Проектирование гипотетической операционной системы

{

если (канал не открыт на запись)

{

печать ("Не удалось создать канал! \ n");

вернуть -1;

}

иначе

вернуть 0;

}

j + +;

}

иначе

{

печать ("Процесс, который записывает данные не найден!")

вернуть -1;

}

i + +;

}

вернуть 0;

}

Рисунок 2.3 - Алгоритм создания неименованного канала

 

Алгоритм открытия именованного канала идентичен алгоритму открытия обычного файла. Однако перед выходом из функции ядро увеличивает значения тех счетчиков в индексе, которые показывают количество процессов, открывших поименованный канал для чтения или записи. Процесс, открывающий поименованный канал для чтения, приостановит свое выполнение до тех пор, пока другой процесс не откроет именованный канал для записи, и наоборот. В зависимости от того, открывает процесс именованный канал для записи или для чтения, ядро возобновляет выполнение процессов, которые были приостановлены в ожидании процесса, записывающего в именованный канал или считывающего данные из канала (соответственно).

Все системные функции для работы процессов с каналами описаны в таблице 2.2.

 

2.6.2 Память распределяемая

 

Распределяемая память — это наиболее быстрое средство межпроцессных взаимодействий. После отображения области памяти в адресное пространство процессов, которые совместно ее используют, для передачи данных между процессами больше не требуется участие ядра. Информация, передаваемая между процессами, должна пройти через ядро. Распределяемая память дает возможность обойти этот недостаток, поскольку его использование позволяет двум процессам обмениваться данными через общую область памяти. Процессы должны синхронизировать и координировать свои действия. Для этого используется описанный выше метод (каналы, именованные каналы). Синхронизация с использованием каналов необходима, так как использование ресурса памяти распределяется практически аналогично использованию файлового ресурса, где временное блокирования доступа позволяет избежать потери данных.

 

2.7 Свопинг процессов

 

Свопинг процессов — вытеснение готового к исполнению процесса из оперативной памяти во внешнюю. При этом оперативная память, заполненная процессом, полностью освобождается.

Свопинг процессов может использоваться как средство реализации абсолютных приоритетов при отсутствии виртуальной памяти, либо инициироваться операцией на внешнем устройстве, требующей значительных временных затрат.

В любой момент времени данные структур рrос для всех процессов должны присутствовать в памяти, хотя остальные структуры данных, включая образ процесса, могут быть перемещены во вторичную память, — область свопинга.

Это позволяет ядру иметь под рукой минимальную информацию, необходимую для определения местонахождения остальных данных, относящихся к процессу, даже если они отсутствуют в памяти.

Структура ргос является записью системной таблицы процессов, которая, как мы только что заметили, всегда находится в оперативной памяти. Запись этой таблицы для выполняющегося в настоящий момент времени процесса адресуется системной переменной curproc.

Каждый раз при переключении контекста, когда ресурсы процессора передаются другому процессу, соответственно изменяется значение переменной curproc, которая теперь указывает на структуру ргос активного процесса.

Имея дело с пакетными системами, можно обходиться фиксированными разделами и не использовать ничего более сложного. В системах с разделением времени возможна ситуация, когда память не в состоянии содержать все пользовательские процессы. Приходится прибегать к свопингу (swapping) – перемещению процессов из главной памяти на диск и обратно целиком.

Выгруженный процесс может быть возвращен в то же самое адресное пространство или в другое. Это ограничение диктуется методом связывания. Для схемы связывания на этапе выполнения можно загрузить процесс в другое место памяти.

Свопинг не имеет непосредственного отношения к управлению памятью, скорее он связан с подсистемой планирования процессов. Очевидно, что свопинг увеличивает время переключения контекста. Время выгрузки может быть сокращено за счет организации специально отведенного пространства на диске (раздел для свопинга). Обмен с диском при этом осуществляется блоками большего размера, то есть быстрее, чем через стандартную файловую систему.

 

 

2.7.1 Схема с переменными разделами

 

Организация памяти в виде фиксированных разделов проста и эффективна для работы с пакетными системами. Каждое задание после того, как доходит до начала очереди, загружается в раздел памяти и остается там до своего завершения. До тех пор пока в памяти может храниться достаточное количество задач для обеспечения постоянной занятости центрального процессора, нет причин что-либо усложнять.

Но совершенно другая ситуация сложилась с системами разделения времени или персональными компьютерами, ориентированными на работу с графикой. Оперативной памяти иногда оказывается недостаточно для того, чтобы вместить все текущие активные процессы, и тогда избыток процессов приходится хранить на диске, а для обработки динамически переносить их в память.

Существуют два основных подхода к управлению памятью, зависящие (отчасти) от доступного аппаратного обеспечения. Самая простая стратегия, называемая свопингом (swapping) или обычной подкачкой, заключается в том, что каждый процесс полностью переносится в память, работает некоторое время и затем целиком возвращается на диск.

В принципе, система свопинга может базироваться на фиксированных разделах. Более эффективной, однако, представляется схема динамического распределения или схема с переменными разделами, которая может использоваться и в тех случаях, когда все процессы целиком помещаются в памяти, то есть в отсутствие свопинга. В этом случае вначале вся память свободна и не разделена заранее на разделы. Вновь поступающей задаче выделяется строго необходимое количество памяти, не более. После выгрузки процесса память временно освобождается. По истечении некоторого времени память представляет собой переменное число разделов разного размера (рисунок 2.4). Смежные свободные участки могут быть объединены.

Рисунок 2.4 - Динамическое распределение. Свопинг

 

Основная разница между фиксированными разделами и непостоянными разделами заключается в том, что во втором случае количество, размещение и размер разделов изменяются динамически по мере поступления и завершения процессов, тогда как в первом варианте они фиксированы. Гибкость схемы, в которой нет ограничений, связанных с определенным количеством разделов, и каждый из разделов может быть очень большим или совсем маленьким, улучшает использование памяти, но, кроме того, усложняет операции размещения процессов и освобождения памяти, а также отслеживание происходящих изменений.

Когда в результате подкачки процессов с диска в памяти появляется множество неиспользованных фрагментов, их можно объединить в один большой участок, передвинув все процессы в сторону младших адресов настолько, насколько это возможно. Такая операция называется уплотнением или сжатием памяти. Обычно ее не выполняют, потому что на нее уходит много времени работы процессора. Например, на машине с 256 Мбайт оперативной памяти, которая может копировать 4 байта за 40 нс, уплотнение всей памяти займет около 2,7 с.

Еще один момент, на который стоит обратить внимание: сколько памяти должно быть предоставлено процессу, когда он создается или скачивается с диска? Если процесс имеет фиксированный никогда не изменяющийся размер, размещение происходит просто: операционная система предоставляет точно необходимое количество памяти, ни больше, ни меньше, чем нужно.

Однако если область данных процесса может расти, например, в результате динамического распределения памяти из кучи, как происходит во многих языках программирования, проблема предоставления памяти возникает каждый раз, когда процесс пытается увеличиться. Когда участок неиспользованной памяти расположен рядом с процессом, его можно отдать в пользу процесса, таким образом, позволив процессу вырасти на размер этого участка. Если же процесс соседствует с другим процессом, для его увеличения нужно или переместить достаточно большой свободный участок памяти, или перекачать на диск один или больше процессов, чтобы создать незанятый фрагмент достаточного размера. Если процесс не может расти в памяти, а область на диске, предоставленная для подкачки, переполнена, процесс будет вынужден ждать освобождения памяти или же будет уничтожен.

Если предположить, что большинство процессов будут увеличиваться во время работы, вероятно, сразу стоит предоставлять им немного больше памяти, чем требуется, а всякий раз, когда процесс скачивается на диск или перемещается в памяти, обрабатывать служебные данные, связанные с перемещением или подкачкой процессов, больше не умещающихся в предоставленной им памяти. Но когда процесс выгружается на диск, должна скачиваться только действительно используемая часть памяти, так как очень расточительно также перемещать и дополнительную память. На рисунке 2.5 а можно увидеть конфигурацию памяти с предоставлением пространства для роста двух процессов.

Если процесс может иметь два увеличивающихся сегмента, например сегмент данных, используемый как куча для динамически назначаемых и освобождаемых переменных, и сегмент стека для обычных локальных переменных и возвращаемых адресов, предлагается альтернативная схема распределения памяти (рисунок 2.5 б). Здесь мы видим, что у каждого процесса вверху предоставленной ему области памяти находится стек, который расширяется вниз, и сегмент данных, расположенный отдельно от текста программы, который увеличивается вверх. Область памяти между ними разрешено использовать для любого сегмента. Если ее становится недостаточно, то процесс нужно или перенести на другое, большее свободное место, или выгрузить на диск до появления свободного пространства необходимого размера, или уничтожить.

Рисунок 2.5 - Предоставление пространства для роста области данных (а); предоставление пространства для роста стека и области данных (б)

 

2.7.2 Рекомендации по размещению файла подкачки

 

Одним из способов выделения места для swap-файла (раздела) является кратное выделение памяти, когда объём этого файла равен объёму оперативной памяти, умноженному на константу от 0,5 до 2 или 3.

Если на компьютере имеется более одного жёсткого диска, то для более быстрого обращения к файлу подкачки его желательно разместить на наименее нагруженном запросами чтения/записи физическом диске. Хорошим выбором будет физический файл подкачки на диске, который имеет наибольшую скорость чтения/записи.

 

 

3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПРОЕКТИРУЕМОЙ  ОС

 

3.1 Мультипрограммный режим  работы ОС

 

Суть мультипрограммного режима работы заключается в том, что пока одна программа (один вычислительный процесс, как мы теперь говорим) ожидает завершения очередной операции ввода-вывода, другая программа (а точнее, другая задача) может быть поставлена на решение (рисунок 3.1). Это позволяет более полно использовать имеющиеся ресурсы (например, центральный процессор начинает меньше простаивать, как это видно из рисунка) и уменьшить общее (суммарное) время, необходимое для решения некоторого множества задач.

Рисунок 3.1 Пример выполнения двух программ

 

На рисунке в качестве примера изображена такая гипотетическая ситуация, при которой благодаря совмещению во времени двух вычислительных процессов общее время их выполнения получается меньше, чем если бы их выполняя и по очереди (запуск одного начинался бы только после полного завершения другого). Из этого же рисунка видно, что время выполнения каждого процесса в общем случае больше, чем если бы мы выполняли каждый из них как единственный. При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем если бы ОН ВЫПОЛНЯЛСЯ в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса).

Операционная система может поддерживать мультипрограммирование. В этом случае она должна стараться эффективно использовать имеющиеся ресурсы путем организации к ним очередей запросов, составляемых тем или иным способом. Это требование достигается поддерживанием в памяти более одного вычислительного процесса, ожидающего процессор, и более одного процесса, готового использовать другие ресурсы, как только последние станут доступными.

 

3.2 Многопользовательская  защита ОС

 

Многопользовательская защита — средства ОС, обеспечивающие идентификацию пользователей и различные уровни их привилегий, а также установку и защиту прав собственности на информационные ресурсы, создаваемые в среде ОС. Надежная защита возможна только при наличии специальных аппаратных средств, обеспечивающих защиту оперативной памяти и различные режимы работы процессора. Чтобы начать работать, пользователь должен "войти" в систему, введя свое учетное имя и, возможно, пароль. Пользователь, зарегистрированный в учетных файлах системы и, следовательно, имеющий учетное имя, называется зарегистрированным пользователем системы.

Регистрацию новых пользователей выполняет администратор системы. Пользователь не может изменить свое учетное имя. Пароли хранятся в отдельном файле в закодированном виде. Если пользователь забыл пароль, то он уже не сможет войти систему, так как его пароль не знает даже администратор. Также актуальна проблема авторизации доступа различных пользователей к файлам файловой системы. Под авторизацией доступа понимаются действия системы, которые допускают или не допускают доступ данного пользователя к данному файлу в зависимости от прав доступа пользователя и ограничений доступа, установленных для файла.