अपरेटिङ सिस्टम को परिचय

नमस्ते, Habr! म तपाइँको ध्यान मा लेख को एक श्रृंखला प्रस्तुत गर्न चाहन्छु - एक साहित्य को अनुवाद जुन मेरो विचार मा रोचक छ - OSTEP। यो सामग्रीले युनिक्स-जस्तो अपरेटिङ सिस्टमहरूको कामलाई गहिरो रूपमा जाँच्छ, अर्थात्, प्रक्रियाहरू, विभिन्न शेड्यूलरहरू, मेमोरी र अन्य समान कम्पोनेन्टहरू जसले आधुनिक ओएस बनाउँछ। तपाईं यहाँ सबै सामग्रीको मूल हेर्न सक्नुहुन्छ यहाँ। कृपया ध्यान दिनुहोस् कि अनुवाद अव्यवसायिक रूपमा (धेरै स्वतन्त्र रूपमा) गरिएको थियो, तर मलाई आशा छ कि मैले सामान्य अर्थ राखेको छु।

यस विषयमा प्रयोगशाला काम यहाँ फेला पार्न सकिन्छ:
- मूल: pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Homework/homework.html
- मूल: github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code
- मेरो व्यक्तिगत अनुकूलन: github.com/bykvaadm/OS/tree/master/ostep

तपाईं मेरो च्यानल मा पनि जाँच गर्न सक्नुहुन्छ टेलीग्राम =)

कार्यक्रम सञ्चालन

कार्यक्रम चलिरहेको बेला के हुन्छ? चलिरहेको कार्यक्रमले एउटा साधारण कुरा गर्छ - यसले निर्देशनहरू कार्यान्वयन गर्छ। प्रत्येक सेकेन्ड, लाखौं र सम्भवतः अरबौं निर्देशनहरू RAM बाट प्रोसेसरद्वारा पुनःप्राप्त गरिन्छ, फलस्वरूप यसले तिनीहरूलाई डिकोड गर्दछ (उदाहरणका लागि, यी निर्देशनहरू कुन प्रकारका हुन् भनेर पहिचान गर्दछ) र तिनीहरूलाई कार्यान्वयन गर्दछ। यसले दुई नम्बरहरू थप्न, मेमोरी पहुँच गर्ने, अवस्था परीक्षण गर्ने, प्रकार्यमा जम्प गर्ने, र यस्तै हुन सक्छ। एउटा निर्देशन पूरा गरेपछि, प्रोसेसर अर्को कार्यान्वयन गर्न जान्छ। र त्यसैले निर्देशन पछि निर्देशन, तिनीहरू कार्यक्रम समाप्त नभएसम्म कार्यान्वयन हुन्छन्।
यो उदाहरण स्वाभाविक रूपमा सरलीकृत रूपमा विचार गरिन्छ - वास्तवमा, प्रोसेसरको गति बढाउनको लागि, आधुनिक हार्डवेयरले तपाईंलाई अनुक्रम बाहिर निर्देशनहरू कार्यान्वयन गर्न, सम्भावित परिणामहरू गणना गर्न, निर्देशनहरू एकै साथ कार्यान्वयन गर्न, र यस्तै चालहरू गर्न अनुमति दिन्छ।

Von Neumann गणना मोडेल

हामीले वर्णन गरेको सञ्चालनको सरल रूप कम्प्युटिङको भोन न्यूम्यान मोडेलसँग मिल्दोजुल्दो छ। भोन न्यूम्यान कम्प्युटर प्रणालीका अग्रगामीहरू मध्ये एक हुन्, उनी गेम थ्योरीका लेखकहरू पनि हुन्।। कार्यक्रम चलिरहेको बेला, अन्य घटनाहरूको गुच्छा हुन्छ, धेरै अन्य प्रक्रियाहरू र तेस्रो-पक्ष तर्कहरू चलिरहेका छन्, जसको मुख्य उद्देश्य प्रणालीको सुरुवात, सञ्चालन र मर्मतसम्भारलाई सरल बनाउनु हो।
त्यहाँ सफ्टवेयरको एक सेट छ जुन प्रोग्रामहरू चलाउन सजिलो बनाउन (वा एकै समयमा धेरै प्रोग्रामहरू चलाउन अनुमति दिँदै), प्रोग्रामहरूलाई एउटै मेमोरी साझेदारी गर्न, साथै विभिन्न उपकरणहरूसँग सञ्चार गर्न अनुमति दिन्छ। यस्तो सफ्टवेयर (सफ्टवेयर) को एक सेट अनिवार्य रूपमा एक अपरेटिङ सिस्टम भनिन्छ र यसका कार्यहरूमा प्रणालीले सही र प्रभावकारी रूपमा काम गर्दछ भनेर अनुगमन गर्ने, साथै यस प्रणालीको व्यवस्थापनमा सहजता सुनिश्चित गर्ने समावेश गर्दछ।

अपरेटिङ सिस्टम

अपरेटिङ सिस्टम, OS को रूपमा संक्षिप्त, कम्प्युटर स्रोतहरू व्यवस्थापन गर्न र कम्प्युटरसँग प्रयोगकर्ता अन्तरक्रिया व्यवस्थित गर्न डिजाइन गरिएको अन्तरसम्बन्धित कार्यक्रमहरूको सेट हो।.
ओएसले मुख्यतया सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण प्रविधि - प्रविधि मार्फत यसको प्रभावकारिता प्राप्त गर्दछ भर्चुअलाइजेशन। OS ले भौतिक स्रोत (प्रोसेसर, मेमोरी, डिस्क, इत्यादि) सँग अन्तरक्रिया गर्छ र यसलाई अझ सामान्य, अधिक सक्षम, र प्रयोग गर्न सजिलो रूपमा रूपान्तरण गर्दछ। त्यसकारण, सामान्य बुझाइको लागि, तपाइँ भर्चुअल मेसिनसँग अपरेटिङ सिस्टमको तुलना गर्न सक्नुहुन्छ।
प्रयोगकर्ताहरूलाई अपरेटिङ सिस्टममा आदेशहरू दिन र यसरी भर्चुअल मेसिनको क्षमताहरू प्रयोग गर्न अनुमति दिनको लागि (जस्तै प्रोग्राम चलाउने, मेमोरी बाँडफाँड गर्ने, फाइल पहुँच गर्ने, र यस्तै अन्य), अपरेटिङ सिस्टमले इन्टरफेस प्रदान गर्दछ। एपीआई (एप्लिकेशन प्रोग्रामिङ इन्टरफेस) र जसमा कल गर्न सकिन्छ। एक सामान्य अपरेटिङ सिस्टमले तपाईंलाई सयौं प्रणाली कलहरू गर्न अनुमति दिन्छ।
अन्तमा, किनभने भर्चुअलाइजेसनले धेरै प्रोग्रामहरू चलाउन अनुमति दिन्छ (यसरी CPU साझा गर्दै), र एकै साथ तिनीहरूका निर्देशनहरू र डेटा पहुँच गर्न (यसरी मेमोरी साझा गर्दै), र पहुँच डिस्कहरू (यसरी I/O यन्त्रहरू साझेदारी गर्दै), अपरेटिङ सिस्टमलाई स्रोत पनि भनिन्छ। प्रबन्धक। प्रत्येक प्रोसेसर, डिस्क र मेमोरी प्रणालीको एक स्रोत हो र यसैले अपरेटिङ सिस्टमको भूमिकाहरू मध्ये एक यी स्रोतहरू प्रबन्ध गर्ने कार्य बन्छ, यसलाई कुशलतापूर्वक, निष्पक्ष वा, यसको विपरीत, अपरेटिङ सिस्टमको लागि कार्यमा निर्भर गर्दछ। डिजाइन गरिएको छ।

CPU भर्चुअलाइजेशन

निम्न कार्यक्रमलाई विचार गर्नुहोस्:
(https://www.youtube.com/watch?v=zDwT5fUcki4&feature=youtu.be)

यसले कुनै विशेष कार्यहरू प्रदर्शन गर्दैन; वास्तवमा, यसले कार्यलाई कल गर्छ स्पिन(), जसको कार्य चक्रीय रूपमा समय जाँच गर्ने र एक सेकेन्ड बितिसकेको पछि फर्कने हो। यसरी, यसले प्रयोगकर्ताले तर्कको रूपमा पास गरेको स्ट्रिङलाई अनन्त रूपमा दोहोर्याउँछ।
यो कार्यक्रम चलाउनुहोस् र यसलाई तर्कको रूपमा "A" प्रतीक पास गरौं। नतिजा विशेष चाखलाग्दो छैन - प्रणालीले केवल एक कार्यक्रम कार्यान्वयन गर्दछ जुन आवधिक रूपमा स्क्रिनमा "A" प्रतीक प्रदर्शन गर्दछ।
अब एउटै कार्यक्रमका धेरै उदाहरणहरू सुरु हुँदा, तर फरक अक्षरहरू प्रदर्शन गर्दा, यसलाई स्पष्ट बनाउन विकल्प प्रयास गरौं। यस अवस्थामा, परिणाम अलि फरक हुनेछ। हामीसँग एउटा प्रोसेसर छ भन्ने तथ्यको बावजुद, कार्यक्रम एकैसाथ चल्छ। यो कसरी हुन्छ? तर यो बाहिर जान्छ कि अपरेटिङ सिस्टम, हार्डवेयर क्षमताहरूको मद्दत बिना, एक भ्रम सिर्जना गर्दछ। एउटा प्रणालीमा धेरै भर्चुअल प्रोसेसरहरू छन् भन्ने भ्रम, एउटा भौतिक प्रोसेसरलाई सैद्धान्तिक रूपमा अनन्त सङ्ख्यामा परिणत गर्ने र त्यसले कार्यक्रमहरूलाई एकैसाथ चलाउन अनुमति दिन्छ। यो भ्रम भनिन्छ CPU भर्चुअलाइजेशन.
यो तस्विरले धेरै प्रश्नहरू खडा गर्छ, उदाहरणका लागि, यदि धेरै कार्यक्रमहरू एकै समयमा चलाउन चाहन्छन् भने, कुन सुरु हुनेछ? OS "नीतिहरू" यस मुद्दाको लागि जिम्मेवार छन्। नीतिहरू OS मा धेरै ठाउँहरूमा प्रयोग गरिन्छ र यी जस्ता प्रश्नहरूको जवाफ दिन्छ, साथै OS ले लागू गर्ने आधारभूत संयन्त्रहरू हुन्। यसैले संसाधन प्रबन्धकको रूपमा OS को भूमिका।

मेमोरी भर्चुअलाइजेशन

अब सम्झना हेरौं। आधुनिक प्रणालीहरूमा मेमोरीको भौतिक मोडेललाई बाइट एरेको रूपमा प्रतिनिधित्व गरिन्छ। मेमोरीबाट पढ्नको लागि तपाईंले निर्दिष्ट गर्न आवश्यक छ सेल ठेगानायसलाई पहुँच गर्न। डाटा लेख्न वा अद्यावधिक गर्न, तपाईंले डाटा र सेलको ठेगाना पनि निर्दिष्ट गर्नुपर्छ जहाँ यसलाई लेख्ने।
कार्यक्रम कार्यान्वयनको क्रममा मेमोरी पहुँचहरू निरन्तर हुन्छन्। एउटा कार्यक्रमले यसको सम्पूर्ण डाटा संरचना मेमोरीमा भण्डार गर्छ र विभिन्न निर्देशनहरू कार्यान्वयन गरेर पहुँच गर्दछ। यस बीचमा, निर्देशनहरू पनि मेमोरीमा भण्डार गरिएको छ, त्यसैले यसलाई अर्को निर्देशनको लागि प्रत्येक अनुरोधको लागि पनि पहुँच गरिन्छ।

malloc() कल गर्दै

निम्न कार्यक्रमलाई विचार गर्नुहोस्, जसले कल प्रयोग गरेर मेमोरीको क्षेत्र आवंटित गर्दछ malloc () (https://youtu.be/jnlKRnoT1m0):

कार्यक्रमले धेरै कुराहरू गर्छ। पहिले, यसले केही मेमोरी (लाइन 7) आवंटित गर्दछ, त्यसपछि आवंटित कक्ष (लाइन 9) को ठेगाना छाप्छ, आवंटित मेमोरीको पहिलो स्लटमा शून्य लेख्छ। अर्को, कार्यक्रमले लूपमा प्रवेश गर्छ जसमा यसले चर "p" को ठेगानामा मेमोरीमा भण्डारण गरिएको मान बढाउँछ। यसले आफैको प्रक्रिया आईडी पनि प्रदर्शन गर्दछ। प्रक्रिया ID प्रत्येक चलिरहेको प्रक्रियाको लागि अद्वितीय छ। धेरै प्रतिलिपिहरू लन्च गरिसकेपछि, हामी एउटा चाखलाग्दो नतिजामा आउनेछौं: पहिलो अवस्थामा, यदि हामीले केही गरेनौं र धेरै प्रतिलिपिहरू मात्र सुरू गर्यौं भने, ठेगानाहरू फरक हुनेछन्। तर यो हाम्रो सिद्धान्त मा पर्दैन! सही, किनभने आधुनिक वितरणमा पूर्वनिर्धारित रूपमा मेमोरी अनियमितता सक्षम गरिएको छ। यदि तपाईंले यसलाई असक्षम गर्नुभयो भने, हामीले अपेक्षित नतिजा पाउँछौं - दुईवटा एकैसाथ चल्ने कार्यक्रमहरूको मेमोरी ठेगानाहरू मिल्नेछ।

नतिजा यो हो कि दुई स्वतन्त्र प्रोग्रामहरूले आफ्नै निजी ठेगाना स्पेसहरूसँग काम गर्दछ, जुन बदलेमा भौतिक मेमोरीमा अपरेटिङ सिस्टमद्वारा म्याप गरिन्छ।। तसर्थ, एक कार्यक्रम भित्र मेमोरी ठेगानाहरूको प्रयोगले अरूलाई कुनै पनि हिसाबले असर गर्दैन, र प्रत्येक कार्यक्रमको भौतिक मेमोरीको आफ्नै टुक्रा देखिन्छ, पूर्ण रूपमा यसको निपटानमा। वास्तविकता, तथापि, भौतिक मेमोरी एक साझा संसाधन हो जुन अपरेटिङ सिस्टम द्वारा व्यवस्थित गरिन्छ।

एकरूपता

अपरेटिङ सिस्टम भित्र अर्को महत्वपूर्ण विषय हो स्थिरता। यो शब्द प्रणाली समस्याहरूको बारेमा कुरा गर्दा प्रयोग गरिन्छ जुन एक कार्यक्रम भित्र धेरै चीजहरूसँग काम गर्दा हुन सक्छ। एकरूपता समस्याहरू सञ्चालन प्रणाली भित्र पनि हुन्छ। मेमोरी र प्रोसेसर भर्चुअलाइजेसनको साथ अघिल्लो उदाहरणहरूमा, हामीले महसुस गर्यौं कि OS ले एकै समयमा धेरै चीजहरू प्रबन्ध गर्दछ - पहिलो प्रक्रिया सुरू गर्दछ, त्यसपछि दोस्रो, र यस्तै। यो बाहिर जान्छ, यो व्यवहारले केहि समस्याहरू निम्त्याउन सक्छ। उदाहरणका लागि, आधुनिक बहु-थ्रेड गरिएका कार्यक्रमहरूले त्यस्ता कठिनाइहरू अनुभव गर्छन्।

निम्न कार्यक्रमलाई विचार गर्नुहोस्:

मुख्य प्रकार्यमा रहेको कार्यक्रमले कल प्रयोग गरेर दुईवटा थ्रेडहरू सिर्जना गर्दछ Pthread_create()। यस उदाहरणमा, थ्रेडलाई अन्य प्रकार्यहरूको छेउमा एउटै मेमोरी स्पेसमा चलिरहेको प्रकार्यको रूपमा सोच्न सकिन्छ, स्पष्ट रूपमा एक भन्दा बढी प्रकार्य एकै समयमा चलिरहेको छ। यस उदाहरणमा, प्रत्येक थ्रेडले कार्य सुरु र कार्यान्वयन गर्दछ worker() जसले बदलीमा चरलाई बढाउँछ,.

1000 को तर्क संग यो कार्यक्रम चलाउन दिनुहोस्। तपाईले अनुमान गरे जस्तै, परिणाम 2000 हुनुपर्छ, किनकि प्रत्येक थ्रेडले 1000 पटक चर बढाएको छ। यद्यपि, सबै कुरा यति सरल छैन। कार्यक्रमलाई म्याग्निच्युड थप दोहोरिने क्रमको साथ चलाउने प्रयास गरौं।

नम्बर इनपुट गरेर, उदाहरणका लागि, 100000, हामी आउटपुटमा 200000 नम्बर देख्ने आशा गर्छौं। यद्यपि, 100000 नम्बर धेरै पटक चलाउँदा, हामीले सही उत्तर मात्र देख्दैनौं, तर विभिन्न गलत जवाफहरू पनि प्राप्त गर्नेछौं। जवाफ यो तथ्यमा निहित छ कि संख्या बढाउनको लागि तीनवटा अपरेशनहरू आवश्यक पर्दछ - मेमोरीबाट नम्बर पुन: प्राप्त गर्ने, यसलाई वृद्धि गर्ने, र त्यसपछि नम्बर फिर्ता लेख्ने। चूंकि यी सबै निर्देशनहरू आणविक रूपमा (सबै एकै समयमा) कार्यान्वयन हुँदैनन्, यस्तो अनौठो चीजहरू हुन सक्छ। यो समस्या प्रोग्रामिंग मा भनिन्छ दौड अवस्था - दौड अवस्था। जब अज्ञात बलहरूले अज्ञात क्षणमा तपाइँको कुनै पनि अपरेशनको कार्यान्वयनलाई असर गर्न सक्छ।

स्रोत: www.habr.com