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

Остали делови:

• Део 1: Увод

Такође можете погледати мој канал на telegram =)

Хајде да погледамо најосновнију апстракцију коју ОС пружа корисницима: процес. Дефиниција процеса је прилично једноставна - јесте покренути програм. Сам програм је беживотна ствар која се налази на диску – то је скуп упутстава и евентуално неких статичких података који чекају да буду покренути. Оперативни систем је тај који узима те бајтове и покреће их, претварајући програм у нешто корисно.
Корисници најчешће желе да покрећу више програма истовремено, на пример, на лаптопу можете покренути претраживач, игру, медиа плејер, уређивач текста и слично. У ствари, типичан систем може истовремено да покреће десетине или стотине процеса. Ова чињеница чини систем лакшим за коришћење, никада не морате да бринете о томе да ли је ЦПУ слободан, само покрећете програме.

Ово поставља проблем: како обезбедити илузију многих ЦПУ-а? Како ОС може да створи илузију о скоро бесконачном броју ЦПУ-а, чак и ако имате само један физички ЦПУ?

ОС ствара ову илузију кроз виртуелизацију ЦПУ-а. Покретањем једног процеса, затим његовим заустављањем, покретањем другог процеса и тако даље, ОС може одржати илузију да постоји много виртуелних ЦПУ-а, док ће у ствари постојати један или више физичких процесора. Ова техника се зове подела ЦПУ ресурса по времену. Ова техника омогућава корисницима да покрећу онолико истовремених процеса колико желе. Цена овог решења је перформанса – пошто ако ЦПУ дели неколико процеса, сваки процес ће се обрађивати спорије.
Да би имплементирао виртуелизацију ЦПУ-а, а посебно да би то урадио добро, ОС је потребна подршка ниског и високог нивоа. Подршка ниског нивоа се зове механизама су методе или протоколи ниског нивоа који имплементирају тражени део функционалности. Пример такве функционалности је промена контекста, која ОС-у даје могућност да заустави један програм и покрене други програм на процесору. Ова временска подела је имплементирана у свим савременим оперативним системима.
Поврх ових механизама је нека логика уграђена у ОС, у облику „политике“. Политика је одређени алгоритам одлучивања за оперативни систем. Такве политике, на пример, одлучују који програм треба први да се покрене (са листе команди). Тако ће, на пример, овај проблем бити решен политиком тзв планер (политика заказивања) а приликом избора решења водиће се таквим подацима као што су: историја покретања (који програм је најдуже покренут у последњим минутама), какво оптерећење носи овај процес (који типови програма су покренути), метрика перформанси (да ли је систем је оптимизован за интерактивну интеракцију или за пропусност) и тако даље.

Апстракција: процес

Апстракција покренутог програма који извршава оперативни систем је оно што зовемо процес. Као што је раније поменуто, процес је једноставно покренут програм, у било ком тренутном временском периоду. Програм са којим можемо да добијемо збирне информације из различитих системских ресурса којима овај програм приступа или утиче током свог извршавања.
Да бисте разумели компоненте процеса, морате разумети стања система: шта програм може да прочита или промени током свог рада. У сваком тренутку морате да разумете који елементи система су важни за извршавање програма.
Један од очигледних елемената стања система који процес укључује је сећање. Инструкције се налазе у меморији. Подаци које програм чита или уписује такође се налазе у меморији. Дакле, меморија коју процес може адресирати (назван адресни простор) је део процеса.
Такође део стања система су регистри. Многа упутства имају за циљ промену вредности регистара или читање њихове вредности, па тако и регистри постају важан део рада процеса.
Треба напоменути да се стање машине формира и из неких посебних регистара. На пример, ИП - инструкцијски показивач — показивач на инструкцију коју програм тренутно извршава. Постоји и показивач стека и везано за то показивач оквира, који се користе за управљање: параметрима функције, локалним променљивим и повратним адресама.
Коначно, програми често приступају РОМ-у (меморији само за читање). Ове „И/О“ (улаз/излаз) информације треба да садрже листу датотека које су тренутно отворене процесом.

Процесни АПИ

Да бисмо побољшали наше разумевање како процес функционише, проучимо примере системских позива који би требало да буду укључени у било који интерфејс оперативног система. Ови АПИ-ји су доступни у једном или другом облику на било ком ОС-у.

● Створити (креирање): ОС мора да садржи неки метод који вам омогућава да креирате нове процесе. Када унесете команду у терминал или покренете апликацију двоструким кликом на икону, ОС се шаље позив да креира нови процес и затим покрене наведени програм.
● Брисање: Пошто постоји интерфејс за креирање процеса, ОС такође треба да обезбеди могућност принудног уклањања процеса. Већина програма ће се природно покренути и прекинути сами док се покрену. У супротном би корисник желео да може да их убије и самим тим би интерфејс за заустављање процеса био користан.
● Ваит (на чекању): Понекад је корисно сачекати да се процес заврши, па су обезбеђени неки интерфејси који пружају могућност чекања.
● Мисц Цонтрол (разне контроле): Поред убијања и чекања процеса, постоје и друге различите методе контроле. На пример, већина оперативних система пружа могућност замрзавања процеса (заустављање његовог извршавања на одређени период) и затим његово наставак (наставак извршавања)
● статус (стање): Постоје различити интерфејси за добијање неких информација о статусу процеса, као што је колико дуго је покренут или у ком се стању тренутно налази.

Креирање процеса: детаљи

Једна од занимљивих ствари је како се тачно програми претварају у процесе. Нарочито како ОС преузима и покреће програм. Како тачно настаје процес.
Пре свега, ОС мора учитати програмски код и статичке податке у меморију (у адресни простор процеса). Програми се обично налазе на диску или ССД уређају у неком извршном формату. Дакле, процес учитавања програма и статичких података у меморију захтева да ОС може да прочита те бајтове са диска и да их постави негде у меморију.

У раним оперативним системима, процес учитавања је рађен са нестрпљењем, што значи да је цео код учитаван у меморију пре покретања програма. Савремени оперативни системи то раде лењо, односно учитавају делове кода или података само када их програм захтева током свог извршавања.

Када се код и статички подаци учитају у ОС меморију, потребно је урадити још неколико ствари пре него што процес може да се покрене. За стек мора бити додељена одређена количина меморије. Програми користе стек за локалне променљиве, параметре функције и повратне адресе. ОС додељује ову меморију и даје је процесу. Стек се такође може доделити неким аргументима, конкретно он испуњава параметре функције маин(), на пример низом аргц и аргв.

Оперативни систем такође може додијелити нешто меморије у хрпу програма. Програми користе хрпу да експлицитно захтевају динамички додељене податке. Програми захтевају овај простор позивањем функције маллоц () и брише га експлицитно позивањем функције бесплатно(). Хрпа је потребна за структуре података као што су повезани листови, хеш табеле, стабла и друго. У почетку, мала количина меморије се додељује на хрпу, али током времена, како се програм покреће, хрпа може захтевати више меморије преко позива АПИ-ја библиотеке маллоц(). Оперативни систем је укључен у процес додељивања више меморије да би се задовољили ови позиви.

Оперативни систем ће такође обављати задатке иницијализације, посебно оне који се односе на И/О. На пример, на УНИКС системима, сваки процес подразумевано има 3 отворена дескриптора датотека, за стандардни унос, излаз и грешку. Ове ручке омогућавају програмима да читају унос са терминала, као и да прикажу информације на екрану.

Дакле, учитавањем кода и статичких података у меморију, креирањем и иницијализацијом стека и обављањем других послова везаних за обављање И/О задатака, ОС припрема фазу за извршење процеса. Коначно, остаје још један последњи задатак: покретање програма кроз његову улазну тачку, названу маин() функција. Извршавањем функције маин(), ОС преноси контролу ЦПУ-а на новокреирани процес, тако да програм почиње да се извршава.

Процесно стање

Сада када имамо извесно разумевање шта је процес и како се креира, хајде да наведемо стања процеса у којима може бити. У свом најједноставнијем облику, процес може бити у једном од ових стања:
● Running. Када је покренут, процес се покреће на процесору. То значи да се инструкције извршавају.
● Спреман. У стању приправности, процес је спреман за покретање, али из неког разлога ОС га не извршава у одређено време.
● Блокиран. У блокираном стању, процес обавља неке операције које га спречавају да буде спреман за извршење док се не догоди неки догађај. Један уобичајени пример је када процес иницира ИО операцију, он постаје блокиран тако да неки други процес може да користи процесор.

Ова стања можете замислити у облику графикона. Као што видимо на слици, стање процеса може се променити између РУННИНГ и РЕАДИ према нахођењу ОС-а. Када се стање процеса промени из РЕАДИ у РУННИНГ, то значи да је процес заказан. У супротном смеру - уклоњено из распореда. У тренутку када процес постане БЛОКИРАН, на пример, покренем ИО операцију, ОС ће га задржати у овом стању док се не догоди неки догађај, на пример завршетак ИО. у овом тренутку прелазак у стање РЕАДИ и евентуално одмах у стање РУННИНГ ако ОС тако одлучи.
Погледајмо пример како се два процеса крећу кроз ова стања. За почетак, замислимо да су оба процеса покренута и да сваки користи само ЦПУ. У овом случају, њихова стања ће изгледати овако.

У следећем примеру, први процес, након неког времена покретања, захтева ИО и улази у стање БЛОЦКЕД, дозвољавајући другом процесу да се покрене (СЛИКА 1.4). ОС види да процес 0 не користи ЦПУ и покреће процес 1. Док је процес 1 покренут, ИО је завршен и статус процеса 0 се мења у РЕАДИ. Коначно, процес 1 је завршен, а по завршетку, процес 0 почиње, извршава и завршава свој рад.

Структура података

Сам ОС је програм, и као и сваки други програм, има неке кључне структуре података које прате различите релевантне информације. Да би пратио стање сваког процеса, ОС ће подржавати неке листа процеса за све процесе у стању РЕАДИ и неке додатне информације за праћење процеса који су тренутно покренути. Такође, ОС треба да надгледа блокиране процесе. Након што је ИО завршен, ОС мора пробудити потребни процес и ставити га у стање спремно за покретање.

На пример, ОС мора да сачува стање регистара процесора. У тренутку престанка процеса, стање регистара се чува у адресном простору процеса, а у тренутку када се његов рад наставља, вредности регистара се враћају и тако се наставља извршавање овог процеса.

Поред спремних, блокираних, покренутих стања, постоје још нека стања. Понекад, у време креирања, процес може бити у стању ИНИТ. Коначно, процес се може ставити у ФИНАЛ стање када је већ завршен, али његове информације још нису обрисане. На УНИКС системима ово стање се зове зомби процес. Ово стање је корисно у случајевима када родитељски процес жели да зна повратни код детета, на пример, обично 0 означава успех, а 1 грешку, али програмери могу да издају додатне излазне кодове да сигнализирају различите проблеме. Када се надређени процес заврши, он врши коначни системски позив, као што је чекај(), да сачека да се процес-подређени заврши и сигнализира ОС-у да може да обрише све податке повезане са окончаним процесом.

Кључне тачке предавања:

● процес — главна апстракција покренутог програма у ОС. У било ком тренутку, процес се може описати његовим стањем: садржајем меморије у његовом адресном простору, садржајем процесорских регистара, укључујући показивач инструкција и показивач стека, и ИО информацијама, као што су отворене датотеке које се читају или пишу.
● Процесни АПИ састоји се од позива које програми могу упутити процесима. Обично су то позиви за креирање, брисање или други позиви.
● Процес је у једном од многих стања, укључујући покренут, спреман, блокиран. Различити догађаји као што су заказивање, изузеци од заказивања или чекања могу променити стање процеса из једног у други.
● Листа процеса садржи информације о свим процесима у систему. Сваки унос у њему назива се контролни блок процеса, што је у стварности структура која садржи све потребне информације о одређеном процесу. 

Извор: ввв.хабр.цом