Вовед во оперативни системи

Еј Хабр! Би сакал да ви предочам серија написи-преводи на една според мене интересна литература - ОСТЕП. Овој материјал прилично длабоко ја разгледува работата на оперативните системи слични на Unix, имено, работата со процеси, различни распоредувачи, меморија и други слични компоненти кои го сочинуваат модерен оперативен систем. Оригиналот на сите материјали можете да го видите овде тука. Имајте предвид дека преводот е направен непрофесионално (сосема слободно), но се надевам дека го задржав општото значење.

Лабораториска работа на оваа тема може да се најде овде:
- оригинал: pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Homework/homework.html
- оригинал: github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code
- моја лична адаптација: github.com/bykvaadm/OS/tree/master/ostep

Можете исто така да го проверите мојот канал на телеграма =)

Операција на програмата

Што се случува кога програмата работи? Активната програма прави една едноставна работа - извршува инструкции. Секоја секунда, милиони, па дури и можеби милијарди инструкции процесорот ги презема од RAM меморијата, за возврат ги декодира (на пример, препознава на кој тип припаѓаат овие инструкции) и ги извршува. Ова може да биде додавање два броја, пристап до меморија, проверка на состојба, прескокнување на функција и така натаму. По извршувањето на една инструкција, процесорот продолжува кон извршување на друга. И така, инструкции по инструкции, тие се извршуваат додека не заврши програмата.
Овој пример природно се смета за поедноставен - всушност, за да се забрза процесорот, современиот хардвер ви овозможува да извршувате инструкции надвор од редот, да пресметувате можни резултати, да извршувате инструкции истовремено и слични трикови.

Фон Нојман модел на пресметување

Поедноставената форма на работа опишана од нас е слична на моделот на пресметување Фон Нојман. Фон Нојман е еден од пионерите на компјутерските системи, тој е и еден од авторите на теоријата на игри. Додека програмата работи, се случуваат еден куп други настани, работат многу други процеси и логика од трета страна, чија главна цел е да се поедностави стартувањето, работењето и одржувањето на системот.
Постои збир на софтвер кој е одговорен за олеснување на извршувањето на програмите (или дури и дозволување на повеќе програми да работат во исто време), кој им овозможува на програмите да споделуваат иста меморија и да комуницираат со различни уреди. Таквиот сет на софтвер (софтвер) во суштина се нарекува оперативен систем и неговите задачи вклучуваат следење дека системот работи правилно и ефикасно, како и обезбедување леснотија на управување со овој систем.

Оперативен систем

Оперативен систем, скратено како ОС, е збир на меѓусебно поврзани програми дизајнирани да управуваат со компјутерските ресурси и да организираат интеракција на корисникот со компјутер..
ОС ја постигнува својата ефикасност на прво место, преку најважната техника - техниката виртуелизација. ОС има интеракција со физички ресурс (процесор, меморија, диск, итн.) и го трансформира во поопшта, помоќна и полесна за употреба форма сам по себе. Затоа, за општо разбирање, можете многу грубо да го споредите оперативниот систем со виртуелна машина.
Со цел да им се овозможи на корисниците да даваат команди на оперативниот систем и на тој начин да ги користат можностите на виртуелната машина (како што се водење програма, доделување меморија, пристап до датотека и слично), оперативниот систем обезбедува некаков интерфејс т.н. API (интерфејс за програмирање на апликации) и на кој можете да остварувате повици (повик). Типичен оперативен систем овозможува да се направат стотици системски повици.
Конечно, со оглед на тоа што виртуелизацијата дозволува повеќе програми да работат (со тоа го споделуваат процесорот), и истовремено да пристапуваат до нивните инструкции и податоци (на тој начин споделување меморија) и пристап до дискови (со што споделуваат I/O уреди). , оперативниот систем се нарекува и менаџер на ресурси. Секој процесор, диск и меморија е ресурс на системот, и на тој начин една од улогите на оперативниот систем станува задача да управува со овие ресурси, правејќи го тоа ефикасно, искрено или обратно, во зависност од задачата за која овој оперативен систем е дизајниран.

Виртуелизација на процесорот

Размислете за следнава програма:
(https://www.youtube.com/watch?v=zDwT5fUcki4&feature=youtu.be)

Не врши никакви посебни дејства, всушност, сè што прави е повикување на функција предат(), чија задача е да кружи низ проверката на времето и да се врати откако ќе помине една секунда. Така, таа неодредено ја повторува низата што корисникот ја положил како аргумент.
Ајде да ја извршиме оваа програма и да и го пренесеме знакот „А“ како аргумент. Резултатот не е особено интересен - системот едноставно извршува програма која периодично го прикажува знакот "A".
Сега да ја испробаме опцијата кога се извршуваат многу примероци од истата програма, но испуштаат различни букви за да биде појасно. Во овој случај, резултатот ќе биде малку поинаков. И покрај фактот дека имаме еден процесор, програмата се извршува истовремено. Како се случува тоа? Но, излегува дека оперативниот систем, не без помош на хардверските способности, создава илузија. Илузијата дека системот има повеќе виртуелни процесори, претворајќи еден физички процесор во теоретски бесконечен број и со тоа дозволувајќи им на навидум програмите да работат истовремено. Оваа илузија се нарекува Виртуелизација на процесорот.
Оваа слика покренува многу прашања, на пример, ако неколку програми сакаат да работат во исто време, која ќе биде лансирана? „Политиките“ на ОС се одговорни за ова прашање. Политиките се користат на многу места во ОС и одговараат на прашања како ова, и се основните механизми што ги имплементира ОС. Оттука и улогата на ОС како менаџер на ресурси.

Виртуелизација на меморијата

Сега да ја погледнеме меморијата. Физичкиот модел на меморија во современите системи е претставен како низа од бајти.. За да читате од меморијата, треба да наведете адреса на ќелијатаза да пристапите до неа. За да напишете или ажурирате податоци, мора да ги наведете и податоците и адресата на ќелијата каде да ги запишете.
Постојано се пристапува до меморијата за време на извршувањето на програмата. Програмата ја складира целата нејзина структура на податоци во меморијата и пристапува до неа со извршување на различни инструкции. Во меѓувреме, инструкциите се исто така зачувани во меморијата, така што се пристапува и за секое барање за следната инструкција.

malloc() повик

Размислете за следнава програма, која доделува регион на меморија користејќи го повикот молок () (https://youtu.be/jnlKRnoT1m0):

Програмата прави неколку работи. Прво, доделува малку меморија (линија 7), потоа ја печати адресата на доделената ќелија (линија 9), запишува нула на првиот слот од доделената меморија. Следно, програмата влегува во циклус во кој ја зголемува вредноста зачувана во меморијата на адресата во променливата „p“. Исто така, самиот го печати ID на процесот. Идентификаторот на процесот е единствен за секој кој работи процес. Откако лансиравме неколку копии, ќе налетаме на интересен резултат: Во првиот случај, ако не направите ништо и само извршите неколку копии, тогаш адресите ќе бидат различни. Но, ова не спаѓа во нашата теорија! Точно, бидејќи модерните дистрибуции имаат стандардно овозможена рандомизација на меморијата. Ако е оневозможено, го добиваме очекуваниот резултат - мемориските адреси на две програми што се извршуваат истовремено ќе се совпаѓаат.

Како резултат на тоа, излегува дека две независни програми работат со свои приватни адресни простори, кои пак се мапирани од оперативниот систем во физичка меморија. Затоа, употребата на мемориски адреси во рамките на една програма нема да влијае на другите на кој било начин, и се чини дека секоја програма има свое парче физичка меморија, целосно дадена на неа. Реалноста, сепак, е дека физичката меморија е заеднички ресурс управуван од оперативниот систем.

Конзистентност

Друга од важните теми во рамките на оперативните системи е − конзистентност. Овој термин се користи кога се зборува за проблеми во системот кои можат да се појават при работа со многу работи истовремено во рамките на истата програма. Проблемите со конзистентноста се појавуваат дури и во самиот оперативен систем. Во претходните примери за виртуелизација на меморијата и процесорот, сфативме дека ОС управува со многу работи во исто време - го започнува првиот процес, потоа вториот итн. Како што се испостави, ова однесување може да доведе до некои проблеми. Така, на пример, современите програми со повеќе нишки доживуваат такви тешкотии.

Размислете за следнава програма:

Програмата во главната функција создава две нишки користејќи го повикот pthread_create(). Во овој пример, нишката може да се замисли како функција која работи во истиот мемориски простор заедно со други функции, при што јасно е дека повеќе од една функција работат во исто време. Во овој пример, секоја нишка започнува и ја извршува функцијата worker() кој пак едноставно ја зголемува променливата,.

Ајде да ја извршиме оваа програма со аргумент од 1000. Како што може да претпоставите, резултатот треба да биде 2000 бидејќи секоја нишка ја зголемува променливата 1000 пати. Сепак, сè не е толку едноставно. Ајде да се обидеме да ја извршиме програмата со редослед на големина повеќе повторувања.

Со внесување на број, на пример, 100000, очекуваме да го видиме излезот како бројот 200000. Меѓутоа, ако го извршиме бројот 100000 неколку пати, не само што нема да го видиме точниот одговор, туку и ќе добиеме различни неточни одговори. Одговорот лежи во фактот дека за да се зголеми бројот, потребни се три операции - извлекување на бројот од меморијата, зголемување, а потоа запишување на бројот назад. Бидејќи сите овие инструкции не се извршуваат атомски (сите во исто време), чудни работи како ова може да се случат. Овој проблем се нарекува во програмирањето состојба на трката. Кога непознатите сили во непознат момент можат да влијаат на извршувањето на која било ваша операција.

Извор: www.habr.com