Введение в архитектуру UNIX. Лекция 2

Причины популярности UNIX

Код написан на Си
Многозадачная, многопользовательская с широким спектром услуг
Наличие

Архитектура UNIX

Ядро системы
обеспечивает базовую функциональность:
управление процессами, распределение памяти, доступ к файлам и

Структура ядра

Основные подсистемы ядра

Файловая подсистема
Подсистема управления процессами и памятью
Подсистема ввода/вывода

Файловая подсистема

Поддержка унифицированного интерфейса к обычным файлам и периферийным устройствам
Проверка прав

Подсистема управления процессами

Создание и удаление процессов
Распределение системных ресурсов
Синхронизация процессов
Межпроцессное взаимодействие

Подсистема ввода/вывода

Обеспечение работы с периферийными устройствами
Буферизация данных
Взаимодействие с драйверами

Инфраструктура процесса ОС UNIX

Основные структуры данных процесса

Структура proc

Граф состояний процесса

Состояния процесса (1)

Режим задачи. Выполнение прикладных инструкций процесса
Режим ядра. Выполнение системных

Состояния процесса (2)

Сон (ожидание недоступного ресурса)
При переходе из режима ядра в

Контекст процесса

АП в режиме задачи
Управляющая информация
Окружение процесса
Аппаратный контекст

Переключение контекста

Текущий процесс переходит в состояние сна, ожидая недоступного ресурса
Текущий процесс

Прерывание от таймера (1)

Обновление статистики использования процессора для текущего процесса
Выполнение ряда

Прерывание от таймера (2)

Обработка отложенных вызовов
Обработка алармов
Пробуждение системных процессов (своппер, диспетчер

Планирование процессов

Системы пакетной обработки данных
Интерактивные системы (системы разделения времени)
Системы реального времени

Системы пакетной обработки данных

Пропускная способность – максимальной количество задач в единицу

Системы разделения времени

Время отклика – быстрая реакция на запросы
Соразмерность – выполнение

Системы реального времени

Окончание работы к сроку – предотвращение потери данных
Предсказуемость –

Классы приложений

Интерактивные
Фоновые
Реального времени

Принципы управления памятью

Примитивное управление памятью (специализированные микропроцессорные системы)
Расширенное управление (чаще всего

Примитивное управление

Нет защиты программ друг от друга и от ОС
Заранее на

Виртуальная память (1)

Выполнение задач, размер которых превышает размер ОП
Выполнение частично загруженных

Виртуальная память (2)

Размещение задач в произвольном месте ОП
Размещение задачи в нескольких

Виртуальная и физическая память

Селектор сегмента

Дескриптор сегмента (1)

Дескриптор сегмента (2)

Трансляция адреса с использованием механизма сегментации

Трансляция адреса с использованием страничного механизма

Адресное пространство процесса

32-разрядный линейный адрес (4Г)
Старший (1Г) АП ядра – 256

Виртуальная память процесса в режиме задачи

Страничный механизм в основном реализуется за счет аппаратной поддержки, но ОС

Ранние версии UNIX (свопинг)

Принципы страничного замещения

Принцип загрузки (fetch policy)
Принцип размещения (placement policy)
Принцип замещения (replacement

Страничное замещение по требованию

Возможное местонахождение страниц процесса

Преимущества страничного замещения

Размер программы ограничивается только разрядностью адреса
Запуск программы происходит

Алгоритмы замещения страниц (1)

Оптимальный алгоритм (практически неосуществим)
NRU (Not Recently Used) не

Алгоритмы замещения страниц (2)

Часы (другая реализация алгоритма «Вторая попытка»)
LRU (Least Recently

Оптимальный алгоритм

Выгрузить страницу, которая не будет использована больше всего.
Можно реализовать только

NRU (1)

Используется 2 бита:
R (Referenced) обращение
M (Modified) изменение

NRU (2)

4 класса страниц:
Не было обращений и изменений
Не было обращений, страница

NRU (3)

Удаление страницы в непустом классе с наименьшим номером

FIFO

Ведется список всех страниц, находящихся в данный момент в памяти.
При страничном

Вторая попытка

Модифицированный алгоритм FIFO.
При попытке удаления у страницы проверяется бит R.

Часы

Модифицированный алгоритм «Вторая попытка».
Список страниц является кольцевым, что снижает затраты на

LRU

Выгружается из памяти страница, не использовавшаяся больше всего.
Сложно реализовать алгоритм, так

NFU

Для каждой страницы ведется счетчик. После каждого прерывания от таймера к

Старение

Модификация алгоритма NFU.
Каждый счетчик перед прибавлением R сдвигается вправо на один

Рабочий набор

Все программы характеризуются локальностью обращений к памяти.
Можно использовать опережающую подкачку

WSClock

Модификация алгоритма «рабочего набора». Используются «часы» в виде кольцевого списка. С

Лучшими алгоритмами являются:
старение и WSClock

Создание процесса

Системный вызов fork()
Создается точная копия родительского процесса за некоторыми отличиями

Отличия родительского и дочернего процессов (1)

Уникальный идентификатор PID
Отличается идентификатор родителя PPID
Дочерний

Отличия родительского и дочернего процессов (2)

Очищаются ожидающие доставки сигналы
Обнуляется временная статистика

Отличия родительского и дочернего процессов (3)

Возвращаемое значение fork()
родительский процесс –

Действия, выполняемые fork() (1)

Резервирует место в области свопинга для сегмента данных

Действия, выполняемые fork() (2)

Размещает карты отображения, необходимые для трансляции адреса
Размещает u-area

Действия, выполняемые fork() (3)

Инициализирует аппаратный контекст, копируя его с родительского процесса
Устанавливает

Запуск новой программы Системный вызов exec()

Не порождает нового процесса
Происходит замещение кода текущего

Действия, выполняемые exec() (1)

Производит трансляцию имени файла
Анализирует заголовок файла
Обрабатывает биты setuid

Действия, выполняемые exec() (2)

Резервирует место в области свопинга для сегмента данных

Действия, выполняемые exec() (3)

Размещает и инициализирует карты отображения, необходимые для трансляции

Действия, выполняемые exec() (4)

Копирует сохраненные аргументы и переменные окружения в новый

Завершение выполнения процесса

Добровольно exit()
Принудительно по сигналу
Процесс освобождает все ресурсы и переходит

Действия, выполняемые при завершении (1)

Отключает все сигналы
Закрывает все открытые файлы
Сохраняет статистику

Действия, выполняемые при завершении (2)

Состояние – зомби
Процесс init – родитель для