Рис. 1. Модель системы UNIX
В центре находится ядро системы (kernel). Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, изолируя прикладные программы от особенностей ее архитектуры. Ядро имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам. К услугам ядра относятся операции ввода/вывода (открытия, чтения, записи и управления файлами), создания и управления процессами, их синхронизации и межпроцессного взаимодействия. Все приложения запрашивают услуги ядра посредством системных вызовов.
Второй уровень составляют приложения или задачи, как системные, определяющие функциональность системы, так и прикладные, обеспечивающие пользовательский интерфейс UNIX. Однако несмотря на внешнюю разнородность приложений, схемы их взаимодействия с ядром одинаковы.
Рассмотрим более внимательно отдельные компоненты ядра системы.
Ядро системы
Ядро обеспечивает базовую функциональность операционной системы: создает процессы и управляет ими, распределяет память и обеспечивает доступ к файлам и периферийным устройствам.
Взаимодействие прикладных задач с ядром происходит посредством стандартного интерфейса системных вызовов. Интерфейс системных вызовов представляет собой набор услуг ядра и определяет формат запросов на услуги. Процесс запрашивает услугу посредством системного вызова определенной процедуры ядра, внешне похожего на обычный вызов библиотечной функции. Ядро от имени процесса выполняет запрос и возвращает процессу необходимые данные.
В приведенном примере программа открывает файл, считывает из него данные и закрывает этот файл. При этом операции открытия (open), чтения (read) и закрытия (close) файла выполняются ядром по запросу задачи, а функции open(2), read(2) и close(2) являются системными вызовами.
main() {
int fd;
char buf[80];
/* Откроем файл — получим ссылку (файловый дескриптор) fd */
fd = open("file1", O_RDONLY);
/* Считаем в буфер buf 80 символов */
read(fd, buf, sizeof(buf));
/* Закроем файл */
close(fd);
}
Структура ядра представлена на рис 2.
Рис. 2. Внутренняя структура ядра UNIX
Ядро состоит из трех основных подсистем:
1. Файловая подсистема
2. Подсистема управления процессами и памятью
3. Подсистема ввода/вывода
Файловая подсистема
Файловая подсистема обеспечивает унифицированный интерфейс доступа к данным, расположенным на дисковых накопителях, и к периферийным устройствам. Одни и те же функции open(2), read(2), write(2) могут использоваться как при чтении или записи данных на диск, так и при выводе текста на принтер или терминал.
Файловая подсистема контролирует права доступа к файлу, выполняет операции размещения и удаления файла, а также выполняет запись/чтение данных файла. Поскольку большинство прикладных функций выполняется через интерфейс файловой системы (в том числе и доступ к периферийным устройствам), права доступа к файлам определяют привилегии пользователя в системе.
Файловая подсистема обеспечивает перенаправление запросов, адресованных периферийным устройствам, соответствующим модулям подсистемы ввода/вывода.
Подсистема управления процессами
Запущенная на выполнение программа порождает в системе один или более процессов (или задач). Подсистема управления процессами контролирует:
□ Создание и удаление процессов
□ Распределение системных ресурсов (памяти, вычислительных ресурсов) между процессами
□ Синхронизацию процессов
□ Межпроцессное взаимодействие
Очевидно, что в общем случае число активных процессов превышает число процессоров компьютера, но в каждый конкретный момент времени на каждом процессоре может выполняться только один процесс. Операционная система управляет доступом процессов к вычислительным ресурсам, создавая ощущение одновременного выполнения нескольких задач.
Специальная задача ядра, называемая распорядителем или планировщиком процессов (scheduler), разрешает конфликты между процессами в конкуренции за системные ресурсы (процессор, память, устройства ввода/вывода). Планировщик запускает процесс на выполнение, следя за тем, чтобы процесс монопольно не захватил разделяемые системные ресурсы. Процесс освобождает процессор, ожидая длительной операции ввода/вывода, или по прошествии кванта времени. В этом случае планировщик выбирает следующий процесс с наивысшим приоритетом и запускает его на выполнение.
Модуль управления памятью обеспечивает размещение оперативной памяти для прикладных задач. Оперативная память является дорогостоящим ресурсом, и, как правило, ее редко бывает "слишком много". В случае, если для всех процессов недостаточно памяти, ядро перемещает части процесса или нескольких процессов во вторичную память (как правило, в специальную область жесткого диска), освобождая ресурсы для выполняющегося процесса. Все современные системы реализуют так называемую виртуальную память: процесс выполняется в собственном логическом адресном пространстве, которое может значительно превышать доступную физическую память. Управление виртуальной памятью процесса также входит в задачи модуля управления памятью.
Модуль межпроцессного взаимодействия отвечает за уведомление процессов о событиях с помощью сигналов и обеспечивает возможность передачи данных между различными процессами.
Подсистема ввода/вывода
Подсистема ввода/вывода выполняет запросы файловой подсистемы и подсистемы управления процессами для доступа к периферийным устройствам (дискам, магнитным лентам, терминалам и т.д.). Она обеспечивает необходимую буферизацию данных и взаимодействует с драйверами устройств — специальными модулями ядра, непосредственно обслуживающими внешние устройства.
Глава 1.
Работа в операционной системе UNIX
Сегодня UNIX используется на самых разнообразных аппаратных платформах — от персональных рабочих станций до мощных серверов с тысячами пользователей. И прежде всего потому, что UNIX — это многозадачная многопользовательская система, обладающая широкими возможностями.
С точки зрения пользователя в операционной системе UNIX существуют два типа объектов: файлы и процессы. Все данные хранятся в виде файлов, доступ к периферийным устройствам осуществляется посредством чтения/записи в специальные файлы. Когда вы запускаете программу, ядро загружает соответствующий исполняемый файл, создает образ процесса и передает ему управление. Более того, во время выполнения процесс может считывать или записывать данные в файл. С другой стороны, вся функциональность операционной системы определяется выполнением соответствующих процессов. Работа системы печати или обеспечения удаленного доступа зависит от того, выполняются ли те или иные процессы в системе[2].
В этой главе мы познакомимся с пользовательской средой операционной системы UNIX; попробуем взглянуть на UNIX глазами обычного пользователя и администратора системы; не вдаваясь во внутреннюю архитектуру, обсудим, что такое файлы и файловая система, рассмотрим ее организацию и характеристики; с этих же позиций рассмотрим процесс в UNIX, его роль, атрибуты и жизненный цикл.
