Эволюция операционных систем. Поколения операционных систем.

Первый период (1945 -1955)

В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства. В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. Не было никакого другого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм.

Второй период (1955 - 1965)

С середины 50-х годов начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Именно в этот период произошло разделение персонала на программистов и операторов, эксплуатационщиков и разработчиков вычислительных машин.

В эти годы появились первые алгоритмические языки, а, следовательно, и первые системные программы - компиляторы. Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий.

Третий период (1965 - 1980)

Следующий важный период развития вычислительных машин относится к 1965-1980 годам. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что дало гораздо большие возможности новому, третьему поколению компьютеров.

Для этого периода характерно также создание семейства программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Построенное в начале 60-х годов это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность. Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были бы работать и на больших, и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными "монстрами". Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. В каждой новой версии операционной системы исправлялись одни ошибки и вносились другие.

Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей. Важнейшим достижением ОС данного поколения явилась реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом.

Другое нововведение - спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел.

Наряду с мультипрограммной реализацией систем пакетной обработки появился новый тип ОС - системы разделения времени. Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины.

Четвертый период (1980 - настоящее время)

Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса миникомпьютеров типа PDP-11, но вот цена у них существенно отличалась. Если миникомпьютер дал возможность иметь собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер сделал это возможным для отдельного человека.

Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения, это положило конец кастовости программистов.

На рынке операционных систем доминировали две системы: MS-DOS и UNIX. Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко использовалась для компьютеров, построенных на базе микропроцессоров Intel 8088, а затем 80286, 80386 и 80486. Мультипрограммная многопользовательская ОС UNIX доминировала в среде "не-интеловских" компьютеров, особенно построенных на базе высокопроизводительных RISC-процессоров.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.

В сетевых ОС пользователи должны быть осведомлены о наличии других компьютеров и должны делать логический вход в другой компьютер, чтобы воспользоваться его ресурсами, преимущественно файлами. Каждая машина в сети выполняет свою собственную локальную операционную систему, отличающуюся от ОС автономного компьютера наличием дополнительных средств, позволяющих компьютеру работать в сети. Сетевая ОС не имеет фундаментальных отличий от ОС однопроцессорного компьютера. Она обязательно содержит программную поддержку для сетевых интерфейсных устройств (драйвер сетевого адаптера), а также средства для удаленного входа в другие компьютеры сети и средства доступа к удаленным файлам, однако эти дополнения существенно не меняют структуру самой операционной системы.

Вопрос 12.1. Shell в ОС Unix (синтаксис команд shell, перенаправление потоков, каналы, спец. символы). Базовые команды shell. Определение ОС. Стратегии проектирования ОС. Основные задачи, решаемые ОС

Shell OC Unix (синтаксис команд shell, перенаправление потоков, каналы, специальные символы)

Как и в большинстве интерактивных систем, традиционный интерфейс с пользователем ОС UNIX основан на использовании командных языков. Такой язык называется командным, поскольку каждую строку, вводимую с терминала и отправляемую системе, можно рассматривать как команду пользователя по отношению к системе. Одним из достижений ОС UNIX является то, что командные языки этой операционной системы являются хорошо определенными и содержат много средств, приближающих их к языкам программирования.

Если рассматривать категорию командных языков с точки зрения общего направления языков взаимодействия человека с компьютером, то они, естественно, относятся к семейству интерпретируемых языков. Основным преимуществом интерпретируемых языков является то, что в случае их использования программа пишется "инкрементально" (в пошаговом режиме), т.е. человек принимает решение о своем следующем шаге в зависимости от реакции системы на предыдущий шаг. Особенностью командных языков является то, что в большинстве случаев они не используются для программирования в обычном смысле этого слова, хотя на развитом командном языке можно написать любую программу. По нашему мнению, правильным стилем использования командного языка является его применение в основном для непосредственного взаимодействия с системой с привлечением возможностей составления командных файлов (скриптов или сценариев в терминологии ОС UNIX) для экономии повторяющихся рутинных процедур.

Программы, предназначенные для обработки конструкций командных языков, называются командными интерпретаторами. В отличие от компилируемых языков программирования (таких, как Си или Паскаль), для каждого из которых обычно существует много различных компиляторов, командный язык, как правило, неразрывно связан с соответствующим интерпретатором. Когда ниже мы будем говорить о различных представителях командных языков ОС UNIX, относящихся к семейству shell, то каждый раз под одноименным названием мы будем подразумевать и соответствующий интерпретатор.

Основное назначение командных языков семейства shell (их разновидностей существует достаточно много, но мы рассмотрим только три наиболее распространенные варианта - Bourne-shell, C-shell и Korn-shell) состоит в том, чтобы предоставить пользователям удобные средства взаимодействия с системой. Они предназначены для того, чтобы дать пользователю возможность выполнять команды, предназначенные для исполнения некоторых действий операционной системы. Существует два вида команд.

Собственные команды shell (такие как cd, echo, exec и т.д.) выполняются непосредственно интерпретатором, т.е. их семантика встроена в соответствующий язык.

Внешние команды, имена которых на самом деле являются именами файлов, содержащих выполняемые программы. В случае вызова такой команды интерпретатор командного языка с использованием соответствующих системных вызовов запускает параллельный процесс, в котором выполняется нужная программа. Конечно, смысл действия подобных команд является достаточно условным, поскольку зависит от конкретного наполнения внешних файлов. Тем не менее, в описании каждого языка содержатся и характеристики "внешних команд" (например, find, grep, cc и т.д.).

Пример синтаксиса командной строки:

$: command option(s) argument(s)

command - это имя программы, которую вы хотите выполнить;
option - ключи, которые указывают как запустить команду;
argument - указывает на данные, которые эта команда обрабатывает, обычно это имя каталога или файла.

Существенным компонентом командного языка являются средства, позволяющие разнообразными способами комбинировать простые команды, образуя на их основе составные команды. В семействе языков shell возможны следующие средства комбинирования. В одной командной строке (важный термин, означающий единицу информационного взаимодействия с командным интерпретатором) можно указать список команд, которые должны выполняться последовательно, или список команд, которые должны выполняться "параллельно" (т.е. независимо одна от другой).

Очень важной особенностью семейства языков shell являются возможности перенаправления ввода/вывода и организации конвейеров команд. Естественно, эти возможности опираются на базовые средства ОС UNIX.

Для каждого пользовательского процесса (а внешние команды shell выполняются в рамках отдельных пользовательских процессов) предопределены три выделенных дескриптора файлов: файла стандартного ввода (standard input), файла стандартного вывода (standard output) и файла стандартного вывода сообщений об ошибках (standard error).

Хорошим стилем программирования в среде ОС UNIX является такой, при котором любая программа читает свои вводные данные из файла стандартного ввода, а выводит свои результаты и сообщения об ошибках в файлы стандартного вывода и стандартного вывода сообщений об ошибках соответственно. Поскольку любой порожденный процесс "наследует" все открытые файлы своего предка, то при программировании команды рекомендуется не задумываться об источнике вводной информации программы, а также конкретном ресурсе, поддерживающим вывод основных сообщений и сообщений об ошибках. Нужно просто пользоваться стандартными файлами, за конкретное определение которых отвечает процесс-предок (заметим, что по умолчанию все три файла соответствуют вводу и выводу на тот терминал, с которого работает пользователь).

Что обеспечивает такая дисциплина работы? Прежде всего возможность создания программ, "нейтральных" по отношению к источнику своих вводных данных и назначению своих выводных данных. Собственно, на этом и основаны принципы перенаправления ввода/вывода и организации конвейера команд. Все очень просто. Если вы пишете в командной строке конструкцию

com1 par1, par2,..., parn > file_name

то это означает, что для стандартного вывода команды com1 будет использоваться файл с именем file_name. Если вы пишете

file_name < com1 par1, par2,..., parn

то команда com1 будет использовать файл с именем file_name в качестве источника своего стандартного ввода. Если же вы пишете

com1 par1, par2,..., parn | com2 par1, par2,..., parm

то в качестве стандартного ввода команды com2 будет использоваться стандартный вывод команды com1. (Конечно, при организации такого рода "конвейеров" используются программные каналы)

(Немного о каналах: Каналы позволяют передавать данные между процессами в порядке поступления ("первым пришел - первым вышел"), а также синхронизировать выполнение процессов. Их использование дает процессам возможность взаимодействовать между собой, пусть даже не известно, какие процессы находятся на другом конце канала. Традиционная реализация каналов использует файловую систему для хранения данных. Различают два вида каналов: поименованные каналы и, за отсутствием лучшего термина, непоименованные каналы, которые идентичны между собой во всем, кроме способа первоначального обращения к ним процессов. Для поименованных каналов процессы используют системную функцию open, а системную функцию pipe - для создания непоименованного канала. Впоследствии, при работе с каналами процессы пользуются обычными системными функциями для файлов, такими как read, write и close. Только связанные между собой процессы, являющиеся потомками того процесса, который вызвал функцию pipe, могут разделять доступ к непоименованным каналам. Например, если процесс B создает канал и порождает процессы D и E, эти три процесса разделяют между собой доступ к каналу, в отличие от процессов A и C. Однако все процессы могут обращаться к поименованному каналу независимо от взаимоотношений между ними, при условии наличия обычных прав доступа к файлу. Поскольку непоименованные каналы встречаются чаще, они будут рассмотрены первыми).

Конвейер представляет собой простое, но исключительно мощное средство языков семейства shell, поскольку позволяет во время работы динамически создавать "комбинированные" команды. Например, указание в одной командной строке последовательности связанных конвейером команд

ls -l | sort -r

приведет к тому, что подробное содержимое текущего каталога будет отсортировано по именам файлов в обратном порядке и выдано на экран терминала. Если бы не было возможности комбинирования команд, то для достижения такой возможности потребовалось бы внедрение в программу ls возможностей сортировки.

Последнее, что нам следует обсудить в этом пункте, это существо команд семейства языков shell. Различаются три вида команд. Первая разновидность состоит из команд, встроенных в командный интерпретатор, т.е. составляющих часть его программного кода. Эти команды предопределены в командном языке, и их невозможно изменить без переделки интерпретатора. Команды второго вида - это выполняемые программы ОС UNIX. Обычно они пишутся на языке Си по определенным правилам. Такие команды включают стандартные утилиты ОС UNIX, состав которых может быть расширен любым пользователем (если, конечно, он еще способен программировать). Наконец, команды третьего вида (так называемые скрипты языка shell) пишутся на самом языке shell. Это то, что традиционно называлось командным файлом, поскольку на самом деле представляет собой отдельный файл, содержащий последовательность строк в синтаксисе командного языка.

Bourne-shell

Bourne-shell является наиболее распространенным командным языком (и одновременно командным интерпретатором) системы UNIX. Вот основные определения языка Bourne-shell (конечно, мы приводим неформальные определения, хотя язык обладает вполне формализованным синтаксисом):

· Пробел - это либо символ пробела, либо символ горизонтальной табуляции.

· Имя - это последовательность букв, цифр или символов подчеркивания, начинающаяся с буквы или подчеркивания.

· Параметр - имя, цифра или один из символов *, @, #,?, -, $,!.

· Простая команда - последовательность слов, разделенных пробелами. Первое слово простой команды - это ее имя, остальные слова - аргументы команды (имя команды считается ее нулевым аргументом - см. п. 5.2.1).

· Метасимволы. Аргументы команды (которые обычно задают имена файлов) могут содержать специальные символы (метасимволы) "*", "?", а также заключенные в квадратные скобки списки или указанные диапазоны символов. В этом случае заданное текстовое представление параметра называется шаблоном. Указание звездочки означает, что вместо указанного шаблона может использоваться любое имя, в котором звездочка заменена на произвольную текстовую строку. Задание в шаблоне вопросительного знака означает, что в соответствующей позиции может использоваться любой допустимый символ. Наконец, при использовании в шаблоне квадратных скобок для генерации имени используются все указанные в квадратных скобках символы. Команда применяется в цикле для всех осмысленных сгенерированных имен.

· Значение простой команды - это код ее завершения, если команда заканчивается нормально, либо 128 + код ошибки, если завершение команды не нормальное (все значения выдаются в текстовом виде).

· Команда - это либо простая команда, либо одна из управляющих конструкций (специальных встроенных в язык конструкций, предназначенных для организации сложных shell-программ).

· Командная строка - текстовая строка на языке shell.

· shell-процедура (shell-script) - файл с программой, написанной на языке shell.

· Конвейер - последовательность команд, разделенных символом "|". При выполнении конвейера стандартный вывод каждой команды конвейера, кроме последней, направляется на стандартный вход следующей команды. Интерпретатор shell ожидает завершения последней команды конвейера. Код завершения последней команды считается кодом завершения всего конвейера.

· Список - последовательность нескольких конвейеров, соединенных символами ";", "&", "&&", "||", и, может быть, заканчивающаяся символами ";" или "&". Разделитель между конвейерами ";" означает, что требуется последовательное выполнение конвейеров; "&" означает, что конвейеры могут выполняться параллельно. Использование в качестве разделителя символов "&&" (и "||") означает, что следующий конвейер будет выполняться только в том случае, если предыдущий конвейер завершился с кодом завершения "0" (т.е. абсолютно нормально). При организации списка символы ";" и "&" имеют одинаковые приоритеты, меньшие, чем у разделителей "&&" и "||".

· В любой точке программы может быть объявлена (и установлена) переменная с помощью конструкции "имя = значение" (все значения переменных - текстовые). Использование конструкций $имя или ${имя} приводит к подстановке текущего значения переменной в соответствующее слово.

· Предопределенными переменными Bourne-shell, среди прочих, являются следующие:

· HOME - полное имя домашнего каталога текущего пользователя;

· PATH - список имен каталогов, в которых производится поиск команды, при ее указании коротким именем;

· PS1 - основное приглашение shell ко вводу команды;

· и т.д.

· Вызов любой команды можно окружить одиночными кавычками (`), и тогда в соответствующую строку будет подставлен результат стандартного вывода этой команды.

· Среди управляющих конструкций языка содержатся следующие: for и while для организации циклов, if для организации ветвлений и case для организации переключателей (естественно, все это специфически приспособлено для работы с текстовыми значениями).

C-shell

Командный язык C-shell главным образом отличается от Bourne-shell тем, что его синтаксис приближен к синтаксису языка Си (это, конечно, не означает действительной близости языков). В основном, C-shell включает в себя функциональные возможности Bourne-shell. Если не вдаваться в детали, то реальными отличиями C-shell от Bourne-shell является поддержка протокола (файла истории) и псевдонимов. В протоколе сохраняются введенные в данном сеансе работы с интерпретатором командные строки. Размер протокола определяется установкой предопределенной переменной history, но последняя введенная командная строка сохраняется всегда. В любом месте текущей командной строки в нее может быть подставлена командная строка (или ее часть) из протокола. Механизм псевдонимов (alias) позволяет связать с именем полностью (или частично) определенную командную строку и в дальнейшем пользоваться этим именем. Кроме того, в C-shell по сравнению с Bourne-shell существенно расширен набор предопределенных переменных, а также введены более развитые возможности вычислений (по-прежнему, все значения представляются в текстовой форме).

Korn-shell

Если C-shell является синтаксической вариацией командного языка семейства shell по направлению к языку программирования Си, то Korn-shell - это непосредственный последователь Bourne-shell. Если не углубляться в синтаксические различия, то Korn-shell обеспечивает те же возможности, что и C-shell, включая использование протокола и псевдонимов. Реально, если не стремиться использовать командный язык как язык программирования (это возможно, но по мнению автора, неоправданно), то можно пользоваться любым вариантом командного языка, не ощущая их различий.