseerimine

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

See ei tee midagi erilist, põhimõtteliselt kutsub see lihtsalt funktsiooni spin(), mille ülesanne on aegade tsükliline kontrollimine ja tagastamine pärast seda, kui üks sekund on möödunud. Seega kordab see lõputult rida, mille kasutaja on argumendina edastanud.
Käivitame selle programmi ja anname sellele argumendiks sümboli “A”. Tulemuseks on midagi väga huvitavat — süsteem täidab lihtsalt programmi, mis perioodiliselt kuvab ekraanile sümboli “A”.
Nüüd proovime varianti, kus käivitatakse mitu eksemplari ühest ja samast programmist, kuid need kuvavad erinevaid tähti, et oleks selgem. Sel juhul on tulemus veidi erinev. Ehkki meil on üks protsessor, töötab programm samaaegselt. Kuidas see võimalik on? Asi on selles, et opsüsteem, kasutades riistvara võimalusi, loob illusiooni. Illusiooni, et süsteemis on mitu virtuaalset protsessorit, muutes ühe füüsilise protsessori teoreetiliselt lõpmatuks ja seeläbi võimaldades programmide näiliselt samaaegset täitmist. Sellist illusiooni nimetatakse CPU virtualiseerimiseks.
Sarnane olukord tekitab palju küsimusi, näiteks, kui mitu programmi soovivad samal ajal käivituda, siis milline neist käivitub? Selle küsimuse eest vastutavad OS-i "poliitikad". Poliitikaid kasutatakse paljudes kohtades OS-is ja nad vastavad sellistele küsimustele, olles samuti põhimehhanismid, mida OS rakendab. Seega on OS-i roll kui ressursihaldurit selgelt määratletud.

Mälu virtualiseerimine

Nüüd vaatame mälu. Füüsiline mälu mudel kaasaegsetes süsteemides esitatakse kui baitide massiiv.. Mälu lugemiseks tuleb näidata mälu aadress, et sellele juurde pääseda. Andmete kirjutamiseks või värskendamiseks tuleb samuti näidata andmed ja aadress, kuhu need salvestada.
Mälu kasutamine toimub pidevalt programmi töötamise käigus. Programm salvestab mälu kogu oma andmestruktuuri ja kasutab seda erinevate käskude täitmiseks. Käskude vahel hoitakse samuti mälu, seetõttu toimub mälu juurde pääsemine ka iga järgneva käsu nõudmisel.

malloc() väljakutse

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

Programm teeb mitmeid asju. Esiteks eraldab ta teatud hulga mälu (rea 7), seejärel väljastab eraldatud mäluraku aadressi (rea 9) ja kirjutab nulli esimesse eraldatud mälu pesasse. Edasi liigub programm tsüklisse, kus ta suurendab väärtust, mis on salvestatud mällu muutuja “p” aadressil. Samuti väljastab ta enda protsessi ID. Protsessi ID on iga käivitatud protsessi jaoks ainulaadne.. Käivitades mitu koopia, satume huvitavale tulemusele: esimeses variandis, kui mitte midagi teha ja lihtsalt käivitada mitu koopia, siis aadressid on erinevad. Kuid see ei sobi meie teooriaga! Õige, kuna tänapäevastes jaotustes on vahemälu randomiseerimise funktsioon vaikimisi sisse lülitatud. Kui see välja lülitada, saame oodatud tulemuse — kahel samal ajal töötaval programmil on mäluaadressid samad.

Seega selgub, et kaks sõltumatut programmi töötavad oma ainulaadsete privaatsete aadressiruumidega, mis omakorda kaardistatakse operatsioonisüsteemi poolt füüsilisse mällu.. Seetõttu ei mõjuta ühe programmi mäluaadresse teiste toimimist ja igale programmile näib, et tal on oma tükike füüsilisest mälust, mis on täielikult tema käsutuses. Kahjuks on reaalsus see, et füüsiline mälu on jagatud ressurss, mille haldamise eest vastutab operatsioonisüsteem.

Konsistentsus

Veel üks oluline teema operatsioonisüsteemide raames on kooskõla. Seda mõistet kasutatakse, kui räägitakse probleemidest süsteemis, mis võivad tekkida, kui mitmeid asju tehakse samaaegselt ühe programmi raames. Kooskõla probleemid esinevad isegi operatsioonisüsteemis endas. Eelnevates näidetes, mis puudutavad mälu ja protsessori virtualiseerimist, mõistsime, et operatsioonisüsteem haldab palju asju samaaegselt — käivitades esimese protsessi, seejärel teise ja nii edasi. Selgub, et selline käitumine võib põhjustada teatud probleeme. Näiteks kaasaegsed mitme lõimega programmid kogevad selliseid raskusi.

Vaatame järgmist programmi:

Programm peafunktsioonis loob kaks lõime, kasutades käsku Pthread_create(). Selles näites saab voogu mõista kui funktsiooni, mis töötab ühes mäluruumis koos teiste funktsioonidega, kusjuures samaaegselt on käimas selgelt rohkem kui üks funktsioon. Igas näites algab ja täidab iga voog funktsiooni worker(), mis omakorda lihtsalt inkrementeerib muutujat,.

Käivitame selle programmi argumendiga 1000. Nagu sa juba arvasid, peaks tulemuseks olema 2000, kuna iga voog inkrementeeris muutujat 1000 korda. Ent asi ei olegi nii lihtne. Proovime programmi käivitada numbriga, mis on kordades suurem.

Sisestades, näiteks, numbri 100000, ootame tulemuseks näha arvu 200000. Kuid kui käivitame numbri 100000 mitu korda, ei saa me mitte ainult vale vastust, vaid ka erinevaid vale vastuseid. Saladus peitub selles, et arvu suurendamiseks on vajalik kolm toimingut — arvu mälu meelest välja võtma, inkrementeerima ja seejärel kirjutama arvu tagasi. Kuna kõik need juhised ei toimu atomaarsetena (samal ajal), võivad aset leida sellised kummalised asjad. Seda probleemi nimetatakse programmeerimises võistlusolukord — olukord, kus tundmatud jõud võivad tundmatul hetkel mõjutada mõne teie toimingu täitmist..

Allikas: habr.com