ऑपरेटिंग सिस्टमची ओळख

अहो हाब्र! मी तुमच्या लक्षात आणून देऊ इच्छितो लेखांची मालिका-माझ्या मते एका मनोरंजक साहित्याचे भाषांतर - OSTEP. ही सामग्री युनिक्स सारख्या ऑपरेटिंग सिस्टीमच्या कार्याची सखोल चर्चा करते, म्हणजे, प्रक्रियांसह कार्य, विविध शेड्यूलर, मेमरी आणि आधुनिक OS बनविणारे इतर समान घटक. आपण येथे सर्व सामग्रीचे मूळ पाहू शकता येथे. कृपया लक्षात ठेवा की भाषांतर अव्यावसायिकपणे केले गेले आहे (अगदी मुक्तपणे), परंतु मला आशा आहे की मी सामान्य अर्थ राखला आहे.

या विषयावरील प्रयोगशाळेतील कार्य येथे आढळू शकते:

• मूळ: pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Homework/homework.html
• मूळ: github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code
• माझे वैयक्तिक रुपांतर: github.com/bykvaadm/OS/tree/master/ostep

इतर भाग:

• भाग 1: परिचय

तुम्ही माझे चॅनल येथे देखील पाहू शकता तार =)

चला OS वापरकर्त्यांना प्रदान केलेले सर्वात मूलभूत अ‍ॅब्स्ट्रॅक्शन पाहू: प्रक्रिया. प्रक्रियेची व्याख्या अगदी सोपी आहे - ती आहे चालू कार्यक्रम. प्रोग्राम स्वतः डिस्कवर स्थित एक निर्जीव गोष्ट आहे - हा सूचनांचा एक संच आहे आणि शक्यतो काही स्थिर डेटा लॉन्च होण्याची वाट पाहत आहे. हे OS आहे जे ते बाइट्स घेते आणि त्यांना चालवते, प्रोग्रामचे काहीतरी उपयुक्त मध्ये रूपांतर करते.
बर्‍याचदा, वापरकर्त्यांना एकाच वेळी एकापेक्षा जास्त प्रोग्राम चालवायचे असतात, उदाहरणार्थ, तुम्ही तुमच्या लॅपटॉपवर ब्राउझर, गेम, मीडिया प्लेयर, टेक्स्ट एडिटर आणि सारखे चालवू शकता. खरं तर, एक सामान्य प्रणाली एकाच वेळी दहापट किंवा शेकडो प्रक्रिया चालवू शकते. ही वस्तुस्थिती प्रणाली वापरण्यास सुलभ करते, तुम्हाला CPU विनामूल्य आहे की नाही याबद्दल काळजी करण्याची गरज नाही, तुम्ही फक्त प्रोग्राम चालवता.

यामुळे समस्या निर्माण होते: अनेक CPU चा भ्रम कसा प्रदान करायचा? तुमच्याकडे फक्त एक भौतिक CPU असला तरीही OS जवळजवळ अमर्याद CPU चा भ्रम कसा निर्माण करू शकतो?

सीपीयू वर्च्युअलायझेशनद्वारे ओएस हा भ्रम निर्माण करतो. एक प्रक्रिया सुरू करून, नंतर ती थांबवून, दुसरी प्रक्रिया सुरू करून, आणि अशाच प्रकारे, OS हा भ्रम कायम ठेवू शकते की अनेक आभासी CPUs आहेत, जेव्हा प्रत्यक्षात एक किंवा अधिक भौतिक प्रोसेसर असतील. या तंत्राला म्हणतात CPU संसाधनांची वेळेनुसार विभागणी. हे तंत्र वापरकर्त्यांना त्यांच्या इच्छेनुसार अनेक समवर्ती प्रक्रिया चालविण्यास अनुमती देते. या सोल्यूशनची किंमत कामगिरी आहे - कारण CPU अनेक प्रक्रियांद्वारे सामायिक केले असल्यास, प्रत्येक प्रक्रियेवर अधिक हळूहळू प्रक्रिया केली जाईल.
CPU व्हर्च्युअलायझेशन लागू करण्यासाठी, आणि विशेषतः ते चांगले करण्यासाठी, OS ला निम्न-स्तरीय आणि उच्च-स्तरीय समर्थन आवश्यक आहे. निम्न स्तर समर्थन म्हणतात यंत्रणा कमी-स्तरीय पद्धती किंवा प्रोटोकॉल आहेत जे कार्यक्षमतेचा आवश्यक भाग लागू करतात. अशा कार्यक्षमतेचे उदाहरण म्हणजे संदर्भ स्विचिंग, जे OS ला एक प्रोग्राम थांबविण्याची आणि प्रोसेसरवर दुसरा प्रोग्राम चालविण्याची क्षमता देते. हा वेळ विभाग सर्व आधुनिक ऑपरेटिंग सिस्टममध्ये लागू केला जातो.
या यंत्रणेच्या शीर्षस्थानी काही तर्कशास्त्र OS मध्ये “पॉलिसी” च्या स्वरूपात तयार केलेले आहे. धोरण ऑपरेटिंग सिस्टमसाठी एक विशिष्ट निर्णय घेणारा अल्गोरिदम आहे. अशी धोरणे, उदाहरणार्थ, कोणता प्रोग्राम लॉन्च करायचा हे प्रथम (आदेशांच्या सूचीमधून) ठरवतात. म्हणून, उदाहरणार्थ, ही समस्या एका धोरणाद्वारे सोडविली जाईल शेड्युलर (शेड्युलिंग धोरण) आणि उपाय निवडताना, ते अशा डेटाद्वारे मार्गदर्शन केले जाईल जसे: स्टार्टअप इतिहास (कोणता प्रोग्राम शेवटच्या मिनिटांत सर्वात लांब लॉन्च झाला), या प्रक्रियेत काय भार आहे (कोणत्या प्रकारचे प्रोग्राम लॉन्च केले गेले), कार्यप्रदर्शन मेट्रिक्स (सिस्टम आहे की नाही) परस्पर संवादासाठी किंवा थ्रूपुटसाठी ऑप्टिमाइझ केलेले आहे ) आणि असेच.

अमूर्त: प्रक्रिया

ऑपरेटिंग सिस्टीमद्वारे कार्यान्वित केलेल्या रनिंग प्रोग्रामचे अ‍ॅब्स्ट्रॅक्शन ज्याला आपण म्हणतो प्रक्रिया. आधी सांगितल्याप्रमाणे, प्रक्रिया म्हणजे कोणत्याही तात्कालिक कालावधीत, फक्त एक चालणारा प्रोग्राम आहे. एक प्रोग्राम ज्याद्वारे आम्ही विविध सिस्टम संसाधनांमधून सारांश माहिती मिळवू शकतो ज्यावर हा प्रोग्राम त्याच्या अंमलबजावणीदरम्यान प्रवेश करतो किंवा प्रभावित करतो.
प्रक्रियेचे घटक समजून घेण्यासाठी, आपल्याला सिस्टमची स्थिती समजून घेणे आवश्यक आहे: प्रोग्राम त्याच्या ऑपरेशन दरम्यान काय वाचू शकतो किंवा बदलू शकतो. कोणत्याही वेळी, आपल्याला प्रोग्रामच्या अंमलबजावणीसाठी सिस्टमचे कोणते घटक महत्त्वाचे आहेत हे समजून घेणे आवश्यक आहे.
प्रक्रियेमध्ये समाविष्ट असलेल्या प्रणालीच्या स्पष्ट घटकांपैकी एक आहे स्मृती. सूचना मेमरी मध्ये स्थित आहेत. प्रोग्राम वाचतो किंवा लिहितो तो डेटा देखील मेमरीमध्ये स्थित असतो. अशा प्रकारे, प्रक्रिया ज्या मेमरीला संबोधित करू शकते (ज्याला अॅड्रेस स्पेस म्हणतात) ती प्रक्रियेचा भाग आहे.
तसेच सिस्टीम स्टेटचा भाग रजिस्टर आहेत. अनेक सूचनांचे उद्दिष्ट रजिस्टर्सचे मूल्य बदलणे किंवा त्यांचे मूल्य वाचणे हे आहे आणि अशा प्रकारे नोंदणी प्रक्रियेच्या ऑपरेशनचा एक महत्त्वाचा भाग बनतात.
हे लक्षात घ्यावे की मशीनची स्थिती काही विशेष रजिस्टर्समधून देखील तयार केली जाते. उदाहरणार्थ, आयपी - सूचना सूचक - प्रोग्राम सध्या कार्यान्वित करत असलेल्या सूचनांसाठी एक सूचक. तसेच आहे स्टॅक पॉईंटर आणि त्याच्याशी संबंधित फ्रेम पॉइंटर, जे व्यवस्थापित करण्यासाठी वापरले जातात: फंक्शन पॅरामीटर्स, स्थानिक व्हेरिएबल्स आणि रिटर्न अॅड्रेस.
शेवटी, प्रोग्राम बर्‍याचदा रॉममध्ये प्रवेश करतात (केवळ-वाचनीय मेमरी). या “I/O” (इनपुट/आउटपुट) माहितीमध्ये सध्या प्रक्रियेद्वारे उघडलेल्या फाइल्सची सूची समाविष्ट असावी.

प्रक्रिया API

प्रक्रिया कशी कार्य करते याबद्दल आमची समज सुधारण्यासाठी, कोणत्याही ऑपरेटिंग सिस्टम इंटरफेसमध्ये समाविष्ट केलेल्या सिस्टम कॉलच्या उदाहरणांचा अभ्यास करूया. हे API कोणत्याही OS वर एक किंवा दुसर्‍या स्वरूपात उपलब्ध आहेत.

● तयार करा (निर्मिती): OS मध्ये काही पद्धत समाविष्ट करणे आवश्यक आहे जी तुम्हाला नवीन प्रक्रिया तयार करण्यास अनुमती देते. जेव्हा तुम्ही टर्मिनलमध्ये कमांड एंटर करता किंवा आयकॉनवर डबल-क्लिक करून अॅप्लिकेशन लॉन्च करता, तेव्हा नवीन प्रक्रिया तयार करण्यासाठी OS ला कॉल पाठवला जातो आणि नंतर निर्दिष्ट प्रोग्राम लॉन्च केला जातो.
● हटवा: प्रक्रिया तयार करण्यासाठी एक इंटरफेस असल्याने, OS ने प्रक्रिया काढून टाकण्याची सक्ती करण्याची क्षमता देखील प्रदान केली पाहिजे. बहुतेक प्रोग्राम्स नैसर्गिकरित्या सुरू होतील आणि ते चालू होताना स्वतःच संपुष्टात येतील. अन्यथा वापरकर्ता त्यांना मारण्यास सक्षम होऊ इच्छितो आणि अशा प्रकारे प्रक्रिया थांबविण्यासाठी एक इंटरफेस उपयुक्त ठरेल.
● प्रतीक्षा (प्रतीक्षा): कधीकधी प्रक्रिया पूर्ण होण्याची प्रतीक्षा करणे उपयुक्त ठरते, म्हणून काही इंटरफेस प्रदान केले जातात जे प्रतीक्षा करण्याची क्षमता प्रदान करतात.
● विविध नियंत्रण (विविध नियंत्रण): मारणे आणि प्रक्रियेची प्रतीक्षा करण्याव्यतिरिक्त, इतर विविध नियंत्रण पद्धती देखील आहेत. उदाहरणार्थ, बहुतेक ऑपरेटिंग सिस्टम प्रक्रिया गोठविण्याची क्षमता प्रदान करतात (विशिष्ट कालावधीसाठी त्याची अंमलबजावणी थांबवतात) आणि नंतर ती पुन्हा सुरू करतात (अंमलबजावणी सुरू ठेवा)
● स्थिती (राज्य): प्रक्रियेच्या स्थितीबद्दल काही माहिती मिळविण्यासाठी विविध इंटरफेस आहेत, जसे की ती किती काळ चालू आहे किंवा ती सध्या कोणत्या स्थितीत आहे.

प्रक्रिया निर्मिती: तपशील

एक मनोरंजक गोष्ट म्हणजे प्रोग्राम्सचे प्रक्रियांमध्ये रूपांतर कसे होते. विशेषतः OS कसे उचलते आणि प्रोग्राम कसे चालवते. प्रक्रिया नेमकी कशी तयार होते.
सर्व प्रथम, OS ने प्रोग्राम कोड आणि स्थिर डेटा मेमरीमध्ये (प्रक्रिया अॅड्रेस स्पेसमध्ये) लोड करणे आवश्यक आहे. प्रोग्राम्स सहसा डिस्क किंवा सॉलिड-स्टेट ड्राइव्हवर काही एक्झिक्युटेबल फॉरमॅटमध्ये असतात. अशाप्रकारे, मेमरीमध्ये प्रोग्राम आणि स्टॅटिक डेटा लोड करण्याच्या प्रक्रियेसाठी OS ला डिस्कमधून ते बाइट्स वाचण्यास आणि मेमरीमध्ये कुठेतरी ठेवण्यास सक्षम असणे आवश्यक आहे.

सुरुवातीच्या ऑपरेटिंग सिस्टीममध्ये, लोडिंग प्रक्रिया उत्सुकतेने केली गेली होती, याचा अर्थ प्रोग्राम लॉन्च होण्यापूर्वी संपूर्ण कोड मेमरीमध्ये लोड केला गेला होता. आधुनिक ऑपरेटिंग सिस्टीम हे आळशीपणे करतात, म्हणजेच जेव्हा प्रोग्रामला त्याच्या अंमलबजावणीदरम्यान आवश्यक असते तेव्हाच कोड किंवा डेटाचे तुकडे लोड करणे.

कोड आणि स्टॅटिक डेटा OS मेमरीमध्ये लोड झाल्यानंतर, प्रक्रिया चालू होण्यापूर्वी आणखी काही गोष्टी करणे आवश्यक आहे. स्टॅकसाठी काही प्रमाणात मेमरी वाटप करणे आवश्यक आहे. प्रोग्राम स्थानिक व्हेरिएबल्स, फंक्शन पॅरामीटर्स आणि रिटर्न अॅड्रेससाठी स्टॅक वापरतात. OS ही मेमरी वाटप करते आणि प्रक्रियेस देते. स्टॅकचे वाटप काही वितर्कांसह देखील केले जाऊ शकते, विशेषतः ते main() फंक्शनचे पॅरामीटर्स भरते, उदाहरणार्थ argc आणि argv च्या अॅरेसह.

ऑपरेटिंग सिस्टीम काही मेमरी प्रोग्रॅम हीपला देखील देऊ शकते. डायनॅमिकरित्या वाटप केलेल्या डेटाची स्पष्टपणे विनंती करण्यासाठी प्रोग्रामद्वारे हीप वापरली जाते. प्रोग्राम फंक्शनला कॉल करून या जागेची विनंती करतात मॅलोक () आणि फंक्शनला कॉल करून ते स्पष्टपणे साफ करते फुकट(). लिंक्ड शीट्स, हॅश टेबल्स, ट्री आणि इतर डेटा स्ट्रक्चर्ससाठी हीप आवश्यक आहे. सुरुवातीला, हीपमध्ये थोड्या प्रमाणात मेमरीचे वाटप केले जाते, परंतु कालांतराने, प्रोग्राम चालू असताना, हीप लायब्ररी API कॉल malloc() द्वारे अधिक मेमरीची विनंती करू शकते. या कॉल्सचे समाधान करण्यासाठी अधिक मेमरी वाटप करण्याच्या प्रक्रियेत ऑपरेटिंग सिस्टम गुंतलेली आहे.

ऑपरेटिंग सिस्टम इनिशिएलायझेशन टास्क देखील करेल, विशेषत: I/O शी संबंधित. उदाहरणार्थ, UNIX सिस्टीमवर, मानक इनपुट, आउटपुट आणि त्रुटीसाठी, प्रत्येक प्रक्रियेमध्ये डीफॉल्टनुसार 3 ओपन फाइल डिस्क्रिप्टर्स असतात. हे हँडल प्रोग्राम्सना टर्मिनलमधील इनपुट वाचण्यास तसेच स्क्रीनवर माहिती प्रदर्शित करण्यास अनुमती देतात.

अशा प्रकारे, कोड आणि स्टॅटिक डेटा मेमरीमध्ये लोड करून, स्टॅक तयार करून प्रारंभ करून आणि I/O कार्ये करण्याशी संबंधित इतर काम करून, OS प्रक्रिया कार्यान्वित करण्यासाठी स्टेज तयार करते. शेवटी, एक शेवटचे कार्य बाकी आहे: प्रोग्रामला त्याच्या एंट्री पॉइंटद्वारे चालवणे, ज्याला main() फंक्शन म्हणतात. main() फंक्शन कार्यान्वित करून, OS नवीन तयार केलेल्या प्रक्रियेत CPU नियंत्रण हस्तांतरित करते, अशा प्रकारे प्रोग्राम कार्यान्वित करणे सुरू होते.

प्रक्रिया स्थिती

आता आपल्याला प्रक्रिया काय आहे आणि ती कशी तयार केली जाते याबद्दल थोडीशी समज आली आहे, ती कोणत्या प्रक्रियेत असू शकते याची यादी करूया. त्याच्या सर्वात सोप्या स्वरूपात, प्रक्रिया यापैकी एका स्थितीत असू शकते:
● कार्यरत. चालू असताना, प्रक्रिया प्रोसेसरवर चालते. याचा अर्थ निर्देशांची अंमलबजावणी होत आहे.
● तयार. तयार स्थितीत, प्रक्रिया चालण्यासाठी तयार आहे, परंतु काही कारणास्तव OS निर्दिष्ट वेळी ते कार्यान्वित करत नाही.
● अवरोधित. अवरोधित अवस्थेत, प्रक्रिया काही ऑपरेशन्स करते जी काही घटना घडेपर्यंत ती कार्यान्वित होण्यास तयार होण्यापासून प्रतिबंधित करते. एक सामान्य उदाहरण म्हणजे जेव्हा एखादी प्रक्रिया IO ऑपरेशन सुरू करते, तेव्हा ती ब्लॉक केली जाते जेणेकरून इतर काही प्रक्रिया प्रोसेसर वापरू शकतात.

आपण आलेखाच्या रूपात या अवस्थांची कल्पना करू शकता. जसे आपण चित्रात पाहू शकतो, प्रक्रिया स्थिती OS च्या विवेकबुद्धीनुसार RUNNING आणि READY मध्ये बदलू शकते. जेव्हा प्रक्रियेची स्थिती READY वरून RUNNING मध्ये बदलते, तेव्हा याचा अर्थ प्रक्रिया शेड्यूल केली गेली आहे. उलट दिशेने - लेआउटमधून काढले. या क्षणी जेव्हा एखादी प्रक्रिया अवरोधित होते, उदाहरणार्थ, मी IO ऑपरेशन सुरू करतो, काही घटना घडेपर्यंत OS ते या स्थितीत ठेवेल, उदाहरणार्थ IO पूर्ण होईपर्यंत. या क्षणी तयार स्थितीत संक्रमण आणि OS ने असे ठरवल्यास शक्यतो लगेच रनिंग स्थितीत.
या अवस्थांमधून दोन प्रक्रिया कशा पुढे जातात याचे उदाहरण पाहू. सुरुवातीला, कल्पना करूया की दोन्ही प्रक्रिया चालू आहेत आणि प्रत्येक फक्त CPU वापरत आहे. या प्रकरणात, त्यांची राज्ये अशी दिसतील.

खालील उदाहरणामध्ये, पहिली प्रक्रिया, काही वेळ चालल्यानंतर, IO ला विनंती करते आणि ब्लॉक केलेल्या स्थितीत प्रवेश करते, ज्यामुळे दुसरी प्रक्रिया चालू होते (FIG 1.4). OS ला दिसते की प्रक्रिया 0 CPU वापरत नाही आणि प्रक्रिया 1 सुरू करते. प्रक्रिया 1 चालू असताना, IO पूर्ण होते आणि प्रक्रिया 0 ची स्थिती READY वर बदलते. शेवटी, प्रक्रिया 1 पूर्ण झाली, आणि पूर्ण झाल्यावर, प्रक्रिया 0 सुरू होते, कार्यान्वित होते आणि त्याचे कार्य पूर्ण करते.

डेटा संरचना

OS हा स्वतः एक प्रोग्राम आहे आणि इतर कोणत्याही प्रोग्रामप्रमाणेच त्यात काही महत्त्वाच्या डेटा स्ट्रक्चर्स आहेत ज्या माहितीच्या विविध संबंधित भागांचा मागोवा ठेवतात. प्रत्येक प्रक्रियेच्या स्थितीचा मागोवा घेण्यासाठी, OS काहींना समर्थन देईल प्रक्रिया यादी तयार स्थितीतील सर्व प्रक्रियांसाठी आणि सध्या चालू असलेल्या प्रक्रियांचा मागोवा घेण्यासाठी काही अतिरिक्त माहिती. तसेच, OS ने अवरोधित प्रक्रियांचे निरीक्षण केले पाहिजे. IO पूर्ण झाल्यानंतर, OS ने आवश्यक प्रक्रिया जागृत केली पाहिजे आणि ती चालण्यासाठी तयार स्थितीत ठेवली पाहिजे.

उदाहरणार्थ, OS ने प्रोसेसर रजिस्टर्सची स्थिती जतन केली पाहिजे. प्रक्रिया थांबवण्याच्या क्षणी, नोंदणीची स्थिती प्रक्रियेच्या पत्त्याच्या जागेत संग्रहित केली जाते आणि ज्या क्षणी त्याचे कार्य चालू राहते, त्या क्षणी, नोंदणीची मूल्ये पुनर्संचयित केली जातात आणि अशा प्रकारे या प्रक्रियेची अंमलबजावणी सुरू ठेवली जाते.

तयार, अवरोधित, चालू राज्यांव्यतिरिक्त, इतर काही राज्ये आहेत. कधीकधी, निर्मितीच्या वेळी, एक प्रक्रिया INIT स्थितीत असू शकते. शेवटी, प्रक्रिया पूर्ण झाल्यावर अंतिम स्थितीत ठेवली जाऊ शकते, परंतु तिची माहिती अद्याप साफ झालेली नाही. UNIX प्रणालींवर या स्थितीला म्हणतात झोम्बी प्रक्रिया. ही स्थिती अशा प्रकरणांसाठी उपयुक्त आहे जिथे पालक प्रक्रियेला मुलाचा रिटर्न कोड जाणून घ्यायचा आहे, उदाहरणार्थ, सामान्यतः 0 यशाचे आणि 1 त्रुटीचे संकेत देते, परंतु प्रोग्रामर वेगवेगळ्या समस्यांचे संकेत देण्यासाठी अतिरिक्त आउटपुट कोड जारी करू शकतात. जेव्हा पालक प्रक्रिया संपुष्टात येते, तेव्हा ती चाइल्ड प्रोसेस संपुष्टात येण्याची वाट पाहण्यासाठी wait() सारखा अंतिम सिस्टीम कॉल करते आणि OS ला सिग्नल देते की ती संपुष्टात आलेल्या प्रक्रियेशी संबंधित कोणताही डेटा साफ करू शकते.

व्याख्यानाचे महत्त्वाचे मुद्दे:

● प्रक्रिया — OS मध्ये चालू असलेल्या प्रोग्रामचे मुख्य अमूर्तता. कोणत्याही वेळी, प्रक्रियेचे वर्णन त्याच्या स्थितीनुसार केले जाऊ शकते: तिच्या पत्त्याच्या जागेतील मेमरीची सामग्री, प्रोसेसर नोंदणीची सामग्री, निर्देश पॉइंटर आणि स्टॅक पॉइंटरसह, आणि IO माहिती, जसे की उघडलेल्या फायली वाचल्या किंवा लिहिल्या जातात.
● प्रक्रिया API प्रोग्राम प्रक्रिया करण्यासाठी करू शकणारे कॉल्स असतात. सामान्यत: हे तयार करणे, हटवणे किंवा इतर कॉल असतात.
● प्रक्रिया चालू, तयार, अवरोधित यासह अनेक राज्यांपैकी एक आहे. शेड्युलिंग, शेड्युलिंगमधील अपवाद किंवा प्रतीक्षा यासारख्या विविध घटना एका प्रक्रियेची स्थिती एकापासून दुसऱ्यामध्ये बदलू शकतात.
● प्रक्रिया यादी प्रणालीमधील सर्व प्रक्रियांची माहिती समाविष्ट आहे. त्यातील प्रत्येक एंट्रीला प्रोसेस कंट्रोल ब्लॉक म्हणतात, जी प्रत्यक्षात एक रचना आहे ज्यामध्ये विशिष्ट प्रक्रियेबद्दल सर्व आवश्यक माहिती असते. 

स्त्रोत: www.habr.com