Sissejuhatus operatsioonisüsteemidesse

Tere, Habr! Soovin tutvustada teile artiklite seeriat, mis on tõlkinud minu arvates huvitavat kirjandust — OSTEP. Selles materjalis käsitletakse sügavalt unix-sarnaste operatsioonisüsteemide toimimist, sealhulgas protsesside, erinevate planeerijate, mäluhalduse ja muude sarnaste komponentide töötamise aspekte, mis moodustavad tänapäeva operatsioonisüsteemi. Originaali kõiki materjale saate 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

Teised osad:

• Osa 1: Sissejuhatus

Lisaks võite minna minu kanalile Telegraam =)

Vaatame kõige fundamentaalsemat abstraktsiooni, mida opsüsteem kasutajatele pakub: protsess. Protsessi määratlemine on üsna lihtne — see on töötav programm. Programm on iseenesest elutu objekt, mis asub kettal — see on juhiste kogum ja võimalikud staatilise andmed, mis ootavad käivitamise hetke. Just opsüsteem võtab need baitid ja käivitab need, muutes programmi millekski kasulikuks.
Kasutajad soovivad sageli käivitada rohkem kui ühte programmi korraga, näiteks võite oma sülearvutis käivitada brauseri, mängu, meediamängija, tekstiredaktori ja palju muud. Tegelikult võib tüüpiline süsteem käivitada kümneid ja sadu protsesse samaaegselt. See fakt muudab süsteemi kasutamise lihtsamaks, te ei pea kunagi muretsema, kas CPU on vaba, vaid lihtsalt käivitate programmid.

Siit tõuseb probleem: kuidas luua illusioon mitmest CPU-st? Kuidas opsüsteem loob illusiooni praktiliselt lõputust arvust CPU-dest, isegi kui teil on vaid üks füüsiline CPU?

Operatsioonisüsteem loob selle illusiooni CPU virtualiseerimise kaudu. Käivitades ühe protsessi, seejärel seda peatades, käivitades teise protsessi ja nii edasi, suudab operatsioonisüsteem hoida illusiooni, et eksisteerib palju virtuaalseid CPU-sid, kuigi tegelikult on see üks või mitu füüsilist protsessorit. Seda tehnikat nimetatakse CPU ressursside ajaks jaotamiseks. See tehnika võimaldab kasutajatel käivitada nii palju samaaegseid protsesse, kui nad soovivad. Selle lahenduse hind on jõudlus – kuna kui CPU-d jagavad mitu protsessi, töötleb iga protsess aeglasemalt.
CPU virtualiseerimise elluviimiseks, eriti selle hästi tegemiseks, vajab operatsioonisüsteem nii madala taseme kui ka kõrge taseme toetust. Madala taseme toetus on tuntud kui mehhanismid — need madalamal tasemed ja protokollid, mis implementivad vajaliku funktsionaalsuse. Näiteks selline funktsionaalsus on konteksti vahetamine, mis võimaldab opsüsteemil peatada ühe programmi ja käivitada protsessoril teise programmi. Selline ajajaotus on rakendatud kõigis kaasaegsetes opsüsteemides.
Nende mehhanismide kohal asub opsüsteemis sisseehitatud mingi loogika, mis on esitatud "poliitikatena". Poliitika — see on teatud algoritm, mis määrab, kuidas opsüsteem otsuseid langetab. Sellised poliitikad otsustavad näiteks, millist programmi tuleks käivitada (käskude loendist) esmajärjekorras. Näiteks lahendab selle ülesande poliitika, mida nimetatakse planeerijaks (scheduling policy) ja otsuse tegemisel juhindub sellistest andmetest nagu: käivitamise ajalugu (milline programm on olnud pikim aega käivitunud), millist koormust teostatakse antud protsessi poolt (milliseid programme on käivitatud), jõudluse mõõdikud (kas süsteem on optimeeritud interaktiivseks suhtlemiseks või läbilaskevõimeks) ja nii edasi.

Abstraktsioon: protsess

Töötava programmi abstraktsioon, mille teostab operatsioonisüsteem, on see, mida me nimetame protsess.. Nagu eelnevalt öeldud, on protsess lihtsalt töötav programm, igas ajavahemikus. Programm, millega saame kokkuvõtlikku teavet erinevatest süsteemiressurssidest, ja millele see programm pöördub või mis selles protsessis osalevad.
Et mõista protsessi komponente, tuleb mõista süsteemi olekuid: mida programm saab lugeda või muuta oma töö käigus. Igal hetkel tuleb mõista, millised süsteemi elemendid on programmiks täitmiseks olulised.
Üks ilmselge süsteemi olekuelement, mida protsess sisaldab, on mälumaht. Juhised asuvad mälus. Andmed, mida programm loeb või kirjutab, asuvad samuti mälus. Seega on mälu, mida protsess saab aadressida (nn aadressiruum), osa protsessist.
Samuti on süsteemi oleku osaks registrid. Palju juhiseid on suunatud registrite väärtuse muutmisele või nende väärtuse lugemisele, mistõttu registrid on samuti töötlusprotsessi oluline osa.
Tuleb märkida, et masina olek koosneb ka mõningatest eriregistritest. Näiteks, IP — instrutsioonide näitaja — viitab instruksioonile, mida programm hetkel täidab. Lisaks on olemas stack pointer ja sellega seotud frame pointer, mida kasutatakse funktsioonide parameetrite, lokaalsete muutujate ja tagastusadresside haldamiseks.
Lõpuks pöördub programm sageli püsiva mälu poole (ROM). Selline teave ”I/O” (sisendi-väljundi) kohta peab sisaldama nimekirja failidest, mis on protsessi poolt hetkel avatud.

Protsessi API

Protsessi töö mõistmise parandamiseks vaatleme süsteemikõnesid, mis peaksid olema kaasatud igasse operatsioonisüsteemi liidesesse. Need API-d on mingil kujul kergesti kättesaadavad igas operatsioonisüsteemis.

● Loo (loomine): Operatsioonisüsteemis peab olema mingi meetod, mis võimaldab luua uusi protsesse. Kui sisestate käsu terminalis või käivitate rakenduse ikoonile kahekordse klõpsuga, saadetakse päring operatsioonisüsteemile uue protsessi loomiseks ja määratud programmi käivitamiseks.
● Kustuta: Kuna on olemas liides protsessi loomiseks, peab operatsioonisüsteem samuti pakkuma võimalust protsessi sund_kustutamiseks. Enamik programme käivitatakse ja lõpetatakse loomulikult nende toimimise käigus. Vastupidisel juhul soovib kasutaja neid tappa, seega protsessi peatamise liides ei ole üleliigne.
● Oota (ootamine): Mõnikord on kasulik oodata protsessi lõpetamist, seetõttu pakutakse teatud liideseid, mis võimaldavad oote_kestuse.
● Muu juhtimine (erinev juhtimine): Peale protsessi tapmise ja ootamise on olemas ka muid mitmekesiseid juhtimisviise. Näiteks pakuvad enamik operatsioonisüsteeme võimalust protsessi külmutamiseks (käsitlemine mõneks ajaks) ja sellele järgnevaks jätkamiseks (täitmise jätkamine).
● Olek (olek): Erinevad liidesed võimaldavad saada teavet protsessi oleku kohta, nagu töö kestus või kuidas see praegu seisab.

Protsessi loomine: üksikasjad

Üks huvitav asi on see, kuidas programmid täpselt protsessideks muunduvad. Eriti kuidas opsüsteem tõstab ja käivitab programmi. Kuidas protsess täpselt luuakse.
Esiteks peab opsüsteem laadima programmi koodi ja staatilised andmed mällu (protsessi aadressiruumi). Programmid asuvad tavaliselt kettal või tahkisdrivel mingis teatud täidetavas vormingus. Seetõttu nõuab programmi ja staatiliste andmete mällu laadimise protsess opsüsteemilt nende baitide lugemist kettalt ja paigutamist kuhugi mällu.

Varasemates opsüsteemides toimus laadimisprotsess kärsitult (eagerly), mis tähendab, et kood laaditi mällu täielikult enne programmi käivitamist. Kaasaegsed opsüsteemid teevad seda lohakalt (lazily), laadides koodilõike või andmeid alles siis, kui need on programmi töö käigus vajalikud.

Pärast koodi ja staatiliste andmete laadimist opsüsteemi mällu tuleb veel paar asja teha enne protsessi käivitamist. Teatud kogus mälu peab olema eraldatud virnale. Programmid kasutavad virna lokaalsete muutuja, funktsiooni parameetrite ja naasaddresside jaoks.. Opsüsteem eraldab selle mälu ja annab selle protsessile. Virn võib samuti olla eraldatud teatud argumentidega, täpsemalt täidab see funktsiooni main() parameetreid, näiteks massiiviga argc ja argv.

Opsüsteem võib samuti eraldada teatud koguse mälu programmi hunnik (heap) jaoks. Hunnikku kasutatakse programmide poolt selgelt taotletud dünaamiliselt eraldatud andmete jaoks.. Programmid küsivad seda ruumi, kutsudes välja funktsiooni malloc() ja puhastavad selle selgesõnaliselt, kutsudes välja funktsiooni. free(). Heap on vajalik selliste andmestruktuuride jaoks nagu: seotud loendid, hash tabelid, puud ja muud. Alguses eraldatakse väike kogus mälu, kuid aja jooksul võib heap programmikäigus küsida rohkem mälu, kasutades raamatukogu API kutset malloc(). Operatsioonisüsteem on kaasatud suurema mälu eraldamise protsessi, et aidata rahuldada neid kutseid.

Operatsioonisüsteem täidab samuti initsialiseerimise ülesandeid, sealhulgas neid, mis on seotud sisendi ja väljundiga. Näiteks UNIX-süsteemides on iga protsess vaikimisi avatud kolme failikirje descriptoriga, standardse sisendi, väljundi ja vigade jaoks. Need kirjeldajad võimaldavad programmide lugeda sisendit terminalist ning väljundit ekraanile.

Seega laadib operatsioonisüsteem koodi ja staatilisi andmeid mälu, loob ja initsialiseerib kuhja ning teostab teisi sisend-väljundiga seotud töid, valmistades ette keskkonda protsessi täitmiseks. Lõpuks jääb viimane ülesanne: käivitada programm selle sisendpunktist, mida nimetatakse funktsiooniks main(). Funktsioonile main() liikudes edastab operatsioonisüsteem kontrolli taasluu enda protsessile, millega programm hakkab tööle.

Protsessi seisund

Nüüd, kui meil on teatud arusaam, mis on protsess ja kuidas see luuakse, loetleme protsessi seisundid, milles see võib viibida. Kõige lihtsamal kujul võib protsess olla ühes järgmistest seisunditest:
● Running. Käivitamis seisundis täidab protsess protsessoris käsku. See tähendab, et juhised on ootel.
● Valmis. Valmiduse seisundis on protsess valmis käivituma, kuid mingil põhjusel ei käivita operatsioonisüsteem seda antud ajahetkel.
● Blokeeritud. Blokeeritud olekus teeb protsess teatud toiminguid, mis ei luba tal olla täitmiseks valmis, kuni ei toimu mingit sündmust. Üks tavapärane näide on see, kui protsess inicialiseerib IO-operatsiooni, muutub ta blokeerituks ja seega võib mõni teine protsess kasutada protsessorit.

Võime kujutada neid olekuid graafina. Nagu pildilt näeme, võib protsessi olek muutuda RUNNING ja READY vahel vastavalt OPS-i otsusele. Kui protsessi olek muutub READY-st RUNNING-uks, tähendab see, et protsess on kavandatud. Vastupidises suunas — on kavandamisest maha võetud. Hetkel, kui protsess muutub BLOCKED-iks, näiteks IO-operatsiooni inicialiseerimisel, hoiab OPS teda selles olekus kuni mingi sündmuse toimumiseni, näiteks IO lõpetamiseni. Sellel hetkel toimub üleminek olekusse READY ja võimalik, et kohe ka RUNNING-uks, kui OPS seda otsustab.
Vaatame näidet, kuidas kaks protsessi läbivad neid olekuid. Alguseks kujutame ette, et mõlemad protsessid on käivitatud ja igaüks kasutab ainult CPU-d. Sel juhul näevad nende olekud välja järgmiselt.

Järgmises näites küsib esimene protsess mõne tööaja pärast IO-d ja läheb BLOCKED olekusse, pakkudes teisele protsessile võimaluse käivituda (KUV 1.4). OS näeb, et protsess 0 ei kasuta CPU-d ja käivitab protsessi 1. Protsessi 1 käitamise ajal lõppeb IO ja protsessi 0 olek muutub READY-ks. Lõpuks lõpetab protsess 1 oma töö ja pärast seda käivitatakse protsess 0, täidetakse ja lõpetatakse.

Andmestruktuur

OS on ise programm ja nagu iga teine programm, on tal mõned võtme andmestruktuurid, mis jälgivad erinevaid asjakohaseid teabe osi. Iga protsessi oleku jälgimiseks hoiab OS teatud protsesside nimekiri READY seisundis olevate protsesside jaoks ja täiendav teave protsesside jälgimiseks, mis praegu käivad. Samuti peab operatsioonisüsteem jälgima blokeeritud protsesse. I/O lõpetamisel peab operatsioonisüsteem äratama vajaliku protsessi ja viima selle käivitamiseks valmisoleku seisundisse.

Näiteks peab operatsioonisüsteem salvestama protsessori registrite oleku. Protsessi peatamise hetkel salvestatakse registrite olek protsessi aadressiruumi ning protsessi töö jätkamisel taastatakse registrite väärtused, et jätkata selle protsessi täitmist.

Lisaks ready, blocked, running olekutele on olemas veel mõned muud olekud. Mõnikord võib protsess loomise hetkel olla INIT olekus. Lõpuks võib protsess olla paigutatud FINAL olekusse, kui see on juba lõpetatud, kuid teave selle kohta pole veel kustutatud. UNIX-süsteemides nimetatakse seda olekuks zombie-protsess. See the benefits of this state when a parent process needs to know the return code of a child process. Typically, 0 indicates successful completion, while 1 signifies an error; however, programmers can define additional exit codes that signal different issues. When a parent process terminates, it makes a final system call, such as wait(), to wait for the child process to finish and informs the OS that it can clean up any data associated with the completed process.

Loengupunktid:

● Protsess — operatsiooni süsteemi töötava programmi peamine abstraktsioon. Igal hetkel võib protsessi kirjeldada selle oleku kaudu: mälu sisu selle aadressiruumis, protsessori registrite sisu, sealhulgas käskude pointer ja stack pointer, samuti IO teave, nagu avatud failid, mida loetakse või kirjutatakse.
● Protsessi API koosneb kutsetest, mida programmid saavad protsesside suhtes teha. Tavaliselt on need kutse loomine, eemaldamine või muud.
● Protsess on ühes mitmest olekust, sealhulgas running, ready ja blocked. Erinevad sündmused, nagu planeerimine, väljaheitmine või ooteaeg, võivad muuta protsessi olekut ühest teisene.
● Protsesside nimekiri annab teavet kõigi süsteemis olevate protsesside kohta. Iga kirje selles nimekirjas nimetatakse protsessi juhtplokiks, mis on tegelikult struktuur, mis sisaldab kogu vajalikku teavet konkreetse protsessi kohta.

Allikas: habr.com