Увод у оперативне системе

Хеј Хабр! Желео бих да вам скренем пажњу на серију чланака-превода једне по мени занимљиве литературе – ОСТЕП. У овом материјалу се прилично дубоко разматра рад оперативних система сличних униксу, односно рад са процесима, разним планерима, меморијом и другим сличним компонентама које чине савремени ОС. Овде можете видети оригинал свих материјала овде. Напомињемо да је превод урађен нестручно (прилично слободно), али се надам да сам задржао опште значење.

Лабораторијски рад на ову тему можете пронаћи овде:

• оригинал: пагес.цс.висц.еду/~ремзи/ОСТЕП/Хомеворк/хомеворк.хтмл
• оригинал: гитхуб.цом/ремзи-арпацидуссеау/остеп-цоде
• моја лична адаптација: гитхуб.цом/бикваадм/ОС/трее/мастер/остеп

Такође можете погледати мој канал на telegram =)

Рад програма

Шта се дешава када је програм покренут? Програм који ради ради једну једноставну ствар - извршава упутства. Сваке секунде, милиони, па чак и милијарде инструкција се преузимају од стране процесора из РАМ-а, заузврат их декодира (на пример, препознаје којој врсти ове инструкције припадају) и извршава их. Ово може бити додавање два броја, приступ меморији, провера услова, скакање на функцију и тако даље. Након извршења једне инструкције, процесор прелази на извршење друге. И тако инструкција за инструкцијом, они се извршавају док се програм не заврши.

Овај пример се природно сматра поједностављеним – у ствари, да бисте убрзали процесор, савремени хардвер вам омогућава да извршавате инструкције ван реда, израчунате могуће резултате, истовремено извршавате инструкције и сличне трикове.

Фон Нојманов модел прорачуна

Поједностављени облик рада који смо описали је сличан Фон Нојмановом моделу прорачуна. Фон Нојман је један од пионира компјутерских система, такође је један од аутора теорије игара. Док програм ради, дешава се гомила других догађаја, многи други процеси и логички рад трећих страна, чија је главна сврха да поједностави покретање, рад и одржавање система.

Существует набор программного обеспечения, который ответственен за простоту запуска программ (или даже позволяющий запускать несколько программ одновременно), он позволяет программам разделять одну и ту же память, а так же взаимодействовать с различными устройствами. Такой набор ПО (программного обеспечения) по сути и называют операционной системой и в его задачи входит отслеживание того, чтобы система работала корректно и эффективно, а также обеспечение простоты управления этой системой.

Оперативни систем

Оперативни систем, скраћено ОС, је скуп међусобно повезаних програма дизајнираних за управљање рачунарским ресурсима и организовање интеракције корисника са рачунаром..

ОС своју ефективност постиже на првом месту, кроз најважнију технику – технику виртуелизација. ОС је у интеракцији са физичким ресурсом (процесор, меморија, диск, итд.) и трансформише га у општији, моћнији и лакши за употребу облик. Стога, за опште разумевање, можете врло грубо упоредити оперативни систем са виртуелном машином.

Да би омогућио корисницима да дају команде оперативном систему и на тај начин користе могућности виртуелне машине (као што је покретање програма, додељивање меморије, приступ датотеци и тако даље), оперативни систем обезбеђује неки интерфејс тзв. АПИ за (интерфејс за програмирање апликације) и на који можете да упућујете позиве (позив). Типичан оперативни систем омогућава обављање стотина системских позива.

Коначно, пошто виртуелизација омогућава покретање више програма (на тај начин дељење ЦПУ) и истовремено приступање њиховим упутствима и подацима (на тај начин дељење меморије) и приступ дисковима (дакле дељење И/О уређаја). ), оперативни систем се такође назива менаџер ресурса. Сваки процесор, диск и меморија су ресурс система, па тако једна од улога оперативног система постаје задатак управљања тим ресурсима, радећи то ефикасно, поштено или обрнуто, у зависности од задатка за који овај оперативни систем ради. је дизајниран.

ЦПУ виртуелизација

Размотрите следећи програм:
(https://www.youtube.com/watch?v=zDwT5fUcki4)

Не врши никакве посебне радње, у ствари, све што ради је позивање функције спин(), чији је задатак да прође кроз временску проверу и врати се након једне секунде. Дакле, неограничено понавља стринг који је корисник пренео као аргумент.

Покренимо овај програм и проследимо му знак "А" као аргумент. Резултат није посебно занимљив - систем једноставно извршава програм који периодично приказује знак "А".

Хајде сада да испробамо опцију када је покренуто много инстанци истог програма, али излазе различита слова да би било јасније. У овом случају, резултат ће бити нешто другачији. Упркос чињеници да имамо један процесор, програм се извршава истовремено. Како се то дешава? Али испоставља се да оперативни систем, не без помоћи хардверских могућности, ствара илузију. Илузија да систем има више виртуелних процесора, претварајући један физички процесор у теоретски бесконачан број и на тај начин омогућавајући наизглед програмима да раде истовремено. Ова илузија се зове ЦПУ виртуелизација.

Ова слика поставља многа питања, на пример, ако неколико програма жели да ради истовремено, који ће се покренути? За ово питање одговорне су „политике“ ОС-а. Смернице се користе на многим местима у ОС-у и одговарају на оваква питања и представљају основне механизме које ОС имплементира. Отуда улога ОС као менаџера ресурса.

Виртуелизација меморије

Сада погледајмо сећање. Физички модел меморије у савременим системима је представљен као низ бајтова.. Да бисте читали из меморије, потребно је да наведете адреса ћелиједа му приступите. Да бисте уписали или ажурирали податке, такође морате навести податке и адресу ћелије у коју ћете их уписати.

Меморији се стално приступа током извршавања програма. Програм складишти своју целокупну структуру података у меморији и приступа јој извршавањем различитих инструкција. Инструкције се, у међувремену, такође чувају у меморији, па им се приступа и за сваки захтев за следећу инструкцију.

маллоц() позив

Размотрите следећи програм, који додељује регион меморије помоћу позива маллоц () (хттпс://иоуту.бе/јнлКРноТ1м0):

Програм ради неколико ствари. Прво додељује нешто меморије (ред 7), затим штампа адресу додељене ћелије (ред 9), уписује нулу у први слот додељене меморије. Затим, програм улази у петљу у којој повећава вредност сачувану у меморији на адреси у променљивој „п“. Такође штампа ИД самог процеса. ИД процеса је јединствен за сваки покренут процес. Након што смо покренули неколико копија, наићи ћемо на занимљив резултат: У првом случају, ако не учините ништа и само покренете неколико копија, адресе ће бити различите. Али ово не спада у нашу теорију! Тачно, пошто модерне дистрибуције имају подразумевано омогућену рандомизацију меморије. Ако је онемогућен, добијамо очекивани резултат - меморијске адресе два истовремено покренута програма ће се подударати.

Као резултат тога, испоставља се да два независна програма раде са својим приватним адресним просторима, које оперативни систем мапира у физичку меморију. Стога, коришћење меморијских адреса унутар једног програма неће утицати на друге ни на који начин, а сваком програму се чини да има свој део физичке меморије, који му је у потпуности дат. Реалност је, међутим, да је физичка меморија заједнички ресурс којим управља оперативни систем.

Доследност

Још једна од важних тема у оквиру оперативних система је − доследност. Овај термин се користи када се говори о проблемима у систему који могу настати када се ради са више ствари истовремено у оквиру истог програма. Проблеми конзистентности се јављају чак и унутар самог оперативног система. У претходним примерима виртуелизације меморије и процесора схватили смо да ОС управља многим стварима у исто време – покреће први процес, затим други, и тако даље. Како се испоставило, ово понашање може довести до неких проблема. Тако, на пример, савремени програми са више нити доживљавају такве потешкоће.

Размотрите следећи програм:

Програм у главној функцији креира две нити користећи позив птхреад_цреате(). У овом примеру, нит се може сматрати функцијом која ради у истом меморијском простору заједно са другим функцијама, са очигледно више од једне функције која ради у исто време. У овом примеру, свака нит покреће и извршава функцију воркер() који заузврат једноставно повећава променљиву,.

Хајде да покренемо овај програм са аргументом од 1000. Као што сте могли да претпоставите, резултат би требало да буде 2000 јер је свака нит повећала променљиву 1000 пута. Међутим, није све тако једноставно. Хајде да покушамо да покренемо програм са редом величине више понављања.

Уношењем броја, на пример, 100000, очекујемо да ћемо на излазу видети број 200000. Међутим, ако покренемо број 100000 неколико пута, не само да нећемо видети тачан одговор, већ ћемо добити и различите нетачне одговоре. Одговор лежи у чињеници да су за повећање броја потребне три операције - издвајање броја из меморије, повећање, а затим уписивање броја назад. Пошто се све ове инструкције не извршавају атомски (све у исто време), могу се десити овакве чудне ствари. Овај проблем се назива у програмирању услови трке. Када непознате силе у непознатом тренутку могу утицати на извођење било које ваше операције.

Извор: ввв.хабр.цом