운영 체제 소개

헤이 하브르! 제 생각에는 흥미로운 문헌 인 OSTEP에 대한 일련의 기사 번역을 여러분의 관심을 끌고 싶습니다. 이 자료는 유닉스 계열 운영 체제의 작업, 즉 프로세스, 다양한 스케줄러, 메모리 및 최신 OS를 구성하는 기타 유사한 구성 요소 작업에 대해 매우 깊이 논의합니다. 여기에서 모든 자료의 원본을 볼 수 있습니다. 여기에. 비전문적으로(상당히 자유롭게) 번역했지만 일반적인 의미를 유지했으면 합니다.

이 주제에 대한 연구실 작업은 여기에서 찾을 수 있습니다.

• 기발한: 페이지.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Homework/homework.html
• 기발한: github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code
• 내 개인적인 적응: github.com/bykvaadm/OS/tree/master/ostep

에서 내 채널을 확인할 수도 있습니다. 이야기 =)

프로그램 운영

프로그램이 실행 중일 때 어떤 일이 발생합니까? 실행 중인 프로그램은 한 가지 간단한 작업을 수행합니다. 바로 명령을 실행하는 것입니다. 프로세서는 매 초마다 수백만, 심지어 수십억 개의 명령을 RAM에서 검색한 다음 이를 해독하고(예를 들어, 이러한 명령이 속한 유형을 인식) 실행합니다. 이것은 두 개의 숫자를 추가하고, 메모리에 액세스하고, 조건을 확인하고, 함수로 이동하는 등의 작업이 될 수 있습니다. 하나의 명령을 실행한 후 프로세서는 다른 명령을 실행합니다. 따라서 명령 후 명령은 프로그램이 끝날 때까지 실행됩니다.

이 예는 당연히 단순화된 것으로 간주됩니다. 사실 프로세서 속도를 높이기 위해 최신 하드웨어를 사용하면 순서 없이 명령을 실행하고, 가능한 결과를 계산하고, 동시에 명령을 실행하는 등의 트릭을 수행할 수 있습니다.

Von Neumann 계산 모델

우리가 설명하는 단순화된 형태의 작업은 Von Neumann 계산 모델과 유사합니다. 폰 노이만은 컴퓨터 시스템의 선구자 중 한 명이며 게임 이론의 저자이기도 합니다.. 프로그램이 실행되는 동안 많은 다른 이벤트가 발생하고 다른 많은 프로세스와 타사 논리가 작동하며 그 주요 목적은 시스템의 시작, 작동 및 유지 관리를 단순화하는 것입니다.

프로그램을 쉽게 실행할 수 있도록(또는 여러 프로그램이 동시에 실행되도록 허용) 책임지고 프로그램이 동일한 메모리를 공유하고 다른 장치와 통신할 수 있도록 하는 소프트웨어 세트가 있습니다. 이러한 소프트웨어(소프트웨어) 집합을 기본적으로 운영 체제라고 하며 해당 작업에는 시스템이 올바르고 효율적으로 작동하는지 모니터링하고 시스템을 쉽게 관리할 수 있는지 확인하는 작업이 포함됩니다.

운영 체제

OS로 약칭되는 운영 체제는 컴퓨터 리소스를 관리하고 컴퓨터와의 사용자 상호 작용을 구성하도록 설계된 상호 연관된 프로그램 집합입니다..

OS는 가장 중요한 기술인 기술을 통해 처음부터 효율성을 달성합니다. 가상화. OS는 물리적 리소스(프로세서, 메모리, 디스크 등)와 상호 작용하여 이를 보다 일반적이고 강력하며 사용하기 쉬운 형태로 변환합니다. 따라서 일반적인 이해를 위해 운영 체제를 가상 머신과 매우 대략적으로 비교할 수 있습니다.

사용자가 운영 체제에 명령을 내리고 가상 머신의 기능(예: 프로그램 실행, 메모리 할당, 파일 액세스 등)을 사용할 수 있도록 운영 체제는 다음과 같은 인터페이스를 제공합니다. API (응용 프로그래밍 인터페이스) 및 호출(호출)할 수 있는 대상입니다. 일반적인 운영 체제에서는 수백 개의 시스템 호출을 만들 수 있습니다.

마지막으로 가상화를 통해 여러 프로그램을 실행(따라서 CPU 공유)하고 명령과 데이터에 동시에 액세스(따라서 메모리 공유)하고 디스크에 액세스(따라서 I/O 장치 공유)할 수 있기 때문에 운영 체제를 운영 체제라고도 합니다. 자원 관리자. 각 프로세서, 디스크 및 메모리는 시스템의 자원이므로 운영 체제의 역할 중 하나는 이 운영 체제가 수행하는 작업에 따라 이러한 자원을 효율적으로, 정직하게 또는 그 반대로 관리하는 작업이 됩니다. 설계되었습니다.

CPU 가상화

다음 프로그램을 고려하십시오.
(https://www.youtube.com/watch?v=zDwT5fUcki4)

특별한 작업을 수행하지 않으며 실제로 함수를 호출하는 것뿐입니다. 회전(), 그의 작업은 시간 확인을 순환하고 XNUMX초가 지난 후에 반환하는 것입니다. 따라서 사용자가 인수로 전달한 문자열을 무한정 반복합니다.

이 프로그램을 실행하고 문자 "A"를 인수로 전달해 봅시다. 결과는 그다지 흥미롭지 않습니다. 시스템은 단순히 문자 "A"를 주기적으로 표시하는 프로그램을 실행합니다.

이제 동일한 프로그램의 많은 인스턴스가 실행 중이지만 더 명확하게 하기 위해 다른 문자를 출력할 때 옵션을 사용해 봅시다. 이 경우 결과는 다소 다릅니다. 프로세서가 하나라는 사실에도 불구하고 프로그램은 동시에 실행됩니다. 어떻게 됩니까? 그러나 하드웨어 기능의 도움 없이는 운영 체제가 환상을 만드는 것으로 나타났습니다. 시스템에 여러 개의 가상 프로세서가 있어 하나의 물리적 프로세서를 이론적으로 무한한 수로 바꾸고 겉보기에 프로그램이 동시에 실행될 수 있다는 환상입니다. 이 환상은 호출 CPU 가상화.

이 그림은 예를 들어 여러 프로그램을 동시에 실행하려는 경우 어떤 프로그램을 실행할지와 같은 많은 질문을 제기합니다. OS의 "정책"이 ​​이 질문에 대한 책임이 있습니다. 정책은 OS의 여러 곳에서 사용되고 이와 같은 질문에 답하며 OS가 구현하는 기본 메커니즘입니다. 따라서 리소스 관리자로서의 OS의 역할입니다.

메모리 가상화

이제 메모리를 살펴보겠습니다. 최신 시스템의 물리적 메모리 모델은 바이트 배열로 표시됩니다.. 메모리에서 읽으려면 다음을 지정해야 합니다. 셀 주소액세스할 수 있습니다. 데이터를 쓰거나 업데이트하려면 데이터와 데이터를 쓸 셀의 주소도 지정해야 합니다.

메모리는 프로그램 실행 중에 지속적으로 액세스됩니다. 프로그램은 전체 데이터 구조를 메모리에 저장하고 다양한 명령을 실행하여 액세스합니다. 한편 명령어도 메모리에 저장되므로 다음 명령어에 대한 각 요청에 액세스할 수도 있습니다.

malloc() 호출

호출을 사용하여 메모리 영역을 할당하는 다음 프로그램을 고려하십시오. malloc () (https://youtu.be/jnlKRnoT1m0):

이 프로그램은 여러 가지 일을 합니다. 먼저 일부 메모리를 할당한 다음(7행) 할당된 셀의 주소를 인쇄하고(9행) 할당된 메모리의 첫 번째 슬롯에 XNUMX을 씁니다. 다음으로 프로그램은 "p" 변수의 주소에서 메모리에 저장된 값을 증가시키는 루프에 들어갑니다. 또한 자신의 프로세스 ID도 인쇄합니다. 프로세스 ID는 실행 중인 각 프로세스에 대해 고유합니다.. 여러 복사본을 시작하면 흥미로운 결과를 발견하게 됩니다. 첫 번째 경우 아무것도 하지 않고 여러 복사본을 실행하면 주소가 달라집니다. 그러나 이것은 우리 이론에 속하지 않습니다! 최신 배포판에는 기본적으로 메모리 무작위화가 활성화되어 있기 때문에 맞습니다. 비활성화되면 예상되는 결과를 얻습니다. 동시에 실행되는 두 프로그램의 메모리 주소가 일치합니다.

결과적으로 두 개의 독립적인 프로그램이 자체 개인 주소 공간에서 작동하고 운영 체제에 의해 물리적 메모리에 매핑됨이 밝혀졌습니다.. 따라서 한 프로그램 내에서 메모리 주소를 사용하는 것은 다른 프로그램에 영향을 미치지 않으며 각 프로그램에는 자체 물리적 메모리 조각이 있는 것처럼 보입니다. 그러나 실제 메모리는 운영 체제에서 관리하는 공유 리소스입니다.

일관성

운영 체제 내의 또 다른 중요한 주제는 다음과 같습니다. 일관성. 이 용어는 동일한 프로그램 내에서 동시에 많은 작업을 수행할 때 발생할 수 있는 시스템의 문제에 대해 말할 때 사용됩니다. 운영 체제 자체 내에서도 일관성 문제가 발생합니다. 이전 메모리 및 프로세서 가상화 예에서 우리는 OS가 동시에 많은 것을 관리한다는 것을 깨달았습니다. 즉, 첫 번째 프로세스를 시작한 다음 두 번째 프로세스를 시작하는 식입니다. 결과적으로 이 동작은 몇 가지 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 현대의 다중 스레드 프로그램은 이러한 어려움을 겪고 있습니다.

다음 프로그램을 고려하십시오.

main 함수의 프로그램은 다음 호출을 사용하여 두 개의 스레드를 생성합니다. pthread_create(). 이 예제에서 스레드는 분명히 동시에 둘 이상의 함수가 실행되는 다른 함수와 함께 동일한 메모리 공간에서 실행되는 함수로 생각할 수 있습니다. 이 예에서 각 스레드는 함수를 시작하고 실행합니다. worker()는 단순히 변수를 증가시킵니다.,.

1000이라는 인수를 사용하여 이 프로그램을 실행해 보겠습니다. 짐작하셨겠지만 각 스레드가 변수를 2000번 증가시켰기 때문에 결과는 1000이어야 합니다. 그러나 모든 것이 그렇게 간단하지 않습니다. 프로그램을 훨씬 더 많이 반복해서 실행해 봅시다.

예를 들어 100000과 같은 숫자를 입력하면 200000이라는 숫자가 출력될 것으로 예상합니다. 그러나 숫자 100000을 여러 번 실행하면 정답이 표시되지 않을 뿐만 아니라 서로 다른 오답이 표시됩니다. 대답은 숫자를 늘리려면 메모리에서 숫자를 추출하고 증가시킨 다음 숫자를 다시 쓰는 세 가지 작업이 필요하다는 사실에 있습니다. 이러한 모든 명령이 원자적으로(모두 동시에) 실행되지 않기 때문에 이와 같은 이상한 일이 발생할 수 있습니다. 이 문제는 프로그래밍에서 호출됩니다. 경쟁 조건. 알 수 없는 순간에 알 수 없는 힘이 작업 성능에 영향을 줄 수 있는 경우.

출처 : habr.com