Sissejuhatus operatsioonisüsteemidesse

Tere, Habr! Soovin esitleda teile huvitavate artiklite tõlgitud seeriat — OSTEP. Käesolevas materjalis uuritakse sügavalt unix-laadsete operatsioonisüsteemide toimimist, nimelt — protsesside, erinevate planeerijate, mälu ja teiste sarnaste komponentide töötamist, mis koosnevad kaasaegsest operatsioonisüsteemist. Kõiki materjale saate näha siin 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

Teised osad:

• Osa 1: Sissejuhatus

Ja võite ka külastada minu kanalit Telegramis =)

Vaatame kõige fundamentaalsemat abstraktsiooni, mida operatsioonisüsteem kasutajatele pakub: protsess. Protsessi määratlemine on üsna lihtne — see on töötav programm. Programm iseenesest on elutu asi, mis paikneb kettal — see on juhiste kogum ja võib-olla mõned staatilised andmed, oodates käivitamise hetke. Just operatsioonisüsteem võtab need baitid ja käivitab need, muutes programmi millegi kasulikuks.
Sagedamini soovivad kasutajad käivitada rohkem kui ühte programmi korraga, näiteks võite oma sülearvutis avada brauseri, mängu, meediapleieri, tekstiredaktori ja nii edasi. Tegelikult võib tüüpiline süsteem käivitada korraga kümneid ja sadu protsesse. See asjaolu muudab süsteemi kasutamise lihtsamaks, te ei pea kunagi muretsema, kas CPU on vaba, lihtsalt käivitada programmid.

Sealt tuleneb probleem: kuidas tagada mitme CPU illusioon? Kuidas operatsioonisüsteem loob illusiooni peaaegu piiramatust arvust CPU-dest, isegi kui teil on ainult üks füüsiline CPU?

Operatsioonisüsteem loob seda illusiooni CPU virtualiseerimise kaudu. Käivitades ühe protsessi, seejärel peatades selle, käivitades teise protsessi jne, suudab operatsioonisüsteem säilitada mulje, et eksisteerib palju virtuaalseid CPU-sid, kuigi tegelikult on see üks või mitu füüsilist protsessorit. Seda tehnikat nimetatakse CPU ressursside ajajaotuseksSee tehnika võimaldab kasutajatel käivitada nii palju samaseid protsesse kui nad soovivad. Sellise lahenduse hind on jõudlus – kuna kui mitu protsessi jagavad CPU-d, siis iga protsess töödeldakse aeglasemalt.
Virtuaalsuse elluviimiseks on CPU-le vajalik nii madala kui ka kõrge taseme tugi. Madala taseme toeks nimetatakse mehhanismideks — need on madala taseme meetodid või protokollid, mis rakendavad vajaliku funktsionaalsuse osa. Üheks selliseks funktsionaalsuseks on konteksti vahetamine, mis annab operatsioonisüsteemile võimaluse peatada ühe programmi ja käivitada protsessoril teise programmi. Selline ajajagamine on rakendatud kõigis kaasaegsetes operatsioonisüsteemides.
Nende mehhanismide tipus on mõningane loogika, mis on kirjutatud operatsioonisüsteemi, vormis „poliitika”. Poliitika on teatud otsuste tegemise algoritm operatsioonisüsteemis. Sellised poliitikad otsustavad näiteks, millist programmi tuleks (käskude loendist) esmajärjekorras käivitada. Näiteks lahendab seda ülesannet poliitika, mida nimetatakse plaanijaks (scheduling policy) ja otsuste tegemisel tugineb ta sellistele andmetele nagu: käivitamise ajalugu (milline programm on viimase minuti jooksul kõige kauem käivitatud), millist koormust see protsess tekitab (milliseid tüüpe programme on käivitatud), jõudluse mõõdikud (kas süsteem on optimeeritud interaktiivseks suhtlemiseks või läbilaskevõimeks) jne.

Abstraktsioon: protsess

Abstraktsioon töötavast programmist, mida operatsioonisüsteem täidab, on see, mida me nimetame protsess. Nagu varem mainitud, on protsess lihtsalt töötav programm, igal hetkel. Programm, mille abil saame saada kokkuvõtlikku teavet erinevatest süsteemiressurssidest ja millele see programm viitab või millele see programmi täitmise käigus juurdub.
Selleks, et mõista protsessi komponente, on oluline mõista süsteemi olekuid: mida programm oma töö ajal lugeda või muuta saab. Igal hetkel tuleb mõista, millised süsteemi elemendid on programmi täitmiseks olulised.
Üks silmapaistvamaid süsteemi seisundi elemente, mida protsess sisaldab, on mälu. Juhised asuvad mälus. Andmed, mida programm loeb või kirjutab, asuvad samuti mälus. Seetõttu on mälu, millele protsess saab juurdepääsu (nn adresseerimisruum), osa protsessist.
Süsteemi seisundi osana on ka registrid. Paljud juhised on suunatud registrite väärtuste muutmisele või nende väärtuste lugemisele, mistõttu on registrid samuti olulised protsessi töö jaoks.
Peab märkima, et masina seisund koosneb ka mõnest spetsiaalsest registrist. Näiteks IP — käskluse näitaja — juhib juhiseid, mida programm hetkel täidab. Veel on olemas stack pointer ja sellega seotud frame pointer, mida kasutatakse funktsioonide parameetrite, lokaalsete muutujate ja tagasipöördumisaadresside haldamiseks.
Lõpuks pöörduvad programmid sageli püsivälemisse (ROM). Selline „I/O” (sisendi/väljundi) teave peaks sisaldama loendit failidest, mis on protsessi käigus avatud.

Process API

Protsessi töö mõistmise parandamiseks vaatleme süsteemikõnede näiteid, mis peaksid olema mis tahes operatsioonisüsteemi liideses. Need API-d on mingil kujul saadaval igas operatsioonisüsteemis.

● Loo (loomine): Operatsioonisüsteemis peab olema mõni meetod, mis võimaldab luua uusi protsesse. Kui sisestate käsu terminalis või käivitate rakenduse ikoonile kahekordse klikiga, saadetakse operatsioonisüsteemile päring uue protsessi loomiseks ja määratud programmi käivitamiseks.
● Kustutamine: Kui protsessi loomise liides on olemas, peab operatsioonisüsteem ka võimaldama protsessi sunniviisilist kustutamist. Enamik programme käivitatakse ja lõpetatakse loomulikult omaette nende töö käigus. Vastupidisel juhul sooviks kasutaja neid katkestada, mistõttu oleks protsessi peatamise liides teretulnud.
● Oota (oodamine): Mõnikord on kasulik oodata protsessi lõpetamist, seetõttu pakutakse mõningaid liideseid, mis võimaldavad ootamist.
● Muu juhtimine (erinev juhtimine): Lisaks protsessi lõpetamisele ja ootamisele on olemas ka muid erinevaid juhtimismeetodeid. Näiteks pakuvad enamik operatsioonisüsteeme võimalust protsessi külmutada (st lõpetada selle täitmine teatud ajaks) ja hiljem taastada (tegevuse jätkamine)
● Oleku (olek): On olemas erinevad liideseed, et saada teavet protsessi oleku kohta, näiteks selle töö kestus või millises olekus see praegu on.

Protsessi loomine: üksikasjad

Üks huvitav asi on see, kuidas programmid täpselt protsessideks muudetakse. Eriti, kuidas operatsioonisüsteem tõstab ja käivitab programmi. Kuidas täpselt protsess luuakse.
Esiteks peab operatsioonisüsteem laadima programmi koodi ja staatilised andmed mällu (protsessi aadressiruumi). Programmid asuvad tavaliselt kettal või tahkisketasel mingis käivitatavas formaadis. Seega nõuab programmi ja staatiliste andmete laadimine mällu, et operatsioonisüsteem saaks lugeda neid baite kettalt ja paigutada need kuhugi mällu.

Varasemates operatsioonisüsteemides tehti laadimist protsessi kärsitult (eagerly), see tähendab, et kood laaditi mällu tervikuna enne, kui programm käivitati. Kaasaegsed operatsioonisüsteemid teevad seda laiskalt (lazily), laadides koodi või andmeid ainult siis, kui neid vajatakse programmi täitmise ajal.

Pärast seda, kui kood ja staatilised andmed on mällu laetud, peab operatsioonisüsteem enne protsessi käivitamist veel mõned asjad ära tegema. Teatud hulk mälu peab olema eraldatud virnaks. Programmid kasutavad virna kohalikeks muutujateks, funktsioonide parameetriteks ja tagasituleku aadressideks.. Operatsioonisüsteem eraldab selle mälu ja annab selle protsessile. Virn võib samuti olla eraldatud teatud argumentidega, täpselt täidab see peafunktsiooni main() parameetreid, näiteks massiiviga argc ja argv.

Operatsioonisüsteem võib samuti eraldada teatud hulga mälu programmi kuhja (heap) jaoks. Kuhja kasutatakse programmide poolt selgelt küsitud dünaamiliselt eraldatud andmete jaoks.. Programmid küsivad seda ruumi, kutsudes välja funktsiooni. malloc() ja puhastavad selgelt, kutsudes välja funktsiooni. free(). Kuhja on vajalik selliste andmestructuuride jaoks nagu: seotud loendid, hajus-tabelid, puud ja teised. Alguses eraldatakse kuhja jaoks väike kogus mälu, kuid aja jooksul võib programmi töö käigus kuhja kaudu rohkem mälu taotleda, kasutades raamatukogu API kutset malloc(). Operatsioonisüsteem on kaasatud protsessi, kus eraldatakse rohkem mälu, et aidata neid kutseid rahuldada.

Operatsioonisüsteem täidab ka initsialiseerimise ülesandeid, eriti neid, mis on seotud sisendi-väljundi funktsioonidega. Näiteks UNIX süsteemides on igal protsessil vaikimisi 3 avatud failikäsitletajat, mis on seotud standardse sisendi, väljundi ja vigadega. Need käsitletajad võimaldavad programmidel lugeda sisendit terminalist ja väljastada teavet ekraanile.

Seega, laadides koodi ja staatilisi andmeid mällu, luues ja initsialiseerides kuhja ning tehes teisi sisendi-väljundi ülesandeid, valmistab operatsioonisüsteem ette keskkonna protsessi käivitamiseks. Lõpuks jääb viimane ülesanne: käivitada programm selle sisenemispunktist, mida nimetatakse funktsiooniks main(). Funktsioonile main() üleminekul annab operatsioonisüsteem juhtimise CPU-le, mis oli just loodud protsess, mistõttu programm hakkab töötama.

Protsessi seisund

Nüüd, kui meil on mingisugune arusaam sellest, mis on protsess ja kuidas see luuakse, loetleme protsessi seisundid, milles see võib asuda. Kõige lihtsamal kujul võib protsess olla ühes järgmistest seisunditest:
● Käimas. Käivitamise seisundis täidetakse protsess protsessoril. See tähendab, et toimub käsu täitmine.
● Valmis. Valmiduse seisundis on protsess valmis käivituma, kuid mingil põhjusel operatsioonisüsteem ei täida seda antud hetkel.
● Blokeeritud. Blokeeritud seisundis täidab protsess mingeid toiminguid, mis ei lase tal olla valmis täitmiseks, kuni mingisugune sündmus toimub. Üks levinud näide on see, kui protsess initsialiseerib IO-operatsiooni, muutub see blokeerituks ning seega võib mõni teine protsess kasutada protsessorit.

Kujutame vaimu need seisundid graafina. Nagu pildilt näha, võib protsessi olek varieeruda RUNNING ja READY vahel operatsioonisüsteemi (OS) valikul. Kui protsessi olek muutub READY-lt RUNNING-iks, tähendab see, et protsess on kavandatud. Vastupidises suunas — on kavandamisest eemaldatud. Hetkel, kui protsess muutub BLOCKED-iks, näiteks IO operatsiooni algatamise korral, hoiab OS seda olekut kuni mingi sündmuse toimumiseni, näiteks IO lõpetamiseni. Sel hetkel toimub üleminek olekusse READY ja võimalik, et koheselt olekusse RUNNING, kui OS nii otsustab.
Vaatame näidet, kuidas kaks protsessi läbivad neid olekuid. Esiteks kujutame ette, et mõlemad protsessid on käivitatud ja igaüks kasutab ainult CPU-d. Sel juhul näevad nende seisundid välja järgmiselt.

Järgmisel näitel küsib esimene protsess pärast teatud töö tegemist IO-d ja läheb BLOCKED olekusse, andes teisele protsessile võimaluse käivituda (Joonis 1.4). OS näeb, et protsess 0 ei kasuta CPU-d ning käivitab protsessi 1. Protsessi 1 täitmise ajal — IO lõppeb ja protsessi 0 staatus muutub READY-ks. Lõpuks lõpetab protsess 1 oma töö ja selle lõpetamisel käivitatakse protsess 0, kes täidab oma ülesande ja lõpetab töö.

Andmestruktuur

OS ise on programm ja nagu iga teine programm, omab ka teatud võtme andmestruktuure, mis jälgivad erinevat vastavat teavet. Iga protsessi oleku jälgimiseks toetatakse OS-is teatud protsesside nimekirja kõigi READY olekus olevate protsesside kohta ja teatud lisainfot tööprotsesside jälgimiseks, mis on hetkel käimas. Samuti peab OS jälgima ka blokeeritud protsesse. Pärast IO lõpetamist peab OS äratama vajaliku protsessi ja viima selle käivitamiseks valmisolekusse.

Seega peab OS säilitama protsessori registrite oleku. Protsessi peatamise hetkel salvestatakse registrite olek protsessi aadressiruumi ja selle jätkamine toimub registrite väärtuste taastamisega, võimaldades selle protsessi jätkamist.

Lisaks olekutele ready, blocked, running on veel mõned teised olekud. Mõnikord loomise hetkel võib protsess olla olekus INIT. Lõpuks võib protsess olla viidud olekusse FINAL, kui see on juba lõpetatud, kuid informatsioon selle kohta ei ole veel kustutatud. UNIX-süsteemides nimetatakse seda seisundiks zombi-protsess. See olek on kasulik juhtudel, kui vanemprotsess soovib teada järglase tagastuskoodi, näiteks tavaliselt 0 signaali õnnestumise kohta, ja 1 vea korral, kuid programmeerijad võivad kasutada täiendavaid väljastuskoode, signaalides erinevaid probleeme. Protsessi lõpetamisel teeb vanemprotsess viimase süsteemikõne, näiteks wait(), et oodata järglase töö lõpetamist ja teavitada operatsioonisüsteemi, et on võimalik kustutada kõik hiljuti lõpetatud protsessiga seotud andmed.

Loengu võtmeletked:

● Protsess — peamine abstraktsioon töötavast programmist operatsioonisüsteemis. Igal hetkel saab protsessi kirjeldada selle oleku järgi: mälu sisu selle aadressiruumis, protsessori registrite sisu, sealhulgas instruction pointer ja stack pointer, samuti IO teave, näiteks avatud failid, millega tegeletakse lugemise või kirjutamisega.
● Process API koosneb kutsetest, mida programmid võivad protsesside suhtes teha. Tavaliselt on need kutsed loomise, kustutamise või teistega.
● Protsess on ühes paljusid olekuid, sealhulgas running, ready, blocked. Erinevad sündmused, nagu ajakava muutmine, ajakava väljaarvamine või ootamine, võivad protsessi olekut ühest teise muuta.
● Protsesside loend sisaldab teavet süsteemis olevate kõigi protsesside kohta. Iga kirje selles on tuntud kui protsessi juhtimise plokk, mis reaalsuses on struktuur, mis sisaldab kogu vajalikku teavet konkreetse protsessi kohta. 

Allikas: habr.com