ऑपरेटिंग सिस्टम का परिचय

हे हबर! मैं आपकी राय में एक दिलचस्प साहित्य - OSTEP के लेखों-अनुवादों की एक श्रृंखला पर आपका ध्यान आकर्षित करना चाहता हूं। यह सामग्री यूनिक्स जैसे ऑपरेटिंग सिस्टम के काम पर काफी गहराई से चर्चा करती है, अर्थात् प्रक्रियाओं, विभिन्न अनुसूचकों, मेमोरी और अन्य समान घटकों के साथ काम करती है जो एक आधुनिक ओएस बनाते हैं। आप यहां सभी सामग्रियों का मूल देख सकते हैं यहां. कृपया ध्यान दें कि अनुवाद अव्यवसायिक रूप से (काफी स्वतंत्र रूप से) किया गया था, लेकिन मुझे आशा है कि मैंने सामान्य अर्थ बनाए रखा है।

इस विषय पर लैब का काम यहां पाया जा सकता है:

• मूल: पेज.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Homework/homework.html
• मूल: github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code
• मेरा व्यक्तिगत अनुकूलन: github.com/bykvaadm/OS/tree/master/ostep

आप मेरा चैनल पर भी देख सकते हैं तार =)

कार्यक्रम संचालन

क्या होता है जब कोई प्रोग्राम चल रहा होता है? एक रनिंग प्रोग्राम एक साधारण काम करता है - यह निर्देशों को क्रियान्वित करता है। प्रत्येक सेकंड, लाखों और संभवतः अरबों निर्देशों को रैम से प्रोसेसर द्वारा पुनर्प्राप्त किया जाता है, बदले में यह उन्हें डिकोड करता है (उदाहरण के लिए, यह पहचानता है कि ये निर्देश किस प्रकार के हैं) और उन्हें निष्पादित करता है। यह दो संख्याओं को जोड़ना, स्मृति तक पहुँचना, किसी स्थिति की जाँच करना, किसी फ़ंक्शन पर कूदना, इत्यादि हो सकता है। एक निर्देश के निष्पादन के बाद, प्रोसेसर दूसरे के निष्पादन के लिए आगे बढ़ता है। और इसलिए निर्देश के बाद निर्देश, उन्हें कार्यक्रम समाप्त होने तक निष्पादित किया जाता है।

इस उदाहरण को स्वाभाविक रूप से सरलीकृत माना जाता है - वास्तव में, प्रोसेसर को गति देने के लिए, आधुनिक हार्डवेयर आपको निर्देशों को बारी-बारी से निष्पादित करने, संभावित परिणामों की गणना करने, निर्देशों को एक साथ निष्पादित करने और इसी तरह की तरकीबों की अनुमति देता है।

अभिकलन का वॉन न्यूमैन मॉडल

हमारे द्वारा वर्णित कार्य का सरलीकृत रूप अभिकलन के वॉन न्यूमैन मॉडल के समान है। वॉन न्यूमैन कंप्यूटर सिस्टम के अग्रदूतों में से एक हैं, वे गेम थ्योरी के लेखकों में से एक हैं. जबकि कार्यक्रम चल रहा है, अन्य घटनाओं का एक गुच्छा होता है, कई अन्य प्रक्रियाएं और तीसरे पक्ष के तर्क काम करते हैं, जिसका मुख्य उद्देश्य सिस्टम के लॉन्च, संचालन और रखरखाव को आसान बनाना है।

सॉफ़्टवेयर का एक सेट है जो प्रोग्राम को चलाने में आसान बनाने के लिए ज़िम्मेदार है (या यहां तक ​​कि एक ही समय में कई प्रोग्राम चलाने की इजाजत देता है), जो प्रोग्राम को एक ही मेमोरी साझा करने और विभिन्न उपकरणों के साथ संवाद करने की अनुमति देता है। सॉफ्टवेयर (सॉफ्टवेयर) के इस तरह के एक सेट को अनिवार्य रूप से ऑपरेटिंग सिस्टम कहा जाता है और इसके कार्यों में निगरानी शामिल है कि सिस्टम सही ढंग से और कुशलता से काम करता है, साथ ही यह सुनिश्चित करता है कि सिस्टम को प्रबंधित करना आसान है।

ऑपरेटिंग सिस्टम

एक ऑपरेटिंग सिस्टम, जिसे संक्षिप्त रूप में OS कहा जाता है, कंप्यूटर संसाधनों को प्रबंधित करने और कंप्यूटर के साथ उपयोगकर्ता सहभागिता को व्यवस्थित करने के लिए डिज़ाइन किए गए परस्पर संबंधित प्रोग्राम का एक सेट है।.

सबसे महत्वपूर्ण तकनीक - तकनीक के माध्यम से OS सबसे पहले अपनी प्रभावशीलता प्राप्त करता है वर्चुअलाइजेशन. OS एक भौतिक संसाधन (प्रोसेसर, मेमोरी, डिस्क, आदि) के साथ इंटरैक्ट करता है और इसे अपने आप में एक अधिक सामान्य, अधिक शक्तिशाली और उपयोग में आसान रूप में बदल देता है। इसलिए, एक सामान्य समझ के लिए, आप मोटे तौर पर ऑपरेटिंग सिस्टम की वर्चुअल मशीन से तुलना कर सकते हैं।

उपयोगकर्ताओं को ऑपरेटिंग सिस्टम को कमांड देने की अनुमति देने के लिए और इस प्रकार वर्चुअल मशीन की क्षमताओं का उपयोग करने के लिए (जैसे प्रोग्राम चलाना, मेमोरी आवंटित करना, फ़ाइल एक्सेस करना, और इसी तरह), ऑपरेटिंग सिस्टम कुछ इंटरफ़ेस प्रदान करता है जिसे कहा जाता है API (एप्लिकेशन प्रोग्रामिंग इंटरफ़ेस) और जिससे आप कॉल (कॉल) कर सकते हैं। एक विशिष्ट ऑपरेटिंग सिस्टम सैकड़ों सिस्टम कॉल करने की अनुमति देता है।

अंत में, चूंकि वर्चुअलाइजेशन कई प्रोग्रामों को चलाने की अनुमति देता है (इस प्रकार सीपीयू को साझा करता है), और साथ ही साथ उनके निर्देशों और डेटा (इस प्रकार मेमोरी साझा करना), और एक्सेस डिस्क (इस प्रकार I/O उपकरणों को साझा करना) तक पहुंचता है, ऑपरेटिंग सिस्टम को a भी कहा जाता है। संसाधन प्रबंधक। प्रत्येक प्रोसेसर, डिस्क और मेमोरी सिस्टम का एक संसाधन है, और इस प्रकार ऑपरेटिंग सिस्टम की भूमिकाओं में से एक इन संसाधनों के प्रबंधन का कार्य बन जाता है, इसे कुशलतापूर्वक, ईमानदारी से, या इसके विपरीत, उस कार्य के आधार पर जिसके लिए यह ऑपरेटिंग सिस्टम बनाया गया है।

सीपीयू वर्चुअलाइजेशन

निम्नलिखित कार्यक्रम पर विचार करें:
(https://www.youtube.com/watch?v=zDwT5fUcki4)

यह कोई विशेष कार्य नहीं करता है, वास्तव में, यह केवल एक कार्य करता है स्पिन(), जिसका कार्य समय की जाँच के माध्यम से साइकिल चलाना और एक सेकंड बीत जाने के बाद वापस आना है। इस प्रकार, यह उपयोगकर्ता द्वारा तर्क के रूप में पारित स्ट्रिंग को अनिश्चित काल तक दोहराता है।

आइए इस प्रोग्राम को चलाते हैं और इसे एक तर्क के रूप में "A" अक्षर पास करते हैं। नतीजा विशेष रूप से दिलचस्प नहीं है - सिस्टम केवल एक प्रोग्राम निष्पादित करता है जो समय-समय पर चरित्र "ए" प्रदर्शित करता है।

अब आइए विकल्प का प्रयास करें जब एक ही प्रोग्राम के कई उदाहरण चल रहे हों, लेकिन इसे स्पष्ट करने के लिए विभिन्न अक्षरों को आउटपुट कर रहे हों। इस मामले में, परिणाम कुछ अलग होगा। इस तथ्य के बावजूद कि हमारे पास एक प्रोसेसर है, प्रोग्राम को एक साथ निष्पादित किया जाता है। यह कैसे होता है? लेकिन यह पता चला है कि ऑपरेटिंग सिस्टम हार्डवेयर क्षमताओं की मदद के बिना एक भ्रम पैदा करता है। यह भ्रम कि सिस्टम में कई वर्चुअल प्रोसेसर हैं, एक भौतिक प्रोसेसर को सैद्धांतिक रूप से अनंत संख्या में बदल देते हैं और इस तरह कार्यक्रमों को एक साथ चलाने की अनुमति देते हैं। इस भ्रम को कहा जाता है सीपीयू वर्चुअलाइजेशन.

यह तस्वीर कई सवाल उठाती है, उदाहरण के लिए, यदि एक ही समय में कई प्रोग्राम चलाना चाहते हैं, तो कौन सा लॉन्च किया जाएगा? इस प्रश्न के लिए OS की "नीतियाँ" जिम्मेदार हैं। OS में कई जगहों पर नीतियों का उपयोग किया जाता है और इस तरह के सवालों के जवाब दिए जाते हैं, और ये बुनियादी तंत्र हैं जिन्हें OS लागू करता है। इसलिए संसाधन प्रबंधक के रूप में OS की भूमिका।

मेमोरी वर्चुअलाइजेशन

अब स्मृति को देखते हैं। आधुनिक प्रणालियों में मेमोरी के भौतिक मॉडल को बाइट्स की एक सरणी के रूप में दर्शाया जाता है।. स्मृति से पढ़ने के लिए, आपको निर्दिष्ट करने की आवश्यकता है सेल का पताइसे एक्सेस करने के लिए। डेटा लिखने या अपडेट करने के लिए, आपको डेटा और सेल का पता भी निर्दिष्ट करना होगा कि इसे कहाँ लिखना है।

प्रोग्राम के निष्पादन के दौरान मेमोरी को लगातार एक्सेस किया जाता है। एक प्रोग्राम अपनी संपूर्ण डेटा संरचना को स्मृति में संग्रहीत करता है और विभिन्न निर्देशों को निष्पादित करके इसे एक्सेस करता है। निर्देश, इस बीच, मेमोरी में भी संग्रहीत होते हैं, इसलिए इसे अगले निर्देश के लिए प्रत्येक अनुरोध के लिए भी एक्सेस किया जाता है।

मॉलोक () कॉल

निम्नलिखित प्रोग्राम पर विचार करें, जो कॉल का उपयोग करके मेमोरी का एक क्षेत्र आवंटित करता है malloc () (https://youtu.be/jnlKRnoT1m0):

कार्यक्रम कई काम करता है। सबसे पहले, यह कुछ मेमोरी (पंक्ति 7) आवंटित करता है, फिर आवंटित सेल (पंक्ति 9) के पते को प्रिंट करता है, आवंटित मेमोरी के पहले स्लॉट में शून्य लिखता है। अगला, प्रोग्राम एक लूप में प्रवेश करता है जिसमें यह "पी" चर में पते पर मेमोरी में संग्रहीत मान को बढ़ाता है। यह खुद की प्रोसेस आईडी भी प्रिंट करता है। प्रक्रिया आईडी प्रत्येक चल रही प्रक्रिया के लिए अद्वितीय है. कई प्रतियाँ लॉन्च करने के बाद, हम एक दिलचस्प परिणाम पर ठोकर खाएँगे: पहले मामले में, यदि आप कुछ नहीं करते हैं और केवल कई प्रतियाँ चलाते हैं, तो पते अलग-अलग होंगे। लेकिन यह हमारे सिद्धांत के अंतर्गत नहीं आता है! सही है, क्योंकि आधुनिक वितरणों में डिफ़ॉल्ट रूप से मेमोरी रेंडमाइजेशन सक्षम है। यदि यह अक्षम है, तो हमें अपेक्षित परिणाम मिलता है - एक साथ चलने वाले दो कार्यक्रमों के मेमोरी पते मेल खाएंगे।

नतीजतन, यह पता चला है कि दो स्वतंत्र कार्यक्रम अपने स्वयं के निजी पता स्थान के साथ काम करते हैं, जो बदले में ऑपरेटिंग सिस्टम द्वारा भौतिक स्मृति में मैप किए जाते हैं।. इसलिए, एक कार्यक्रम के भीतर स्मृति पतों का उपयोग किसी भी तरह से दूसरों को प्रभावित नहीं करेगा, और ऐसा लगता है कि प्रत्येक कार्यक्रम के पास भौतिक स्मृति का अपना टुकड़ा है, पूरी तरह से इसे दिया गया है। हालाँकि, वास्तविकता यह है कि भौतिक मेमोरी एक साझा संसाधन है जिसे ऑपरेटिंग सिस्टम द्वारा प्रबंधित किया जाता है।

संगतता

ऑपरेटिंग सिस्टम के भीतर एक और महत्वपूर्ण विषय है - संगतता. इस शब्द का उपयोग सिस्टम में समस्याओं के बारे में बात करते समय किया जाता है जो एक ही कार्यक्रम में एक ही समय में कई चीजों के साथ काम करते समय हो सकती हैं। ऑपरेटिंग सिस्टम के भीतर भी संगति के मुद्दे उत्पन्न होते हैं। पिछली मेमोरी और प्रोसेसर वर्चुअलाइजेशन उदाहरणों में, हमने महसूस किया कि OS एक ही समय में कई चीजों का प्रबंधन करता है - यह पहली प्रक्रिया शुरू करता है, फिर दूसरी, और इसी तरह। जैसा कि यह निकला, यह व्यवहार कुछ समस्याएं पैदा कर सकता है। इसलिए, उदाहरण के लिए, आधुनिक बहु-थ्रेडेड प्रोग्राम ऐसी कठिनाइयों का अनुभव करते हैं।

निम्नलिखित कार्यक्रम पर विचार करें:

मुख्य फ़ंक्शन में प्रोग्राम कॉल का उपयोग करके दो थ्रेड्स बनाता है pthread_create (). इस उदाहरण में, एक थ्रेड को एक ही मेमोरी स्पेस में अन्य फ़ंक्शंस के साथ चलने वाले फ़ंक्शन के रूप में माना जा सकता है, एक ही समय में स्पष्ट रूप से एक से अधिक फ़ंक्शन चल रहे हैं। इस उदाहरण में, प्रत्येक थ्रेड फ़ंक्शन को प्रारंभ और निष्पादित करता है कार्यकर्ता() जो बदले में चर को बढ़ाता है,.

आइए इस प्रोग्राम को 1000 के आर्ग्युमेंट के साथ चलाते हैं। जैसा कि आपने अनुमान लगाया होगा, परिणाम 2000 होना चाहिए क्योंकि प्रत्येक थ्रेड ने वेरिएबल को 1000 गुना बढ़ा दिया। हालाँकि, सब कुछ इतना सरल नहीं है। आइए अधिक दोहराव के परिमाण के क्रम में कार्यक्रम को चलाने का प्रयास करें।

एक संख्या इनपुट करके, उदाहरण के लिए, 100000, हम आउटपुट को संख्या 200000 के रूप में देखने की उम्मीद करते हैं। हालाँकि, यदि हम संख्या 100000 को कई बार चलाते हैं, तो हमें न केवल सही उत्तर दिखाई देगा, बल्कि अलग-अलग गलत उत्तर भी मिलेंगे। उत्तर इस तथ्य में निहित है कि संख्या बढ़ाने के लिए, तीन संक्रियाओं की आवश्यकता होती है - संख्या को स्मृति से निकालना, बढ़ाना, और फिर संख्या को वापस लिखना। चूंकि इन सभी निर्देशों को परमाणु रूप से (सभी एक ही समय में) निष्पादित नहीं किया जाता है, इस तरह की अजीब चीजें हो सकती हैं। प्रोग्रामिंग में इस समस्या को कहा जाता है दौड़ की स्थिति. जब किसी अज्ञात समय पर अज्ञात बल आपके किसी भी ऑपरेशन के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं।

स्रोत: www.habr.com