Шпаргалка по "Системное програмное обеспечение"

Синтаксический (грамматический) анализ. Последовательность лексем преобразуется в дерево разбора.

Семантический анализ. Дерево разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) — например, привязка идентификаторов к их декларациям, типам, проверка совместимости, определение типов выражений и т. д. Результат обычно называется «промежуточным представлением/кодом», и может быть дополненным деревом разбора, новым деревом, абстрактным набором команд или чем-то ещё, удобным для дальнейшей обработки.

Оптимизация. Выполняется удаление излишних конструкций и упрощение кода с сохранением его смысла. Оптимизация может быть на разных уровнях и этапах — например, над промежуточным кодом или над конечным машинным кодом.

Генерация кода. Из промежуточного представления порождается код на целевом языке.

В конкретных реализациях компиляторов эти этапы могут быть раздельны или совмещены в том или ином виде.

8. Понятие процесса в UNIX. Его контекст

Все построение операционной системы UNIX основано на использовании концепции процессов, которая обсуждалась на лекции. Контекст процесса складывается из пользовательского контекста и контекста ядра, как изображено на рисунке 3-4.1.

Под пользовательским контекстом процесса понимают код и данные, расположенные в адресном пространстве процесса. Все данные подразделяются на:

инициализируемые неизменяемые данные (например, константы);

инициализируемые изменяемые данные (все переменные, начальные значения которых присваиваются на этапе компиляции);

неинициализируемые изменяемые данные (все статические переменные, которым не присвоены начальные значения на этапе компиляции);

стек пользователя;

данные, расположенные в динамически выделяемой памяти (например, с помощью стандартных библиотечных C функций malloc(), calloc(), realloc()).

Исполняемый код и инициализируемые данные составляют содержимое файла программы, который исполняется в контексте процесса. Пользовательский стек применяется при работе процесса в пользовательском режиме (user-mode).

Рис. 3-4.1.  Контекст процесса в UNIX

Под понятием "контекст ядра" объединяются системный контекст и регистровый контекст, рассмотренные на лекции. Мы будем выделять в контексте ядра стек ядра, который используется при работе процесса в режиме ядра, и данные ядра, хранящиеся в структурах, являющихся аналогом блока управления процессом — PCB. Состав данных ядра будет уточняться на последующих семинарах. На этом занятии нам достаточно знать, что в данные ядра входят: идентификатор пользователя — UID, групповой идентификатор пользователя — GID, идентификатор процесса — PID, идентификатор родительского процесса — PPID.

Идентификация процесса

Каждый процесс в операционной системе получает уникальный идентификационный номер – PID (process identificator). При создании нового процесса операционная система пытается присвоить ему свободный номер больший, чем у процесса, созданного перед ним. Если таких свободных номеров не оказывается (например, мы достигли максимально возможного номера для процесса), то операционная система выбирает минимальный номер из всех свободных номеров. В операционной системе Linux присвоение идентификационных номеров процессов начинается с номера 0, который получает процесс kernel при старте операционной системы. Этот номер впоследствии не может быть присвоен никакому другому процессу. Максимально возможное значение для номера процесса в Linux на базе 32-разрядных процессоров Intel составляет 231-1.

9. Диаграмма состояний процесса

Модель состояний процессов в операционной системе UNIX представляет собой детализацию модели состояний, принятой в лекционном курсе. Краткая диаграмма состояний процессов в операционной системе UNIX изображена на рисунке 3-4.2.

Рис. 3-4.2.  Сокращенная диаграмма состояний процесса в UNIX

Как мы видим, состояние процесса исполнение расщепилось на два состояния: исполнение в режиме ядра и исполнение в режиме пользователя. В состоянии исполнение в режиме пользователя процесс выполняет прикладные инструкции пользователя. В состоянии исполнение в режиме ядра выполняются инструкции ядра операционной системы в контексте текущего процесса (например, при обработке системного вызова или прерывания). Из состояния исполнение в режиме пользователя процесс не может непосредственно перейти в состояния ожидание, готовность и закончил исполнение. Такие переходы возможны только через промежуточное состояние "исполняется в режиме ядра" . Также запрещен прямой переход из состояния готовность в состояние исполнение в режиме пользователя.

10. Взаимодействующие процессы

Для достижения поставленной цели различные процессы (возможно, даже принадлежащие разным пользователям) могут исполняться псевдопараллельно на одной вычислительной системе или параллельно на разных вычислительных системах, взаимодействуя между собой.

Для чего процессам нужно заниматься совместной деятельностью? Какие существуют причины для их кооперации?

•Повышение скорости работы. Пока один процесс ожидает наступления некоторого события (например, окончания операции ввода-вывода), другие могут заниматься полезной работой, направленной на решение общей задачи. В многопроцессорных вычислительных системах программа разбивается на отдельные кусочки, каждый из которых будет исполняться на своем процессоре.

•Совместное использование данных. Различные процессы могут, к примеру, работать с одной и той же динамической базой данных или с разделяемым файлом, совместно изменяя их содержимое.

•Модульная конструкция какой-либо системы. Типичным примером может служить микроядерный способ построения операционной системы, когда различные ее части представляют собой отдельные процессы, взаимодействующие путем передачи сообщений через микроядро.

•Наконец, это может быть необходимо просто для удобства работы пользователя, желающего, например, редактировать и отлаживать программу одновременно. В этой ситуации процессы редактора и отладчика должны уметь взаимодействовать друг с другом.

Процессы не могут взаимодействовать, не общаясь, то есть не обмениваясь информацией. "Общение" процессов обычно приводит к изменению их поведения в зависимости от полученной информации. Если деятельность процессов остается неизменной при любой принятой ими информации, то это означает, что они на самом деле в "общении" не нуждаются. Процессы, которые влияют на поведение друг друга путем обмена информацией, принято называть кооперативными или взаимодействующими процессами, в отличие от независимых процессов, не оказывающих друг на друга никакого воздействия.

Различные процессы в вычислительной системе изначально представляют собой обособленные сущности. Работа одного процесса не должна приводить к нарушению работы другого процесса. Для этого, в частности, разделены их адресные пространства и системные ресурсы, и для обеспечения корректного взаимодействия процессов требуются специальные средства и действия операционной системы. Нельзя просто поместить значение, вычисленное в одном процессе, в область памяти, соответствующую переменной в другом процессе, не предприняв каких-либо дополнительных усилий. Давайте рассмотрим основные аспекты организации совместной работы процессов.

11. Параметры функции main() в языке C. Переменные среды и аргументы командной строки

У функции main() в языке программирования C существует три параметра, которые могут быть переданы ей операционной системой. Полный прототип функции main() выглядит следующим образом:

int main(int argc, char *argv[],

         char *envp[]);

Первые два параметра при запуске программы на исполнение командной строкой позволяют узнать полное содержание командной строки. Вся командная строка рассматривается как набор слов, разделенных пробелами. Через параметр argc передается количество слов в командной строке, которой была запущена программа. Параметр argv является массивом указателей на отдельные слова. Так, например, если программа была запущена командой

a.out 12 abcd

то значение параметра argc будет равно 3, argv[0] будет указывать на имя программы — первое слово — "a.out", argv[1] — на слово "12", argv[2] — на слово "abcd". Так как имя программы всегда присутствует на первом месте в командной строке, то argc всегда больше 0, а argv[0] всегда указывает на имя запущенной программы.

Анализируя в программе содержимое командной строки, мы можем предусмотреть ее различное поведение в зависимости от слов, следующих за именем программы. Таким образом, не внося изменений в текст программы, мы можем заставить ее работать по-разному от запуска к запуску. Например, компилятор gcc, вызванный командой gcc 1.c будет генерировать исполняемый файл с именем a.out, а при вызове командой gcc 1.c –o 1.exe – файл с именем 1.exe.

Третий параметр – envp – является массивом указателей на параметры окружающей среды процесса. Начальные параметры окружающей среды процесса задаются в специальных конфигурационных файлах для каждого пользователя и устанавливаются при входе пользователя в систему. В дальнейшем они могут быть изменены с помощью специальных команд операционной системы UNIX. Каждый параметр имеет вид: переменная=строка. Такие переменные используются для изменения долгосрочного поведения процессов, в отличие от аргументов командной строки. Например, задание параметра TERM=vt100 может говорить процессам, осуществляющим вывод на экран дисплея, что работать им придется с терминалом vt100. Меняя значение переменной среды TERM, например на TERM=console, мы сообщаем таким процессам, что они должны изменить свое поведение и осуществлять вывод для системной консоли.

Размер массива аргументов командной строки в функции main() мы получали в качестве ее параметра. Так как для массива ссылок на параметры окружающей среды такого параметра нет, то его размер определяется другим способом. Последний элемент этого массива содержит указатель NULL.

13. Способы адресации при использовании средств связи

Различают два способа адресации: прямую и непрямую. В случае прямой адресации взаимодействующие процессы непосредственно общаются друг с другом, при каждой операции обмена данными явно указывая имя или номер процесса, которому информация предназначена или от которого она должна быть получена. Если и процесс, от которого данные исходят, и процесс, принимающий данные, указывают имена своих партнеров по взаимодействию, то такая схема адресации называется симметричной прямой адресацией. Ни один другой процесс не может вмешаться в процедуру симметричного прямого общения двух процессов, перехватить посланные или подменить ожидаемые данные. Если только один из взаимодействующих процессов, например передающий, указывает имя своего партнера по кооперации, а второй процесс в качестве возможного партнера рассматривает любой процесс в системе, например, ожидает получения информации от произвольного источника, то такая схема адресации называется асимметричной прямой адресацией.

При непрямой адресации данные помещаются передающим процессом в некоторый промежуточный объект для хранения данных, имеющий свой адрес, откуда они могут быть затем изъяты каким-либо другим процессом. Примером такого объекта может служить обычная доска объявлений или рекламная газета. При этом передающий процесс не знает, как именно идентифицируется процесс, который получит информацию, а принимающий процесс не имеет представления об идентификаторе процесса, от которого он должен ее получить.

При использовании прямой адресации связь между процессами в классической операционной системе устанавливается автоматически, без дополнительных инициализирующих действий. Единственное, что нужно для использования средства связи, – это знать, как идентифицируются процессы, участвующие в обмене данными.

При использовании непрямой адресации инициализация средства связи может и не требоваться. Информация, которой должен обладать процесс для взаимодействия с другими процессами, – это некий идентификатор промежуточного объекта для хранения данных, если он, конечно, не является единственным и неповторимым в вычислительной системе для всех процессов.

14. Буферизация

Может ли линия связи сохранять информацию, переданную одним процессом, до ее получения другим процессом или помещения в промежуточный объект? Каков объем этой информации? Иными словами, речь идет о том, обладает ли канал связи буфером и каков объем этого буфера. Здесь можно выделить три принципиальных варианта:

Буфер нулевой емкости или отсутствует. Никакая информация не может сохраняться на линии связи. В этом случае процесс, посылающий информацию, должен ожидать, пока процесс, принимающий информацию, не соблаговолит ее получить, прежде чем заниматься своими дальнейшими делами.

Буфер ограниченной емкости. Размер буфера равен n, то есть линия связи не может хранить до момента получения более чем n единиц информации. Если в момент передачи данных в буфере хватает места, то передающий процесс не должен ничего ожидать. Информация просто копируется в буфер. Если же в момент передачи данных буфер заполнен или места не достаточно, то необходимо задержать работу процесса отправителя до появления в буфере свободного пространства.

Буфер неограниченной емкости. Теоретически это возможно, но практически вряд ли реализуемо. Процесс, посылающий информацию, никогда не ждет окончания ее передачи и приема другим процессом.

При использовании канального средства связи с непрямой адресацией под емкостью буфера обычно понимается количество информации, которое может быть помещено в промежуточный объект для хранения данных.