Вопрос №26. Понятие операционной системы и цели ее работы

Операционная система (ОС, в англоязычном варианте - operating system) – базовое системное программное обеспечение, управляющее работой компьютера и являющееся посредником (интерфейсом) между аппаратурой (hardware), прикладным программным обеспечением (application software) и пользователем компьютера (user). Фактически операционная система с точки зрения пользователя– это как бы продолжение аппаратуры, надстройка над ней, обеспечивающая более удобное, надежное и безопасное использование компьютеров и компьютерных сетей.

Основные цели работы операционной системы следующие.

1. Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности выполнения пользовательских программ. Для пользователя самое главное – чтобы его программа работала, вела себя предсказуемо, выдавала необходимые ему правильные результаты, не давала сбоев, не подвергалась внешним атакам. Вычислительную среду для такого выполнения программ и обеспечивает операционная система.
2. Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности использования компьютера. Операционная система обеспечивает максимальную полезность и эффективность использования компьютера и его ресурсов, обрабатывает прерывания, защищает компьютер от сбоев, отказов и хакерских атак. Эта деятельность ОС может быть не столь заметной для пользователя, но она осуществляется постоянно.
3. Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности использования сетевых, дисковых и других внешних устройств, подключенных к компьютеру. Особая функция операционной системы, без которой невозможно использовать компьютер, - это работа с внешними устройствами. Например, ОС обрабатывает любое обращение к жесткому диску, обеспечивая работу соответствующего драйвера (низкоуровневой программы для обмена информацией с диском) и контроллера (специализированного процессора, выполняющего команды ввода-вывода с диском). Любая "флэшка", вставленная в USB-слот компьютера, распознается операционной системой, получает свое логическое имя (в системе Windows – в виде буквы, например, G) и становится частью файловой системы компьютера на все время, пока она не будет извлечена (демонтирована).
4. Подчеркнем особую важность среди функций современных ОС обеспечения безопасности, надежности и защиты данных. Следует учитывать, что компьютер и операционная система работают в сетевом окружении, в котором постоянно возможны и фактически происходят атаки хакеров и их программ, ставящие своей целью нарушение работы компьютера, "взлом" конфиденциальных данных пользователя, хранящихся на нем, похищение логинов, паролей, использование компьютера как "робота" для рассылки реклам или вирусов и др.

Вопрос №27. Основные компоненты ОС

Операционная система – весьма сложная по архитектуре программная система, в которой можно выделить следующие основные компоненты:

1. Управление процессами
2. Управление основной памятью
3. Управление файлами
4. Управление системой ввода-вывода
5. Управление внешней памятью
6. Поддержка сетей (networking)
7. Система защиты (protection)
8. Система поддержки командного интерпретатора.
9. Графическая оболочка.

Рассмотрим эти компоненты подробнее.

Управление процессами. Процесс – это программа пользователя в ходе ее выполнения в компьютерной системе. ОС управляет работой процессов, их распределением по процессорам и ядрам системы, порядком их выполнения и размещения в памяти, их синхронизацией при параллельном решении частей одной и той же задачи разными процессами.

Управление основной памятью. Основная (оперативная) память может рассматриваться как большой массив. Операционная система распределяет ресурсы памяти между процессами, выделяет память по запросу, освобождает ее при явном запросе или по окончании процесса, хранит списки занятой и свободной памяти в системе.

Управление файлами. Файл – это логическая единица размещения информации на внешнем устройстве, например, на диске. ОС организует работу пользовательских программ с файлами, создает файлы, выполняет их открытие и закрытие и операции над ними (чтение и запись), хранит ссылки на файлы в директориях (папках) и обеспечивает их поиск по символьным именам.

Управление системой ввода-вывода. Как уже отмечалось, в компьютерной системе имеется большое число внешних устройств (принтеры, сканеры, устройства управления компакт-дисками и др.), управляемых специальными контроллерами (спецпроцессорами) и драйверами – низкоуровневыми программами управления устройствами, выполняемыми в привилегированном режиме. ОС управляет всеми этими аппаратными и программными компонентами, обеспечивая надежность работы внешних устройств, эффективность их использования, диагностику и реконфигурацию в случае их сбоев и отказов. Для этого ОС хранит и использует таблицу состояния.

Управление внешней памятью. Как уже говорилось, внешняя (вторичная) память – это расширение оперативной памяти процессора более медленными, но более емкими и постоянно хранящими информацию видами памяти (диски, ленты и др.). При управлении внешней памятью ОС решает задачи, аналогичные задачам управления основной памятью, - выделение памяти по запросу, освобождение памяти, хранение списков свободной и занятой памяти и др. ОС поддерживает также использование ассоциативной памяти (кэш-памяти) для оптимизации обращения ко внешней памяти.

Поддержка сетей. Как неоднократно подчеркивалось, любая современная компьютерная система постоянно или временно находится в различных локальных и глобальных сетях. Операционная система обеспечивает использование сетевого оборудования (сетевых карт, или адаптеров), вызов соответствующих драйверов, поддержку удаленного взаимодействия с файловыми системами, находящимися на компьютерах сети, удаленный вход на другие компьютеры сети и использование их вычислительных ресурсов, отправку и получение сообщений по сети, защиту от сетевых атак.

Система защиты.. При работе ОС должны быть обеспечены надежность и безопасность, т.е. защита от внешних атак, конфиденциальность личной и корпоративной информации, диагностика и исправления ошибок и неисправностей и др. ОС обеспечивает защиту компонент компьютерной системы, данных и программ, поддерживает фильтрацию сетевых пакетов, обнаружение и предотвращение внешних атак, хранит информацию обо всех действиях над системными структурами, полезную для анализа атак и борьбы с ними.

Система поддержки командного интерпретатора. Любая операционная система поддерживает командный язык (или набор командных языков), состоящих из пользовательских команд, выполняемых с пользовательского терминала (из пользовательской консоли). Типичные команды – это получение информации об окружении, установка и смена текущей рабочей директории, пересылка файлов, компиляция и выполнение программ, получение информации о состоянии системы и выполнении своих процессов и др. В системе Windows для выполнения команд по традиции используется окно пользовательской консоли MS DOS (MS DOS Prompt), в системе Linux – специальное окно "Терминал" (Start / System Tools / Terminal). Наиболее мощные командные процессоры имеются в системах типа UNIX (UNIX, Solaris, Linux и др.). Их командные языки позволяют писать скрипты – командные файлы, содержащие часто используемые последовательности команд ОС. В UNIX это наиболее удобно. Можно назвать такие командные языки UNIX, как sh (Bourne Shell), csh (C shell), ksh (Korn shell), bash. Каждый UNIX-программист имеет свой излюбленный командный язык и привыкает постоянно использовать скрипты и длинные нетривиальные последовательности команд, которые он выполняет с терминала. Что касается Windows, сравнительно недавно в ней появился мощный командный интерпретатор PowerShell,который и рекомендуется к использованию. Кроме того, для Windows имеется система CygWin,позволяющая выполнять команды и командные файлы UNIX в среде Windows. Типичная последовательность команд в стиле UNIX: ps –a | grep saf, которая выводит в стандартный вывод информацию об активных процессах, причем только принадлежащих пользователю saf. Вертикальная черта (p1 | p2) обозначает операцию конвейер (pipe),позволяющую использовать стандартный вывод процесса p1 как стандартный ввод процесса p2, что и используется операцией grep (фильтрация строк, содержащих заданную последовательность).

Графическая оболочка – подсистема ОС, реализующая графический пользовательский интерфейс пользователей и системных администраторов с операционной системой. Разумеется, использование одного лишь командного языка и системных вызовов неудобно, поэтому простой и наглядный графический пользовательский интерфейс с ОС необходим.

Вопрос №28 Функции ОС по управлению оперативной памятью

Основную (оперативную) память компьютерной системы можно рассматривать как большой массив слов или байтов, каждый из которых имеет свой адрес. Память - это хранилище данных с быстрым доступом, совместно используемое процессором и устройствами ввода-вывода.

Следует иметь в виду важную особенность основной памяти. В компьютерных архитектурах имеется два различных способа нумерации байтов в слове. По традиции будем представлять себе память как линейный массив, расположенный "слева направо", такой, что адреса слов, находящихся левее, меньше, чем адреса слов, находящихся правее. Каждое слово делится на байты, имеющие в слове свои номера – 0, 1 и т.д.. Например, в 64-разрядных системах в слове 8 байтов, с номерами от 0 до 7, в более старых 16-разрядных (x86) – два байта, с номерами 0 и 1. Если нумерация байтов в слове начинается слева, т.е. начиная со старших битов, то такую архитектуру принято называть big endian, если же справа, т.е. начиная с младших битов, то little endian. Например, при big endian – архитектуре 32-разрядного процессора байты двух соседних слов памяти нумеруются так: 0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3. При little endian же архитектуре нумерация будет иной: 3, 2, 1, 0, 3, 2, 1, 0. Представим теперь, что мы хотим рассматривать эти же два слова как массив байтов длиной 8 и записать туда байт за байтом символы строки: "ЭТОТЕКСТ" (всего – 8 символов). Такая операция при обеих архитектурах будет выполнена одинаково, т.е. последовательные байты получат именно эти значения. Затем рассмотрим результат снова, но уже как последовательность их двух слов. Каково будет содержимое этих слов? При big endian – архитектуре сюрпризов не будет: первое слово – " ЭТОТ", второе "ЕКСТ". Однако при little endian – архитектуре результат будет совсем иным: первое слово – "ТОТЭ", второе – " ТСКЕ"! Не забудем, что при обработке целого слова в little endian – архитектуре байты как бы "переставляются" в обратном порядке. Разумеется, это неудобно. С подобной проблемой автор столкнулся при переносе написанного им компилятора с архитектуры SPARC (big endian) на архитектуру Intel x86 (little endian), используя типы byte и word на Турбо-Паскале. Подобная операция типична для системных программ, например, таблица идентификаторов в компиляторе должна содержать как символы идентификатора (последовательность байтов), так и другую информацию о нем (длину, ссылки в различные таблицы и т.д.). Поэтому при little endian – архитектуре приходится хранить и обрабатывать байтовые массивы и массивы слов отдельно, и нельзя изменять точку зрения на одну и ту же область памяти и рассматривать ее то как массив байтов, то как массив слов.

Пример little endian – архитектуры – x86. Пример big endian – архитектуры – SPARC. При программировании на языках высокого уровня разработчику, как правило, не приходится учитывать это различие. Однако если при реализации распределения памяти требуется одну и ту же область памяти рассматривать то как массив слов, то как массив байтов, то для little endian – архитектур могут быть "сюрпризы", связанные с тем, что при записи в память как в массив слов байты как бы переставляются.

Основная память – это неустойчивое (volatile) устройство памяти. Ее содержимое теряется при сбое системы или при выключении питания. Для организации устойчивой памяти используются другие, более медленные технологии.

ОС отвечает за следующие действия, связанные с управлением памятью:

• Отслеживание того, какие части памяти в данный момент используются и какими процессами. Как правило, ОС организует для каждого процесса свою виртуальную память – расширение основной памяти путем хранения ее образа на диске и организации подкачки в основную память фрагментов (страниц или сегментов) виртуальной памяти процесса и ее откачки по мере необходимости.
• Стратегия загрузки процессов в основную память, по мере ее освобождения. При активизации процесса и его запуске или продолжении его выполнения процесс должен быть загружен в основную память, что и осуществляется операционной системой. При этом, возможно, какие-либо не активные в данный момент процессы приходится откачивать на диск.
• Выделение и освобождение памяти по мере необходимости. ОС обслуживает запросы вида "выделить область основной памяти длиной n байтов" и "освободить область памяти, начинающуюся с заданного адреса, длиной m байтов". Длина участков выделяемой и освобождаемой памяти может быть различной. ОС хранит список занятой и свободной памяти. При интенсивном использовании памяти может возникнуть ее фрагментация – дробление на мелкие свободные части, вследствие того, что при запросах на выделение памяти длина найденного сегмента оказывается немного больше, чем требуется, и остаток сохраняется в списке свободной памяти как область небольшого размера (подчас всего 1 – 2 слова). В курсе рассмотрены различные стратегии управления памятью и борьбы с фрагментацией. При исчерпании основной памяти ОС выполняет сборку мусора – поиск не используемых фрагментов, на которые потеряны ссылки, и уплотнение (компактировку) памяти – сдвиг всех используемых фрагментов по меньшим адресам, с корректировкой всех адресов.

Вопрос №29 Функции ОС по управлению файлами

Файл (file) – совокупность логически взаимосвязанной информации, расположенная во внешней памяти. Как правило, файлы представляют программы (в виде исходного текста или в двоичной форме) или данные.

Другой термин, использованный для обозначения файлов фирмой IBM в ее операционной системе – IBM 360/370, - набор данных (data set).

ОС отвечает за следующие действия, связанные с управлением файлами.

Создание и удаление файлов. Отображение файлов на внешнюю память. ОС выделяет внешнюю память при создании нового файла. Файл в большинстве файловых систем состоит из заголовка и памяти. В заголовке хранятся атрибуты файла, например, его длина, тип, ссылка на элементы файла во внешней памяти. Память файла может быть организована по-разному – как список смежных областей (блоков или записей), одна смежная область, список индексных узлов, ссылающихся на блоки файла и т.д. В курсе подробно рассмотрены некоторые файловые системы. Кроме создания и удаления файла, основные операции над ним – открытие и закрытие. Открытие файла – это считывание в основную память его заголовка и, возможно, одного или нескольких соседних блоков. Оно должно быть выполнено перед выполнением операций чтения из файла или записи в файл. Закрытие файла – это обратная операция: сброс всех копий блоков на внешнюю память и освобождение областей основной памяти, занятых открытым файлом. ОС закрывает файлы процесса при его завершении, если процесс не сделал этого явно (последнее рекомендуется). При отображении файлов на внешнюю память возникают проблемы, аналогичные проблемам распределения основной памяти, - фрагментация, возможность исчерпания внешней памяти или ее раздела (partition) – смежной области внешней памяти, имеющей определенное символьное обозначение.

Создание и удаление директорий. Поддержка примитивов (пользовательских команд и библиотечных вызовов) для управления файлами и директориями. Директория (directory) – это каталог (справочник) ссылок на группу файлов или других директорий, каждый (каждая) из которых имеет в данной директории свое уникальное символьное имя. Иерархия директорий позволяет организовать поиск файла по его символьному пути (path), например, в Windows: c:\doc\plan.txt – текстовый документ, содержащий план моих текущих действий, ссылка на который находится на диске C:, в директории doc. ОС управляет созданием и удалением директорий и поиском в них файлов по их путям. Следует иметь в виду, что на файл возможно несколько ссылок из разных директорий (хотя это и не рекомендуется), так что удаление элемента директории не означает и удаления файла – сам файл сохраняется, пока на него есть хотя бы одна ссылка. Более того, в некоторых файловых системах (например, FAT в Windows) ошибочно удаленный файл можно восстановить, хотя и под другим именем. В других же файловых системах (например, в UNIX, где используются индексные блоки, хранящие адреса блоков файла) удаление файла – фатальная операция, от ошибок в которой может спасти только вовремя сделанная резервная копия файловой системы на диске или флэшке.

Сброс, или резервное копирование (backup) файлов на устойчивые носители (флэш-память, компакт-диск, ленточный стример и др.), с целью их последующего восстановления при сбое или при ошибке пользователя. Значение резервного копирования для пользователей ОС трудно переоценить. Все наиболее важные документы, директории, файловые системы должны регулярно копироваться на внешнюю память (желательно делать не одну, а несколько копий на разные носители). Это должно стать непреложным правилом для каждого пользователя. Трудно даже вспомнить, сколько раз автору приходилось выслушивать сетования и жалобы студентов, аспирантов, сотрудников на то, что у них в самый ответственный момент "полетел винчестер", из-за чего они не могут показать свою программу или отчет. Рецепт очень простой: необходимо регулярно копировать важную информацию на устойчивые носители. Если Вы работаете в локальной сети фирмы, исследовательской лаборатории и т.д., то в ней должен быть системный администратор, который должен заботиться о регулярном резервном копировании всех важных файловых систем. Возможности ОС позволяют выполнять такое копирование автоматически, в определенное время, - например, ночью, когда в офисе никого нет, но компьютеры локальной сети работают.

В некоторых ОС реализованы файловые системы с криптованием данных при записи в файл (например, система ZFS в Solaris). Такой подход позволяет решить проблему сохранения конфиденциальности информации (privacy).

Вопрос №30 Функции ОС по управлению внешней памятью и распределёнными системами.

Поскольку размер основной памяти недостаточен для постоянного хранения всех программ и данных, в компьютерной системе должна быть предусмотрена вторичная (внешняя) память для откачки (back up, swapping) части содержимого основной памяти.

В большинстве компьютерных систем в качестве главной вторичной памяти для хранения программ и данных используются диски.

ОС отвечает за выполнение следующих действий, связанных с управлением дисками:

• Управление свободной дисковой памятью;
• Выделение дисковой памяти;
• Диспетчеризация дисков (disk scheduling).

При управлении вторичной памятью возникают проблемы, аналогичные проблемам распределения основной памяти. Всякая память, даже самая большая по объему, рано или поздно может исчерпаться, либо фрагментироваться на множество мелких областей свободной памяти. О методах управления основной и внешней памятью речь пойдет подробно ниже в специальных разделах курса.

Управление сетевыми (распределенными) системами. Распределенная система – это совокупность процессоров, которые не используют общую память или часы (такты процессора). Каждый процессор имеет собственную локальную память. Процессоры в такой системе соединены в сеть. Сетевое взаимодействие выполняется по определенному протоколу (интерфейсу, набору операций). Наиболее распространенный сетевой протокол – TCP/IP, основанный на IP-адресах машин (hosts); например, 190.100.125.1.

В распределенной системе ОС обеспечивает доступ пользователей к различным общим сетевым ресурсам – например, файловым системам или принтерам. Каждому общему ресурсу ОС присваивает определенное сетевое имя и управляет возможностью доступа к нему с различных компьютеров сети. ОС обеспечивает также удаленный запуск программ на другом компьютере сети – возможность входа на другой компьютер и работы на нем, с использованием памяти, процессора и диска удаленной, как правило, более мощной машины, и использованием клиентского компьютера в качестве терминала. В Windows такая возможность называется удаленный рабочий стол (remote desktop connection), в UNIX, LINUX, Solaris – rsh (remote shell) и rlogin (remote login).

Доступ к общим ресурсам (shared resource) в распределенной системе позволяет:

• Ускорить вычисления;
• Расширить границы доступа к данным;
• Обеспечить более высокую надежность.