Концепции построения unix




Дата01.10.2016
Размер175 Kb.
ЛЕКЦИЯ 10

КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ UNIX


 

  1. Процессы в UNIX

  2. Файловые системы

  3. Управление памятью

  4. Подсистема ввода-вывода

 

Основной пpактический pезультат: как работать в средеUNIX-Linux
Основной теоретический pезультат: теоретические основы построения UNIX

Самостоятельная работа

1.Лабораторная работа 8: Ознакомление с операционной системой Linux
2.Ознакомиться с  Глоссарием.


1 Процессы в UNIX

Управление процессами

Образ, дескриптор, контекст процесса

В основе UNIX лежит концепция процесса - единицы управления и единицы потребления ресурсов. Процесс представляет собой программу в состоянии выполнения, причем в UNIX в рамках одного процесса не могут выполняться никакие параллельные действия. Каждый процесс работает в своем виртуальном адресном пространстве. Совокупность участков физической памяти, отображаемых на виртуальные адреса процесса, называется образом процесса. При управлении процессами операционная система использует два основных типа информационных структур:

  • дескриптор процесса (структура proc)

  • контекст процесса (структура user).

Дескриптор процесса содержит такую информацию о процессе, которая необходима ядру в течение всего жизненного цикла процесса, независимо от того, находится ли он в активном или пассивном состоянии, находится ли образ процесса в оперативной памяти или выгружен на диск. Дескрипторы отдельных процессов объединены в список, образующий таблицу процессов. Память для таблицы процессов отводится динамически в области ядра. На основании информации, содержащейся в таблице процессов, операционная система осуществляет планирование и синхронизацию процессов. В дескрипторе прямо или косвенно (через указатели на связанные с ним структуры) содержится информация о состоянии процесса, расположении образа процесса в оперативной памяти и на диске, о значении отдельных составляющих приоритета, а также его итоговое значение - глобальный приоритет, идентификатор пользователя, создавшего процесс, информация о родственных процессах, о событиях, осуществления которых ожидает данный процесс и некоторая другая информация.

Контекст процесса содержит менее оперативную, но более объемную часть информации о процессе, необходимую для возобновления выполнения процесса с прерванного места: содержимое регистров процессора, коды ошибок выполняемых процессором системных вызовов, информацию о всех открытых данным процессом файлов и незавершенных операциях ввода-вывода (указатели на структуры file) и другие данные, характеризующие состояние вычислительной среды в момент прерывания. Контекст, так же как и дескриптор процесса, доступен только программам ядра, то есть находится в виртуальном адресном пространстве операционной системы, однако он хранится не в области ядра, а непосредственно примыкает к образу процесса и перемещается вместе с ним, если это необходимо, из оперативной памяти на диск. В UNIX для процессов предусмотрены два режима выполнения: привилегированный режим - "система" и обычный режим - "пользователь". В режиме "пользователь" запрещено выполнение действий, связанных с управлением ресурсами системы, в частности, корректировка системных таблиц, управление внешними устройствами, маскирование прерываний, обработка прерываний. В режиме "система" выполняются программы ядра, а в режиме "пользователь" - оболочка и прикладные программы. При необходимости выполнить привилегированные действия пользовательский процесс обращается с запросом к ядру в форме так называемого системного вызова. В результате системного вызова управление передается соответствующей программе ядра. С момента начала выполнения системного вызова процесс считается системным. Таким образом, один и тот же процесс может находиться в пользовательской и системной фазах. Эти фазы никогда не выполняются одновременно.

Процесс можно вытеснить и в системной фазе, но не в произвольный момент времени, а только в определенные периоды его работы, когда процесс сам разрешает это сделать установкой специального сигнала.

Управление процессами осуществляется с помощью команд:



  • ps -(aefd) - контроль состояния процессов

  • kill - n - персылка сигнала управления. ( i: 1-отбой, 2- прерывание, 3-выход, 9-уничтожение,15- программное завершение)

  • nice m n - понижение приоритета (m=0-39) или -19,+19
Порождение процессов

В UNIX порождение нового процесса происходит в два этапа - сначала создается копия процесса-родителя, то есть дублируется дескриптор, контекст и образ процесса. Затем у нового процесса производится замена кодового сегмента на заданный. Вновь созданному процессу операционная система присваивает целочисленный идентификатор PID, уникальный за весь период функционирования системы.

Идентификатор сына может быть присвоен переменной, входящей в контекст процесса-отца. Так как контекст процесса наследуется его потомками, то дети могут узнать идентификаторы своих старших братьев, так образом сумма знаний наследуется при порождении и может быть распространена между родственными процессами. Наследуются все характеристики процесса, содержащиеся в контексте.

ps -(aefd) - контроль состояния ( пример из лаб)

Планирование процессов

В системе UNIX System V Release 4 реализована вытесняющая многозадачность, основанная на использовании приоритетов и квантования. Все процессы разбиты на несколько групп, называемых классами приоритетов. Каждая группа имеет свои характеристики планирования процессов.   В настоящее время имеется три приоритетных класса:

  • класс реального времени;

  • класс системных процессов;

  • класс процессов разделения времени.

Приоритетность (привилегии) процесса тем выше, чем больше число, выражающее приоритет ( таблица 1).

Процессы системного класса используют стратегию фиксированных приоритетов. Системный класс зарезервирован для процессов ядра. Уровень приоритета процессу назначается ядром и никогда не изменяется. Заметим, что пользовательский процесс, перешедший в системную фазу, не переходит при этом в системный класс приоритетов.

Процессы реального времени также используют стратегию фиксированных приоритетов, но пользователь может их изменять. Но процессы реального времени надо тщательно проектировать, чтобы они не захватывали процессор на слишком долгое время. Характеристики планирования процессов реального времени включают две величины:


  • уровень глобального приоритета

  • и квант времени.

Для каждого уровня приоритета имеется по умолчанию своя величина кванта времени. Процессу разрешается захватывать процессор на указанный квант времени, а по его истечении планировщик снимает процесс с выполнения.

Таблица 1. -Классы приоритетов



Приоритетный класс

Выбор
планировщика


Глобальное значение
приоритета


Реальное время (real time)

первый
.
.
..


159
.
..
100

Системные процессы (system)

.
.
.
.


99
..
.
60

Процессы разделения времени
(time-shared)

.
..
.
последний

59
..
.
0

Возможно добавление новых классов

Для  класса процессов разделения времени   используется стратегия динамических приоритетов, которая адаптируется к операционным характеристикам процесса. Величина приоритета, назначаемого процессам разделения времени, вычисляется пропорционально значениям двух составляющих:

  • пользовательской части;

  • системной части.

Пользовательская часть приоритета может быть изменена суперпользователем и владельцем процесса, но в последнем случае только в сторону его снижения. Системная составляющая позволяет планировщику управлять процессами в зависимости от того, как долго они используют процессор, не уходя в состояние ожидания. Тем процессам, которые потребляют большие периоды времени без ухода в состояние ожидания, приоритет снижается, а тем процессам, которые часто уходят в состояние ожидания после короткого периода использования процессора, приоритет повышается. Таким образом, процессам, ведущим себя не по-джентльменски, дается низкий приоритет, что означает, что они реже выбираются на выполнение. Но процессам с низким приоритетом даются большие кванты времени, чем процессам с высокими приоритетами. Таким образом, хотя низкоприоритетный процесс и не работает так часто, как высокоприоритетный, но зато, когда он наконец выбирается на выполнение, ему отводится больше времени.

3. Вводится команда who. На экране появится следующая информация:

¦# who

¦petrov tty00 Oct 12 8:53



¦mary2 tty02 Oct 12 8:56

¦acct123 tty05 Oct 12 8:54

¦jmrs tty06 Oct 12 8:56

¦#

Команда who сообщает входные имена всех, кто в настоящее время работает в Вашей системе. Обозначения tty относятся к специальным файлам, которые связаны с терминалами каждого пользователя.Также показаны дата и время входа каждого пользователя в систему.



 


2 Файловые системы UNIX


В UNIX System V Release 4 реализован механизм виртуальной файловой системы VFS (Virtual File System), который позволяет ядру системы одновременно поддерживать несколько различных типов файловых систем. Механизм VFS поддерживает для ядра некоторое абстрактное представление о файловой системе, скрывая от него конкретные особенности каждой файловой системы.
Традиционная файловая система s5 или  Linux ext

Типы файлов

Файловая система UNIX s5 поддерживает логическую организацию файла в виде последовательности байтов. По функциональному назначению различаются:



  • обычные файлы,

  • каталоги

  •   специальные файлы.

Обычные файлы содержат ту информацию, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ, то есть ОС не накладывает никаких ограничений на структуру и характер информации, хранимой в обычных файлах.

Каталог - файл, содержащий служебную информацию файловой системы о группе файлов, входящих в данный каталог. В каталог могут входить обычные, специальные файлы и каталоги более низкого уровня.

Специальный файл - фиктивный файл, ассоциируемый с каким-либо устройством ввода-вывода, используется для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам.

 

Расположение файловой системы s5 на диске показано на рисунке 5.5. Все дисковое пространство, отведенное под файловую систему, делится на четыре области:



  • загрузочный блок (boot), в котором хранится загрузчик операционной системы;

  • суперблок (superblock) - содержит самую общую информацию о файловой системе: размер файловой системы, размер области индексных дескрипторов, число индексных дескрипторов, список свободных блоков и список свободных индексных дескрипторов, а также другую административную информацию;

  • область индексных дескрипторов, порядок расположения индексных дескрипторов в которой соответствует их номерам;

  • область данных, в которой расположены как обычные файлы, так и файлы-каталоги. Специальные файлы представлены в файловой системе только записями в соответствующих каталогах и индексными дескрипторами специального формата, но места в области данных не занимают.



Рис. 5.5. Расположение файловой системы s5 на диске

Доступ к файлу осуществляется путем последовательного просмотра всей цепочки каталогов, входящих в полное имя файла, и соответствующих им индексных дескрипторов. Поиск завершается после получения всех характеристик из индексного дескриптора заданного файла. Эта процедура требует в общем случае нескольких обращений к диску, пропорционально числу составляющих в полном имени файла. Для уменьшения среднего времени доступа к файлу его дескриптор копируется в специальную системную область памяти. Копирование индексного дескриптора входит в процедуру открытия файла.


Виртуальная файловая система VFS

Большее распространение получила схема, реализованная фирмой Sun Microsystems,  называемая переключателем виртуальной файловой системы - Virtual File System (VFS).

VFS не ориентируется на какую-либо конкретную файловую систему, механизмы реализации файловой системы полностью скрыты как от пользователя, так и от приложений. В ОС нет системных вызовов, предназначенных для работы со специфическими типами файловой системы, а имеются абстрактные вызовы типа open, read, write и другие, которые имеют содержательное описание, обобщающее некоторым образом содержание этих операций в наиболее популярных типах файловых систем (например, s5, ufs, nfs и т.п.). VFS также предоставляет ядру возможность оперирования файловой системой, как с единым целым: операции монтирования и демонтирования, а также операции получения общих характеристик конкретной файловой системы (размера блока, количества свободных и занятых блоков и т.п.) в единой форме. Если конкретный тип файловой системы не поддерживает какую-то абстрактную операцию VFS, то файловая система должна вернуть ядру код возврата, извещающий об этом факте.

В VFS вся информация о файлах разделена на две части - не зависящую от типа файловой системы, которая хранится в специальной структуре ядра - структуре vnode, и зависящую от типа файловой системы - структура inode, формат которой на уровне VFS не определен, а используется только ссылка на нее в структуре vnode. Имя inode не означает, что эта структура совпадает со структурой индексного дескриптора inode файловой системы s5. Это имя используется для обозначения зависящей от типа файловой системы информации о файле, как дань традиции.

Виртуальная файловая система VFS поддерживает следующие типы файлов:



  • обычные файлы,

  • каталоги,

  • специальные файлы,

  • именованные конвейеры,

  • символьные связи.

Содержательное описание обычных файлов, каталогов и специальных файлов и связей не отличается от их описания в файловой системе s5.

Символьные связи

Версия UNIX System V Release 4 вводит новый тип связи - мягкая связь, называемая символьной связью и реализуемая с помощью системного вызова symlink. Символьная связь - это файл данных, содержащий имя файла, с которым предполагается установить связь. Слово "предполагается" использовано потому, что символьная связь может быть создана даже с несуществующим файлом. При создании символьной связи образуется как новый вход в каталоге, так и новый индексный дескриптор inode. Кроме этого, резервируется отдельный блок данных для хранения полного имени файла, на который он ссылается. Многие системные вызовы пользуются файлом символьных связей для поиска реального файла. Связанные файлы не обязательно располагаются в той же файловой системе.



Именованные конвейеры

Конвейер - это средство обмена данными между процессами. Конвейер буферизует данные, поступающие на его вход, таким образом, что процесс, читающий данные на его выходе, получает их в порядке "первый пришел - первый вышел" (FIFO). В ранних версиях UNIX для обмена данными между процессами использовались неименованные конвейеры - pipes, которые представляли собой очереди байт в оперативной памяти. Однако, из-за отсутствия имен, такие конвейеры могли использоваться только для передачи данных между родственными процессами, получившими указатель на конвейер в результате копирования сегмента данных из адресного пространства процесса-прародителя. Именованные конвейеры позволяют обмениваться данными произвольной паре процессов, т.к. каждому такому конвейеру соответствует файл на диске. Никакие данные не связываются с файлом-конвейером, но все равно в каталоге содержится запись о нем, и он имеет индексный дескриптор. В UNIX System V Release 4 конвейеры реализуются с использованием коммуникационных модулей STREAMS.


Сетевая файловая система NFS

Одной из самых известных сетевых файловых систем является Network File System (NFS) фирмы Sun Microsystems. NFS была первоначально создана для UNIX-компьютеров.

Основная идея NFS - позволить произвольному набору пользователей разделять общую файловую систему. Чаще всего все пользователи принадлежат одной локальной сети, но не обязательно. Можно выполнять NFS и на глобальной сети. Каждый NFS-сервер предоставляет один или более своих каталогов для доступа удаленным клиентам. Каталог объявляется доступным со всеми своими подкаталогами. Список каталогов, которые сервер передает, содержится в файле /etc/exports, так что эти каталоги экспортируются сразу автоматически при загрузке сервера. Клиенты получают доступ к экспортируемым каталогам путем монтирования. Многие рабочие станции Sun - бездисковые, но и в этом случае можно монтировать удаленную файловую систему на корневой каталог, при этом вся файловая система целиком располагается на сервере. При выполнении программ почти нет различий, расположен ли файл локально или на удаленном диске. Если два или более клиента одновременно смонтировали один и тот же каталог, то они могут связываться путем разделения файла.

Так как одной из целей NFS является поддержка неоднородных систем с клиентами и серверами, выполняющими различные ОС на различной аппаратуре, то особенно важно, чтобы был хорошо определен интерфейс между клиентами и серверами. Только в этом случае станет возможным написание программного обеспечения клиентской части для новых операционных систем рабочих станций, которое будет правильно работать с существующими серверами. Это цель достигается двумя протоколами.

Первый NFS-протокол управляет монтированием. Клиент может послать полное имя каталога серверу и запросить разрешение на монтирование этого каталога на какое-либо место собственного дерева каталогов. При этом серверу не указывается, в какое место будет монтироваться каталог сервера, так как ему это безразлично. Получив имя, сервер проверяет законность этого запроса и возвращает клиенту описатель файла, содержащий тип файловой системы, диск, номер дескриптора (inode) каталога, информацию безопасности. Операции чтения и записи файлов из монтируемых файловых систем используют этот описатель файла. Монтирование может выполняться автоматически с помощью командных файлов при загрузке. Существует другой вариант автоматического монтирования: при загрузке ОС на рабочей станции удаленная файловая система не монтируется, но при первом открытии удаленного файла ОС посылает запросы каждому серверу, и, после обнаружения этого файла, монтирует каталог того сервера, на котором этот файл расположен.

Второй NFS-протокол используется для доступа к удаленным файлам и каталогам. Клиенты могут послать запрос серверу для выполнения какого-либо действия над каталогом или операции чтения или записи файла. Кроме того, они могут запросить атрибуты файла, такие как тип, размер, время создания и модификации. Большая часть системных вызовов UNIX поддерживается NFS, за исключением open и close. Исключение open и close не случайно. Вместо операции открытия удаленного файла клиент посылает серверу сообщение, содержащее имя файла, с запросом отыскать его (lookup) и вернуть описатель файла. В отличие от вызова open, вызов lookup не копирует никакую информацию во внутренние системные таблицы сервера. Вызов read содержит описатель того файла, который нужно читать, смещение в уже читаемом файле и количество байтов, которые нужно прочитать. Преимуществом такой схемы является то, что сервер не должен запоминать ничего об открытых файлах. Таким образом, если сервер откажет, а затем будет восстановлен, информация об открытых файлах не потеряется, потому что ее нет. Серверы, подобные этому, не хранящие постоянную информацию об открытых файлах, называются stateless.

К сожалению метод NFS затрудняет блокировку файлов. В UNIX файл может быть открыт и заблокирован так, что другие процессы не имеют к нему доступа. Когда файл закрывается, блокировка снимается. В stateless-системах, подобных NFS, блокирование не может быть связано с открытием файла, так как сервер не знает, какой файл открыт. Следовательно, NFS требует специальных дополнительных средств управления блокированием.

Реализация кодов клиента и сервера в NFS имеет многоуровневую структуру (рисунок 5.10).

Рис. 5.10. Многоуровневая структура NFS

Верхний уровень клиента - уровень системных вызовов, таких как OPEN, READ, CLOSE. После грамматического разбора вызова и проверки параметров, этот уровень обращается ко второму уровню - уровню виртуальной файловой системы (VFS). В структуре vnode имеется информация о том, является ли файл удаленным или локальным. Затем ядро создает vnode для удаленного каталога и обращается с запросом к клиент-программе для создания rnode (удаленного inode) в ее внутренних таблицах. Каждый vnode указывает либо на какой-нибудь rnode в NFS клиент-коде, либо на inode в локальной ОС.

 


3 Управление памятью

Свопинг


В UNIX System V Release 4 реализована сегментно-страничная модель памяти в ее традиционном виде. Наряду с механизмом управления страницами используется и механизм свопинга, когда на диск выталкиваются все страницы какого-либо процесса. Свопинг применяется в "предаварийных" ситуациях, когда размер свободной оперативной памяти уменьшается до некоторого заданного порога, так что работа всей системы очень затрудняется.

Имеются следующие типы виртуальных сегментов:



  • Текст (text) - содержит коды команд исполняемого модуля процесса. Он обычно обозначается "только для чтения", так чтобы ни сам процесс, ни другие процессы не могли изменить его кодовую часть. Текстовый сегмент может разделяться многими процессами, например, всеми пользователями, работающими с одним редактором.

  • Данные (data) - содержит данные, используемые и модифицируемые процессом во время выполнения. К сегменту данных обычно разрешается иметь доступ для чтения и записи. В отличие от текстового сегмента, сегмент данных никогда не разделяется другими процессами.

  • Стек (stack) - содержит стек процесса. Он помечается доступным для чтения и записи и, подобно сегменту данных, не может разделяться другими процессами.

Есть еще два типа сегментов:

  • Разделяемая память (shared memory) - область памяти, доступная для чтения и записи нескольким процессам.

  • Отображенный файл (mapped file) - сегменты отображенного файла используются для того, чтобы отобразить части файлов в адресное пространство процесса, и использовать стандартные механизмы ОС управления виртуальной памятью для ускорения доступа к файлам.

Если в физической памяти недостаточно места для размещения затребованной процессом страницы, то ОС выгружает некоторые страницы на диск. Этот процесс осуществляется специальным процессом ядра, "выталкивателем страниц", имеющем в UNIX System V Release 4 имя pageout. Для принятия решения о том, какую виртуальную страницу нужно переместить на диск, процессу pageout нужно иметь информацию о текущем состоянии физической памяти.

Структура физической памяти

В самых нижних адресах находится текстовый сегмент ядра, затем располагается сегмент данных ядра, далее может идти динамический сегмент данных ядра, в котором отводится место для структур ядра, например, для дескрипторов процессов. В оставшейся физической памяти могут располагаться в общем случае несколько областей для хранения страниц пользовательских процессов. Эти области описываются таблицей pageac_table[ ], каждый элемент которой содержит номера начальной и конечной страницы области, указатели на дескрипторы первой и последней страниц, размещенных в этой области.

Для каждой физической страницы имеется дескриптор страницы - структура page, в котором содержится информация о том, свободна или занята страница, загружена ли в нее в данный момент виртуальная страница, модифицировано ли ее содержимое, сколько процессов хотят сохранить эту страницу в памяти и другая информация. В каждый момент времени дескриптор физической страницы может состоять в одном из следующих списков:


  • Список хэшированных виртуальных дескрипторов файла. 

  • Список свободных страниц.

  • Список страниц, образующих кэш страниц.

 


4 Система ввода-вывода


Основу системы ввода-вывода ОС UNIX составляют драйверы внешних устройств и средства буферизации данных. ОС UNIX использует два различных интерфейса с внешними устройствами: байт-ориентированный и блок-ориентированный.
Драйверы

Драйвер - это совокупность программ (секций), предназначенная для управления передачей данных между внешним устройством и оперативной памятью.

Связь ядра системы с драйверами (рисунок 5.15) обеспечивается с помощью двух системных таблиц:



  • bdevsw - таблица блок-ориентированных устройств и

  • cdevsw - таблица байт-ориентированных устройств.

Для связи используется следующая информация из индексных дескрипторов специальных файлов:

  • класс устройства (байт-ориентированное или блок-ориентированное),

  • тип устройства (лента, гибкий диск, жесткий диск, устройство печати, дисплей, канал связи и т.д.)

  • номер устройства.

Класс устройства определяет выбор таблицы bdevsw или cdevsw. Эти таблицы содержат адреса программных секций драйверов, причем одна строка таблицы соответствует одному драйверу. Тип устройства определяет выбор драйвера. Типы устройств пронумерованы, т.е. тип определяет номер строки выбранной таблицы. Номер устройства передается драйверу в качестве параметра, так как в ОС UNIX драйверы спроектированы в расчете на обслуживание нескольких устройств одного типа.

Такая организация логической связи между ядром и драйверами позволяет легко настраивать систему на новую конфигурацию внешних устройств путем модификации таблиц bdevsw и cdevsw.

После запуска устройства управление возвращается процессу, выдавшему запрос к драйверу.

Об окончании ввода-вывода каждого блока устройство оповещает операционную систему сигналом прерывания. Первое слово вектора прерываний данного устройства содержит адрес секции драйвера - модуля обработки прерываний rkintr. Модуль обработки прерываний проводит анализ правильности выполнения ввода-вывода. Если зафиксирована ошибка, то несколько раз повторяется запуск этой же операции, после чего драйвер переходит к вводу-выводу следующего блока данных из очереди к устройству.

Анализ отладочной информации

Когда Linux запускается впервые, он выдает много сообщений на экран, которые вы можете не успеть просмотреть. Linux содержит специальный команду dmesg для последующего просмотра сообщений ядра (можно также воспользоваться клавишами Ctrl+PgUp, Ctrl+PgDown для просмотра предыдущих экранов).

При загрузке выводятся сообщения ядра ОС LINUX. ( тип ваших видеокарты и монитора, Драйвер, драйвер параллельных портов, характристика памяти, жестких дисков и.т.д.). В заключении монтируется файцловая  система (Mounting remote filesystem) Эта строку выдает служба сетевой файловой системы при монтировании сетевой файловой системы

    Вопросы



  1. Контроль процессов на рабочей станции

  2. Почему на рабочей станции может быть установлены несколько операционных систем

  3. Чем отличается многозадачная система от однозадачной

  4. Чем отличается невытесняющая операционная система от вытесняющей

  5. Как проверить состояния загруженных приложений

  6. Что такое "демоны"

  7. Охарактризовать   процесс загрузки OC UNIX.

  8. Просмотреть список всех сервисов

  9. Просмотреть список всех процессов

  10. Определить по отладочной информации какие апаратные устройства обнаружены.

  11. Что такое сервис (демон) ОС? Привести пример.

  12. Определить по отладочной информации какие запущены демоны.

Используемая литеpатуpа:


1. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сетию -С-т Пб.:Питер, -2001. - 672 с.
2. Челиз Д, Перкинс Ч., Стриб М. Основы построения сетей. Учебное руководство для специалистов MCSE. Microsoft Press.- M: Лорри, -1997. - 310 с.


База данных защищена авторским правом ©infoeto.ru 2016
обратиться к администрации
Как написать курсовую работу | Как написать хороший реферат
    Главная страница