Zbigniew S. Szewczak Systemy Operacyjne. Wykład 2 Jądro systemu. Zarządzanie procesami.

Transkrypt

1 Zbigniew S. Szewczak Systemy Operacyjne Wykład 2 Jądro systemu. Zarządzanie procesami. Toruń, 2004

2 O czym będzie? Architektury systemów operacyjnych Rozruch systemu Budowanie jądra systemu Koncepcja procesu Planowanie procesów Działania na procesach Komunikacja międzyprocesowa Wątki

3 Struktura systemów operacyjnych System zarządzania zadaniami (procesami) System zarządzania pamięcią operacyjną System zarządzania plikami System zarządzania wejściem-wyjściem Sieciowy system operacyjny System ochrony System interpretacji poleceń Generacja systemu

4 Współczesne systemy operacyjne Cechy wspólne architektura mikrojądra- zawiera jedynie niezbędne funkcje architektura monolityczna wielowątkowość proces (zadanie) składa się z wątków SMP (ang. Symmetric multiprocessing) (pod)system sieciowy systemy grafiki (GUI) i wydruku Windows: 2K/XP Unix: Solaris 2.x, 4.4BSD, Linux Maszyny wirtualne: JavaVM, Vmware, Virtual PC

5 Warstwy a mikrojądro tryb jądra użytkownicy systemy plików komunikacja IPC zarządzanie we/wy pamięć wirtualna tryb użytkownika proces klienta moduły sterujące serwer plików serwer procesów pamięć wirtualna zarządzanie procesami sprzęt mikrojądro sprzęt

6 Struktura jądra systemu Unix warstwa użytkownika pułapka program użytkownika biblioteki warstwa jądra interfejs funkcji systemowych podsystem plików cache (bufory) znakowe blokowe moduły sterujące podsystem zarządzania procesami komunikacja międzyprocesowa planista przydziału procesora zarządzanie pamięcią warstwa jądra warstwa sprzętu interfejs sprzętu sprzęt

7 Windows NT/XP - hybrydowa struktura klient - serwer aplikacja Win32 aplikacja OS/2 aplikacja POSIX serwer Win32 serwer OS/2 serwer POSIX jądro jądro

8 Architektura XP

9 Maszyny wirtualne Maszyna wirtualna (ang. virtual machine) jest konsekwencją podejścia warstwowego: jądro systemu jest traktowane jako sprzęt. IBM VM/370, JavaOS, Tryb MS-DOS, Cygwin, Vmware, Virtual PC Maszyna wirtualna dostarcza identycznego interfejsu dla sprzętu System operacyjny tworzy wirtualne systemy komputerowe, każdy proces ma do dyspozycji własne (wirtualne) jądro, dyski, pamięć, drukarki

10 Maszyny wirtualne (c.d.) Zasoby fizycznego komputera są dzielone w celu utworzenia maszyn wirtualnych planowanie przydziału procesora jest tak wykorzystane, że użytkownik ma wrażenie jakoby miał do dyspozycji własny procesor Spooling i system zarzadzania plikami jest wykorzystany tak, że powstaje wrażenie użytkowania drukarki, czytnika na wyłączność Zwykłe terminale użytkownika funkcjonują jak konsole operatorskie maszyny wirtualnej ( system interakcyjny CMS) Pokaz działania maszyn wirtualnych

11 Model niewirtualny a wirtualny maszyna niewirtualna maszyna wirtualna proces F proces B proces D proces B proces A proces C proces E proces A jądro sprzęt interfejs programowy jądro jądro sprzęt jądro VM1 VM2 VM3 implementacja maszyny wirtualnej

12 Start systemu - Booting Rozruch systemu (ang. bootstrapping,booting) - mały fragment kodu, przechowywany w ROM, określany jako program rozruchowy (ang. bootstrap program) lub elementarny program ładujący (ang. bootstrap loader) Program ładujący jest w stanie zlokalizować kod jądra systemu, wprowadzić go do pamięci i rozpocząć jego wykonanie dwuetapowy program ładujący sprowadza do pamięci bardziej złożony program ładujący, który powoduje załadowanie jądra systemu

13 Start jądra systemu - Unix Pierwszy sektor na dysku (ang. Master Boot record, MBR) zawiera program boot, który zostaje wczytany do pamięci Uruchomiony zostaje program boot, który relokuje się aby zwolnić początkowe adresy pamięci na jądro systemu czyta katalog root na dysku wczytuje jądro systemu przekazuje sterowanie jądru systemu asemblerowy kod inicjujący jądra systemu

14 Start systemu - Windows 2000 Pierwszy sektor na dysku (ang. Master Boot Record, MBR) zawiera program boot, który zostaje wczytany do pamięci Uruchomiony zostaje program boot, który: relokuje się aby zwolnić początkowe adresy pamięci na jądro systemu czyta katalog root na dysku wczytuje program ntldr przekazuje sterowanie programowi ntldr: czyta plik konfiguracyjny Boot.ini wczytuje pliki: hal.dll, ntoskrnl.exe, bootvid.dll wczytuje drivery (myszy,...) przekazuje sterowanie programowi ntoskrnl.exe

15 Przykłady OS/MVT - Initial Program Load (IPL) ręczne ustawienie adresu MS/DOS - LOADLIN.EXE SYSLINUX LiLo - Linux Loader GRUB - GRand Unified Bootloader Linux+Win9x+Grub-HOWTO Projekt PUPA = GRUBng

16 System Linux - GRUB GRUB - instalacja /sbin/grub-install /dev/hda Dodanie nowego jądra cd /usr/src/linux/arch/i386/boot cp bzimage /boot/bzimage cp /usr/src/linux/system.map /boot/system.map cd /boot ln -sf System.map System.map cd /boot/grub cp -av grub.conf grub.conf.old vi grub.conf dodajemy bzimage

17 System Linux - GRUB (c.d.) Dodanie nowego jądra (c.d.) dodajemy bzimage do /boot/grub/grub.conf default=1 timeout=10 spashimage=(hd0,1)/boot/grub/spash.xpm.gz title Windows 2000 rootverify (hd0,0) chainloader +1 title Red Hat Linux ( ) root (hd0,2) kernel /boot/vmlinuz ro root=/dev/hda3 initrd=/boot/initrd img title Red Hat Linux (2.4.23) root (hd0,2) kernel /boot/bzimage ro root=/dev/hda3

18 System Linux - boot Lilo (Linux Loader) dodanie nowego jądra cd /usr/src/linux/arch/i386/boot cp bzimage /boot/bzimage cp /usr/src/linux/system.map /boot/system.map ln -sf System.map System.map cd /etc cp -av lilo.conf lilo.conf.old vi lilo.conf dodajemy bzimage

19 System Linux - boot (c.d.) Lilo (Linux Loader) dodajemy bzimage do /etc/lilo.conf boot=/dev/hda map=/boot/map install=/boot/boot.b prompt timeout=50 message=/boot/message linear default=linux image=/boot/vmlinuz label=linux read-only root=/dev/hda1 image=/boot/bzimage label=test read-only root=/dev/hda1

20 System Linux - boot (c.d.) Lilo (Linux Loader) (c.d.) wpisanie nowego jądra lilo -t -v -v -v lilo -v -v -v dobrze jest wkopiować nowe jądro na partycję DOS mount /dev/hda1 /mnt mkdir /mnt/rh90 cp /boot/bzimage /mnt/rh90 przeładowanie systemu reboot

21 System Linux - boot (c.d.) Ładowanie z DOS-a : LOADLIN dosutils przykład: loadlin c:\rh90\bzimage root=/dev/hda3 ro Wykorzystanie w instalacji Windows 98 /dev/hda3 - linux; /dev/hda1 - msdos problem chcemy zainstalować Windows - instalacja usunie LiLo (GRUB) i jak zbootować Linuxa, jeśli nie zrobiliśmy dyskietki startowej systemu?

22 System Linux - boot (c.d.) Rozwiązanie boot (LiLo) Linuxa mkdir /mnt/hda1 mount /dev/hda1 /mnt/hda1 mkdir /mnt/hda1/rh90 cp /boot/vmlinuz /mnt/hda1/rh90 reboot instalacja Windows reboot ->F8-> Tylko wiersz poleceń cd rh90 c:\dosutils\loadlin vmlinuz root=/dev/hda3 lilo -v -v -v

23 System Linux - boot (c.d.) Rozwiązanie na ćwiczenia boot: vmlinuz root=/dev/hda4 -s /etc/lilo.conf # (wszystkie grupy) boot=/dev/hda map=/boot/map install=/boot/boot.b prompt timeout=50 message=/boot/message lba32 default=grupa_3 other=/dev/hda2 label=grupa_1 other=/dev/hda3 label=grupa_2 other=/dev/hda4 label=grupa_3

24 System Linux - boot (c.d.) Rozwiązanie na ćwiczenia /boot/grub/grub.conf # grupa_2 default=1 timeout=10 spashimage=(hd0,1)/boot/grub/spash.xpm.gz title Red Hat Linux ( ) root (hd0,2) kernel /boot/vmlinuz ro root=/dev/hda4 initrd=/boot/initrd img title Red Hat Linux (2.4.23) root (hd0,2) kernel /boot/bzimage ro root=/dev/hd4

25 syslinux - boot (USB) urządzenie USB w linuxie: /dev/sda1 system plików FAT16 komenda linuxowa: syslinux /dev/sda1 mount t msdos /dev/sda1 /mnt/usb syslinux.cfg default FC2 prompt 0 label FC2 kernel vmlinuz append root /dev/hda3 lang =devfs=nomount kopiowanie linuxa cp /boot/vmlinuz /mnt/usb/vmlinuz cp /boot/initrd img /mnt/usb/initrd.img utworzenie DOSa dd if=/dev/fd0 of=dos.bss bs=512 count=1 Shift lub Alt w czasie boot daje prompt

26 Start ręczny systemu AIX bootlist diag FreeBSD boot -s unload ; load newkernel; boot HP-UX hpux -is hpux /stand/newvmunix hpux ll /stand Linux boot: linux single grub> root (hd0,0)... Solaris stop+a boot -s boot cdrom devalias True64 boot -fl s boot -file newvmunix

27 System Linux - jądro Jądro systemu Linux jest bezpłatnie rozpowszechniane Jądro systemu Linux jest utrzymywane przez Linusa Torvaldsa Numeracja jądra nr_głowny.nr_poboczny.nr_łaty nr_główny - rzadko się zmienia ; , nr_poboczny - parzysty to jądro stabilne, nieparzysty to jądro rozwojowe nr_łaty (patch) - numer łaty dla aktualnej wersji jądra np jądro rozwojowe, łata (patch) trzynasta

28 System Linux - jądro (c.d.) Po co nam nowe jądro usunięcie zbędnego kodu poprawia działanie errare humanum est - nowe jądro nie ma starych błędów ma za to nowe błędy!!!!!!! aby móc używać nowego kompilatora lub biblioteki Pobieranie kodu źródłowego jądra publikowane w postaci linux tar.gz ftp ftp.icm.edu.pl cd /pub/linux/kernel/v2.4 get linux tar.gz get patch gz

29 System Linux - jądro (c.d.) RedHat Linux 9.0 jednolity układ graficzny Open Office, Mozilla,... kernel , GCC Libc Fedora Core kernel

30 System Linux - jądro (c.d.) Jądro 2.4 obsługa do 64GB RAM obsługa wielu procesorów (SMP) obsługa USB (HID - Human Interface Device) nowe sterowniki urządzeń Aironet IPv6 NFS v3 ATM TUX WWW Serwer 2.0 zwiększone bezpieczeństwo (sierpień, 2004)

31 System Linux - jądro (c.d.) Jądro 2.6 (grudzień, 2003) architektura 64-bitowa wywłaszczanie jądra 16 procesorów ulepszone aplikacje baz danych wydajność niezawodność tar xvfj linux tar.bz2 (sierpień, 2004)

32 System Linux - jądro (2.4) Rozpakowanie nowego jądra cd /usr/src/ rm linux mkdir linux ln -s linux linux tar xvzf linux tar.gz Stosowanie łat cd /usr/src uname -a : linux !!!!!! gunzip patch gz; patch -p0 patch find /usr/src/linux -follow -name *.rej -print find /usr/src/linux -follow -name *# -print

33 Struktura katalogowa kodu źródłowego systemu Linux linux modules mm net kernel init lib include ipc ext fs unix inet arch drivers nfs mips net linux asm-alpha ext2 proc alpha char asm-i386 xiafs minix sparc block asm-m68k isofs msdos ppc scsi asm-generic hpfs sysv i386 sound asm-mips umsdos kernel boot mm math-emu asm-sparc

34 System Linux - jądro (2.4) Budowanie (generowanie) jądra cd /usr/src/linux make config lub make menuconfig :Y (tak), N (nie) lub m - moduł jądra jądro eksperymentalne Prompt for development and/or incomplete code/drivers (CONFIG_EXPERIMENTAL) [N/y/?] y obsługa modułów ładowalnych Enable loadable module support (CONFIG_MODULES) [Y/n/?] rodzaj procesora Processor family (386, 486, 586/K5/5x86/6x86/6x86MX, Pentium- Classic, Pentium-MMX, Pentium-Pro/Celeron/Pentium-II, Pentium- III/Celeron(Coppermine), Pentium-4, K6/K6-II/K6-III, Athlon/Duron/K7, Crusoe, Winchip-C6, Winchip-2, Winchip- 2A/Winchip-3, CyrixIII/C3) [Pentium-4]

35 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) obsługa symetrycznej wieloprocesorowości Symmetric multi-processing support (CONFIG_SMP) [Y/n/?] n obsługa sieci (networking support) Networking support (CONFIG_NET) [Y/n/?] obsługa PCI PCI support (CONFIG_PCI) [Y/n/?] funkcje IPC System V IPC (CONFIG_SYSVIPC) [Y/n/?] obsługa sysctl Sysctl support (CONFIG_SYSCTL) [Y/n/?] obsługa ELF Kernel support for ELF binaries (CONFIG_BINFMT_ELF) [Y/m/n/?]

36 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) zarządzanie zasilaniem Power Management support (CONFIG_PM) [N/y/?]? CONFIG_PM: "Power Management" means that parts of your computer are shut off or put into a power conserving "sleep" mode if they are not being used. There are two competing standards for doing this: APM and ACPI. If you want to use either one, say Y here and then also to the requisite support below. Power Management is most important for battery powered laptop computers; if you have a laptop, check out the Linux Laptop home page on the WWW at and the Battery Powered Linux mini-howto, available from Note that, even if you say N here, Linux on the x86 architecture will issue the hlt instruction if nothing is to be done, thereby sending the processor to sleep and saving power.

37 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) zarządzanie zasilaniem (c.d.) Power Management support (CONFIG_PM) [N/y/?] n obsługa portu równoległego Parallel port support (CONFIG_PARPORT) [N/y/m/?] y PC-style hardware (CONFIG_PARPORT_PC) [N/y/m/?] y obsługa Plug and Play ( nie dotyczy PCI) Plug and Play support (CONFIG_PNP) [Y/m/n/?] n obsługa urządzeń blokowych (np. floppy) Normal PC floppy disk support (CONFIG_BLK_DEV_FD) [Y/m/n/?] Loopback device (CONFIG_BLK_DEV_LOOP) [N/y/m/?] y RAM disk support (CONFIG_BLK_DEV_RAM) [N/y/m/?] y obsługa RAID i LVM (multi-device) Multiple devices (RAID and LVM) (CONFIG_MD) [N/y/?] n

38 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) opcje sieciowe Packet socket (CONFIG_PACKET) [Y/m/n/?] Netlink device emulation (CONFIG_NETLINK_DEV) [N/y/m/?] y Socket Filtering (CONFIG_FILTER) [N/y/?] y Unix domain sockets (CONFIG_UNIX) [Y/m/n/?] TCP/IP networking (CONFIG_INET) [Y/n/?] IP: multicasting (CONFIG_IP_MULTICAST) [Y/n/?] n protokól IPX The IPX protocol (CONFIG_IPX) [N/y/m/?] y IPX: Full internal IPX network (CONFIG_IPX_INTERN) [N/y/?] (NEW) y

39 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) QoS QoS and/or fair queueing (CONFIG_NET_SCHED) [N/y/?] n testowanie sieci obsługa telefonii Linux telephony support (CONFIG_PHONE) [N/y/m/?] n obsługa ATA, IDE and ATAPI ATA/IDE/MFM/RLL support (CONFIG_IDE) [Y/m/n/?] Include IDE/ATAPI CDROM support (CONFIG_BLK_DEV_IDECD) [Y/m/n/?] y obsługa chipsetu IDE RZ1000 chipset bugfix/support (CONFIG_BLK_DEV_RZ1000) [Y/n/?] n

40 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) obsługa dysków SCSI SCSI support (CONFIG_SCSI) [Y/m/n/?] n obsługa IEEE 1394 (FireWire) obsługa urządzeń sieciowych Network device support (CONFIG_NETDEVICES) [Y/n/?] Dummy net driver support (CONFIG_DUMMY) [M/n/y/?] y Ethernet (10 or 100Mbit) (CONFIG_NET_ETHERNET) [Y/n/?] n Ethernet (1000 Mbit) Intel(R) PRO/1000 Gigabit Ethernet support (CONFIG_E1000) [N/y/m/?] y

41 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) obsługa protokołów sieciowych PLIP (parallel port) support (CONFIG_PLIP) [N/y/m/?] m PPP (point-to-point protocol) (CONFIG_PPP) [N/y/m/?] y PPP support for async serial ports (CONFIG_PPP_ASYNC) [N/y/m/?] (NEW) y PPP over Ethernet (EXPERIMENTAL) (CONFIG_PPPOE) [N/y/m/?] (NEW) y SLIP (serial line) support (CONFIG_SLIP) [N/y/m/?] y CSLIP compressed headers (CONFIG_SLIP_COMPRESSED) [N/y/?] (NEW) y Keepalive and linefill (CONFIG_SLIP_SMART) [N/y/?] (NEW) y Six bit SLIP encapsulation (CONFIG_SLIP_MODE_SLIP6) [N/y/?] (NEW) y

42 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) obsługa radia amatroskiego Amateur Radio support (CONFIG_HAMRADIO) [N/y/?] obsługa Input core dla HID Input core support (CONFIG_INPUT) [N/y/m/?] y Keyboard support (CONFIG_INPUT_KEYBDEV) [N/y/m/?] m Mouse support (CONFIG_INPUT_MOUSEDEV) [N/y/m/?] m obsługa urządzeń znakowych Parallel printer support (CONFIG_PRINTER) [N/y/m/?] (NEW) m obsługa myszy PS/2 mouse (aka "auxiliary device") support (CONFIG_PSMOUSE) [Y/n/?]

43 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) obsługa systemów plików Ext3 journalling file system support (CONFIG_EXT3_FS) [N/y/m/?] y DOS FAT fs support (CONFIG_FAT_FS) [N/y/m/?] y MSDOS fs support (CONFIG_MSDOS_FS) [N/y/m/?] y VFAT (Windows-95) fs support (CONFIG_VFAT_FS) [N/y/m/?] y ISO 9660 CDROM file system support (CONFIG_ISO9660_FS) [Y/m/n/?] NTFS file system support (read only) (CONFIG_NTFS_FS) [N/y/m/?] y Second extended fs support (CONFIG_EXT2_FS) [Y/m/n/?] m

44 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) obsługa sieciowych systemów plików NFS file system support (CONFIG_NFS_FS) [Y/m/n/?] Provide NFSv3 client support (CONFIG_NFS_V3) [N/y/?] y NFS server support (CONFIG_NFSD) [Y/m/n/?] Provide NFSv3 server support (CONFIG_NFSD_V3) [N/y/?] y SMB file system support (to mount Windows shares etc.) (CONFIG_SMB_FS) [N/y/m/?] y

45 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) obsługa sieciowych systemów plików (c.d.) NCP file system support (to mount NetWare volumes) (CONFIG_NCP_FS) [N/y/m/?] y Packet signatures (CONFIG_NCPFS_PACKET_SIGNING) [N/y/?] y Proprietary file locking (CONFIG_NCPFS_IOCTL_LOCKING) [N/y/?] y Clear remove/delete inhibit when needed (CONFIG_NCPFS_STRONG) [N/y/?] y Use NFS namespace if available (CONFIG_NCPFS_NFS_NS) [N/y/?] y Lowercase DOS filenames (CONFIG_NCPFS_SMALLDOS) [N/y/?] y

46 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) obsługa stron kodowych (NLS) Codepage 852 (Central/Eastern Europe) (CONFIG_NLS_CODEPAGE_852) [N/y/m/?] (NEW) y Windows CP1250 (Slavic/Central European Languages) [CONFIG_NLS_CODEPAGE_1250] [N/y/m/?] (NEW) y NLS ISO (Latin 2; Slavic/Central European Languages) (CONFIG_NLS_ISO8859_2) [N/y/m/?] (NEW) y obsługa dźwieku Sound card support (CONFIG_SOUND) [Y/m/n/?] n

47 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) obsługa portu USB Support for USB (CONFIG_USB) [Y/m/n/?] Preliminary USB device filesystem (CONFIG_USB_DEVICEFS) [N/y/m/?] y EHCI HCD (USB 2.0) support (EXPERIMENTAL) (CONFIG_USB_EHCI_HCD) [N/y/m/?] m UHCI Alternate Driver (JE) support (CONFIG_USB_UHCI_ALT) [N/y/m/?] m USB Human Interface Device (full HID) support (CONFIG_USB_HID) [N/y/m/?] m USS720 parport driver (CONFIG_USB_USS720) [N/y/m/?] y USB Serial Converter support (CONFIG_USB_SERIAL) [N/y/m/?] y

48 System Linux - jądro (2.4) Budowanie jądra (c.d.) kernel hacking Kernel debugging (CONFIG_DEBUG_KERNEL) [N/y/?] n make dep zależności pomiędzy plikami źródłowymi ->Makefile make clean gwarantuje kompilację jądra od początku make bzimage cd /usr/src/linux/arch/i386/boot ls -lr make modules

49 System Linux - jądro (2.4) Ładowalne sterowniki urządzeń make modules_install cd /lib/modules/ depmod -a (przebudowanie bazy modułów) zarządzanie modułami insmod /lib/modules/2.4.23/kernel/drivers/net/plip.o lsmod rmmod plip automatyczne ładowanie modułów kerneld (w czasie konfiguracji jądra) potrzebne System V IPC kmod - nowsze wersje jądra

50 Jądro 2.6 Zmiany instalacja: module-init-tools./configure --prefix=/ make moveold make make install./generate-modprobe.conf /etc/modprobe.conf sysfs (w /etc/fstab) none /sys sysfs defaults 0 0 Inne: RPM, USB, Wireless, Sound, HotPlug

51 Jądro 2.6 (FC2) rozpakowanie źrodła jak dla 2.4 konfigurowanie wiele opcji, lepsze grupowanie cd /usr/src/linux cp../linux /configs/kernel i686.config.config make menuconfig

52 make xconfig

53 Jądro 2.6 (FC2) (c.d.) make make modules make modules_install kopiowanie jądra do katalogu /boot (jak dla 2.4) fragmenty kodu (np. ext3) biorące udział w rozruchu są modułami - potrzebny ram dysk cd /boot /sbin/mkinitrd /boot/initrd img grub.conf Title Fedora Core 2 ( ) root (hd0,2) kernel /boot/bzimage ro root=label=/ rhgb quiet initrd /boot/initrd img

54 Modyfikowanie jądra (FC2) Przykład: Intel PRO/Wireless ipw2100-firmware at.noarch.rpm ipw2100-firmware at.src.rpm /usr/lib/hotplug/firmware atrpms.net instalacja gotowych modułów kernel-module-hostap _10.rhfc2.at rhfc2.at.i686.rpm kernel-module-ipw _10.rhfc2.at rhfc2.at.i686.rpm Nałożenie patchy na jądro hostap-driver rhfc2.at.src.rpm ipw rhfc2.at.src.rpm konfigurowanie jądra (hostap, ipw2100), kompilacja (długo), instalacja

55 Lokalizacja i opcje jądra w różnych systemach AIX /unix brak FreeBSD /kernel /usr/src/sys/i386/conf HP-UX /stand/vmunix /stand/build Linux /boot/vmlinuz /usr/linux/src Solaris /kernel/genunix brak True64 /vmunix; /genvmunixb /usr/sys/conf

56 Parametry różnych systemów AIX ls -lattr -Ehl sys0 chdev -l sys0 -a maxuproc=500 FreeBSD sysctl -a sysctl kern.maxfiles=1066 HP-UX System Adminstration Manager /usr/lbin/sysadm/system/system_prep /stand/build/mk_kernel /stand/system sysdef Linux /usr/linux/src/.config Solaris modinfo prtconf sysdef /etc/system True64 sysconfig /etc/sysconfigtab

57 Struktura systemów operacyjnych System zarządzania zadaniami (procesami) System zarządzania pamięcią operacyjną System zarządzania plikami System zarządzania wejściem-wyjściem Sieciowy system operacyjny System ochrony System interpretacji poleceń Generacja systemu

58 Koncepcja procesu System operacyjny wykonuje wykonuje różne programy system wsadowy - zadania system z podziałem czasu - programy użytkownika (ang. user programs) lub prace (ang. tasks) Będziemy utożsamiać zadanie i proces! Proces - program wykonywany sekwencyjnie Koncepcja procesu zawiera licznik rozkazów (ang. program counter) stos (ang. stack) procesu - parametry, adresy powrotu sekcję danych (ang. data section) - zmienne globalne

59 Procesy a zasoby A B C pamięć wirtualna zasoby procesor we/wy we/wy pamięć

60 Stan procesu Wykonujący się proces zmienia swój stan (ang. state) nowy (ang. new): proces został utworzony aktywny (ang. running): są wykonywane instrukcje oczekiwanie (ang. waiting): proces czeka na zdarzenie (np. zakończenie we/wy) gotowy (ang. ready): proces czeka na przydział procesora zakończony (ang. terminated): proces zakończył działanie

61 Diagram stanów procesu nowy przyjęcie przerwanie wyjście zakończony gotowy aktywny obsłużenie zdarzenia lub operacja we/wy decyzja planisty czekający oczekiwanie na zdarzenie lub na wykonanie operacji we/wy

62 Diagram stanów procesu - SVR5 brak pamięci gotowy swap out wakeup uśpiony swap out utworzony (fork) swap in swap out swap out fork gotowy wakeup uśpiony w pamięci wywłaszczony decyzja planisty return preempt aktywny (kernel) sleep exit return aktywny (user) zombie przerwanie, funkcja systemowa przerwanie, powrót z przerwania

63 Blok kontrolny procesu (PCB) Każdy proces w systemie operacyjnym jest reprezentowany przez blok kontrolny procesu (ang. process control block - PCB) zawierający stan procesu - gotowy, nowy, aktywny, czekający, zatrzymany licznik rozkazów - adres następnego rozkazu do wykonania w procesie rejestry procesora - zależą od architektury komputera: akumulatory, rejestry (ogólne, bazowe, indeksowe) wskaźniki stosu przechowywane aby proces mógł być kontynuowany po przerwaniu

64 Blok kontrolny procesu (PCB) (c.d.) informacje o planowaniu przydziału procesora - priorytet procesu, wskaźniki do kolejek porządkujących zamówienia informacje o zarządzaniu pamiecią - zawartości rejestrów granicznych, tablice stron, tablice segmentów w zależności od systemu używanej pamięci informacje do rozliczeń - ilość zużytego czasu procesora i czasu rzeczywistego, ograniczenia czasowe, numery kont, numery zadań informacje o stanie we/wy - lista zaalokowanych urządzeń, wykaz otwartych plików

65 Blok kontrolny procesu (c.d.) wskaźnik stan procesu numer procesu licznik rozkazów rejestry ograniczenia pamięci wykaz otwartych plików...

66 Przełączanie procesora wykonywanie proces A system operacyjny przerwanie lub wywołanie systemowe proces B... przechowaj stan w bloku kontrolnym 0 odtwórz stan z bloku kontrolnego 1 bezczynność bezczynność przerwanie lub wywołanie systemowe wykonywanie... przechowaj stan w bloku kontrolnym 1 odtwórz stan z bloku kontrolnego 0 bezczynność wykonywanie

67 Struktura tablic kontrolnych pamięć urządzenia pliki procesy tablice pamięci tablice we/wy tablice plików tablica procesu proces 1 proces 2... proces n obraz procesu proces 1 obraz procesu proces n

68 Przykład - IBM/360 & OS/MVT TCB TCB task A save save link ep=a link ep=b TCB task B save return attach ep=c, ECB=E TCB task C return wait 1,E return post E Supervisor ECB

69 Kolejki planowania procesu Wchodzące do systemu procesy tworzą kolejkę zadań (ang. job queue) Gotowe do działania procesy oczekujące w pamięci głównej na wykonanie tworzą kolejkę procesów gotowych (ang. ready queue) Procesy czekające na konkretne urządzenie tworzą kolejkę do urządzenia (ang. device queue) Procesy migrują między kolejkami

70 Kolejka zadań i kolejki do urządzeń we/wy kolejka procesów gotowych jednostka taśmowa jednostka dyskowa 0 czoło ogon czoło ogon czoło ogon blok kontrolny 7 blok kontrolny 2 rejestry... rejestry blok kontrolny 3 blok kontrolny 14 blok kontrolny 6... jednostka dyskowa 1 jednostka terminali czoło ogon czoło ogon blok kontrolny 2

71 Diagram kolejek Diagram kolejek służy do opisu planowania procesów prostokąt określa kolejkę; kółko to zasoby; strzałka to przepływ nowy proces jest w kolejce procesów gotowych zostaje wybrany (ang. dispatched) i otrzymuje procesor proces może zamówić we/wy i trafia do kolejki oczekujących na we/wy proces może utworzyć potomka i czekać na jego zakończenie proces może zostać wywłaszczony wskutek przerwania i przeniesiony do kolejki procesów gotowych

72 Diagram kolejek w planowaniu procesów kolejka procesów gotowych CPU we/wy kolejka operacji we/wy zamówienia operacji we/wy zużycie kwantu czasu potomek działa powołanie procesu potomnego wystąpienie przerwania czekanie na przerwanie

73 Planiści Planista długoterminowy (ang. long-term scheduler) lub planista zadań (ang. job scheduler) - wybiera procesy, które powinny być sprowadzone do pamięci z kolejki procesów gotowych Planista krótkoterminowy (ang. short-term scheduler) lub planista przydziału procesora (ang. CPU scheduler) - wybiera proces następny do wykonania z kolejki procesów gotowych i przydziela mu procesor

74 Planiści (c.d.) Planista krótkoterminowy jest wołany bardzo często (milisekundy) dlatego musi być bardzo szybki Planista długoterminowy jest wołany rzadko (sekundy, minuty) dlatego może nie być szybki Planista długoterminowy nadzoruje stopień wieloprogramowości (liczbę procesów w pamięci)

75 Planiści (c.d.) Proces może być opisany jako jeden z ograniczony przez we/wy (ang. I/O bound) - więcej czasu zajmuje we/wy niż dostęp do procesora ograniczony przez dostęp do procesora (ang. CPU bound) - więcej czasu zajmują obliczenia, we/wy sporadyczne Planista długoterminowy powinien dobrać mieszankę procesów (ang. process mix) zawierającą zarówno procesy ograniczone przez we/wy jak i procesor Planista średnioterminowy(ang. medium-term scheduler) - swapping (wymiana) w celu uzyskania lepszego doboru procesów

76 Planista średnioterminowy sprowadź do pamięci (swap in) usunięte procesy częściowo wykonane usuń z pamięci (swap out) kolejka procesów gotowych CPU koniec we/wy kolejki procesów oczekujących na we/wy

77 Przełączanie kontekstu Gdy procesor przełącza do innego procesu system musi zachować stan starego procesu i załadować zachowany stan nowego procesu. Czynność tę nazywamy przełączaniem kontekstu (ang. context switch) Przełączanie kontekstu jest ceną za wieloprogramowość; system operacyjny nie wykonuje wtedy żadnej użytecznej pracy Czas przełączenia kontekstu zależy od sprzętu (zwykle od 1 do 1000 milisekund)

78 Działania na procesach - tworzenie procesu Proces macierzysty (ang. parent process) tworzy nowy proces - potomka (ang. child process) i każdy nowy proces może tworzyć nowe procesy, które tworzą drzewo procesów Dzielenie zasobów proces macierzysty i potomek dzielą wszystkie zasoby proces macierzysty i potomek dzielą część zasobów proces macierzysty i potomek nie dzielą żadnych zasobów

79 Drzewo procesów w UNIXie proces root proces pagedaemon proces swapper proces init proces użytkownika 1 proces użytkownika 2 proces użytkownika 3

80 Tworzenie procesu (c.d.) Wykonanie proces macierzysty i potomek działają współbieżnie proces macierzysty czeka aż potomek zakończy Przestrzeń adresowa nowego procesu potomek jest kopią procesu macierzystego potomek ładuje do przestrzeni adresowej nowy program

81 Przykłady UNIX funkcja systemowa fork tworzy nowy proces zawierający kopię przestrzeni adresowej procesu pierwotnego funkcja systemowa execlp użyta po fork powoduje zastąpienie zawartości pamięci przez nowy program (ładuje plik binarny do pamięci niszcząc obraz pamięci zawierający wywołanie execlp) proces macierzysty czeka aż potomek skończy (funkcja systemowa wait) w kolejce procesów gotowych Przykład pod Cygwinem

82 Przykład new.c int main() { } gcc -o new new.c./new ps execlp("/bin/ps","ps",0);

83 Przykłady (c.d.) DEC VMS tworzy proces i ładuje do niego program Windows NT/XP - oba modele duplikowanie przestrzeni adresowej procesu macierzystego proces macierzysty może określić nazwę programu do załadowania do przestrzeni adresowej nowego procesu

84 Kończenie procesu Proces kończy się (ang. terminate) wówczas, gdy wykona swoją ostatnią instrukcję i za pomocą funkcji systemowej exit poprosi system operacyjny aby go usunął a także aby przekazał dane wyjściowe z potomka do procesu macierzystego (za pośrednictwem funkcji systemowej wait wydanej w procesie macierzystym) wszystkie zaalokowane zasoby (pamięć fizyczna i wirtualna, otwarte pliki, bufory we/wy) odebrał potomkowi

85 Kończenie procesu (c.d.) Proces macierzysty wywołuje funkcję systemową abort bowiem potomek nadużył zasobów wykonywanie potomka stało się jałowe proces macierzysty kończy się system operacyjny nie pozwala potomkowi na działanie jeśli proces macierzysty kończy działanie system operacyjny wymusza zakończenie wszystkich potomków - kończenie kaskadowe (ang. cascading termination)

86 Zombie zombie.c #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main () { pid_t child_pid; } /* Create a child process. */ child_pid = fork (); if (child_pid > 0) { /* This is the parent process. Sleep for a minute. */ sleep (60); } else { /* This is the child process. Exit immediately. */ exit (0); } ps -al

87 Procesy współpracujące Procesy współbieżne mogą być niezależne (ang. independent) lub współpracujące (ang. cooperating) Procesy współpracujące mogą oddziaływać na inne procesy w systemie lub inne procesy w systemie mogą oddziaływać na nie Korzyści ze współpracy procesów dzielenie informacji przyspieszanie (obliczeń) modularność -możliwość konstruowania systemów wygoda - użytkownik może mieć wiele procesów

88 Komunikacja międzyprocesowa Komunikacja międzyprocesowa (ang. interprocess-communication - IPC) udogodnienia systemu pozwalające współpracującym procesom na kontaktowanie się ze sobą System przekazywania komunikatów (ang. message system) - sposób realizacji komunikacji międzyprocesorowej pozwalający nie odwoływać się do zmiennych dzielonych

89 Komunikacja międzyprocesowa Komunikacja międzyprocesowa dostarcza dwóch operacji nadaj (komunikat) (ang. send (message)) odbierz(komunikat) (ang. receive(message)) Jeśli procesy P i Q chcą się skomunikować to muszą ustanowić łącze komunikacyjne nadawać i odbierać komunikaty Implementacja fizyczna (np. pamięć dzielona, szyna sprzętowa) logiczna (np. własności logiczne)

90 Problemy związane z implementacją Jak ustanawiać połączenia Czy łącze może być powiązane z więcej niż dwoma procesami? Ile może być łączy na każdą parę procesów Jaka jest pojemność łącza? Czy łącze ma obszar buforowy? Jak duży? Jaki jest rozmiar komunikatów (stały, zmienny)? Czy łącze jest jest jedno- czy dwukierunkowe Komunikacja (bez)pośrednia, (a)symetryczna?

91 Komunikacja bezpośrednia Proces musi jawnie nazwać odbiorcę nadaj(p,komunikat) - nadaj komunikat do procesu P odbierz(q,komunikat) - odbierz komunikat od procesu Q Własności łącza łącze jest ustanawiane automatycznie, do komunikowania wystarczy znajomość identyfikatorów łącze dotyczy dokładnie dwóch procesów między każdą parą procesów istnieje dokładnie jedno łącze łącze jest zwykle dwukierunkowe, ale może być jednokierunkowe

92 Komunikacja pośrednia Komunikaty są nadawane i odbierane za pomocą skrzynek pocztowych (ang. mailboxes) nazywanych także portami (ang. ports) każda skrzynka ma swój unikalny identyfikator procesy komunikują się jeśli mają wspólną skrzynkę Własności łącza łącze jest ustanawiane jedynie wtedy gdy procesy dzielą skrzynkę łącze może być związane z więcej niż dwoma procesami każda para procesów może mieć kilka łączy z których każdy odpowiada jakiejś skrzynce łącze może być jedno- lub dwukierunkowe

93 Komunikacja pośrednia (c.d) System operacyjny dostarcza mechanizmów do tworzenia nowej skrzynki nadawania i odbierania komunikatów za pomocą skrzynki likwidowania skrzynki Dzielenie skrzynki : P, Q, R dzielą skrzynkę A P nadaje; Q i R odbierają który proces otrzyma komunikat nadany przez P? Rozwiązanie zezwalać jedynie na łącza między dwoma procesami pozwalać najwyżej jednemu procesowi na odbiór pozwalać aby system wybrał i poinformował odbiorcę

94 Buforowanie Łącze ma pojemność określającą maksymalną liczbę komunikatów, które mogą w nim przebywać dlatego musimy mieć kolejkę komunikatów Metody implementacji kolejki pojemność zerowa - nadawca musi czekać aż odbiorca odbierze komunikat pojemność ograniczona - nadawca musi poczekać jeśli kolejka jest pełna pojemność nieograniczona - nadawca nigdy nie czeka

95 Sytuacje wyjątkowe Zakończenie procesu system musi powiadamiać o zakończeniu procesu Utrata komunikatów system powinien wykryć utratę komunikatu proces nadawczy powinien umieć powtórzyć komunikat system zawiadamia proces nadawczy Zniekształcenie komunikatów sumy kontrolne, sprawdzanie parzystości, CRC

96 Komunikacja klient/serwer - implementacje Gniazda (ang. sockets) RPC (ang. Remote Procedure Calls) RMI (ang. Remote Method Invocation)

97 RPC Wywołania procedur między systemami Namiastka (ang. stub, proxy) po stronie klienta do przekazania parametrów zdalnej procedurze oraz po stronie serwera do wywołania procedury Klient: namiastka procedury zdalnej lokalizuje port na serwerze i przetacza (ang. marshall) opakowane parametry i komunikaty Serwer: namiastka procedury na serwerze rozpakowuje parametry, wywołuje procedurę i zwraca wynik w ten sam sposób

98 Architektura RPC aplikacja klienta zdalna aplikacja serwera odpowiedź lokalna odpowiedź lokalna odpowiedź lokalna lokalne wywołanie procedury lokalne wywołanie procedury aplikacja lokalna lub system operacyjny namiastka mechanizm RPC przetaczanie RPC namiastka mechanizm RPC

99 RPC - implementacja Sun użytkownik zleca jądru wysłanie komunikatu RPC do procedury X jądro wysyła komunikat do demona randezvous z pytaniem o numer portu from: klient; to: serwer port: randezvous re: adres dla RPC X randezvous otrzymuje komunikat i przygotowuje odpowiedź jądro wstawia port P do komunikatu RPC użytkownika from: serwer; to: klient port: kernel; re: adres adres dla RPC X <P> randezvous odpowiada klientowi: port P jądro wysyła komunikat RPC użytkownika from: klient; to: serwer port: P ; <treść> demon nasłuchujący na porcie P otrzymuje komunikat jądro otrzymuje odpowiedź i przekazuje ją do użytkownika from: RPC; port: P to: klient; port: jądro <wyniki> demon obsługuje żądanie i przygotowuje wyniki klient komunikaty serwer

100 RMI Realizacja RPC na maszynie Javy Pozwala jednej maszynie wywołać metodę na zdalnym obiekcie Klient: namiastka (ang. stub) tworzy paczkę (ang. parcel) zawierającą nazwę metody wywoływanej na serwerze oraz parametry i przetacza je do serwera Serwer: szkielet (ang. skeleton) odpowiada za rozpakowanie parametrów i wywołanie metody

101 RMI - przetaczanie klient zdalny obiekt val=serwer.metoda(a,b) boolean metoda(obiekt x, Obiekt y) { implementacja metody metoda } namiastka szkielet A, B metoda zmienna boolowska

102 Wątki Wątek (ang. thread) nazywany niekiedy procesem lekkim (ang. lightweight process - LWP) jest podstawową jednostką wykorzystania procesora. W skład tej jednostki wchodzą licznik rozkazów zbiór rejestrów obszar stosu

103 Wątki (c.d.) Wątek współużytkuje z innymi równorzędnymi wątkami sekcję kodu sekcję danych zasoby systemu (takie jak otwarte pliki i sygnały) zwane wspólnie zadaniem (ang. task) Proces tradycyjny lub ciężki (ang. heavyweight) to zadanie o jednym wątku

104 Procesy wielowątkowe kod dane pliki kod dane pliki rejestry stos rejestry rejestry rejestry stos stos stos

105 Wątki - korzyści W zadaniu wielowątkowym (ang. multithreaded task) w czasie gdy wątek serwer jest zablokowany i oczekuje, drugi wątek tego samego zadania może się wykonywać współpraca wielu wątków w tym samym zadaniu zwiększa przepustowość oraz polepsza wydajność systemu program użytkowy wykorzystujący wspólny bufor (np. producent-konsument) stosuje wątki

106 Przykład RPC - jeden wątek czas żądanie RPC żądanie RPC proces serwer 1 serwer 2 zablokowany, oczekuje na odpowiedź od RPC zablokowany, oczekuje na procesor używany przez wątek B wykonywany

107 Przykład RPC - dwa wątki czas żądanie RPC serwer 1 wątek A proces wątek B żądanie RPC serwer 2 zablokowany, oczekuje na odpowiedź od RPC zablokowany, oczekuje na procesor używany przez wątek B wykonywany

108 Wątki a proces Zablokowanie procesu powoduje zablokowanie wszystkich jego wątków albowiem dzielą one tę samą przestrzeń adresową Zakończenie procesu wiąże się z zakończeniem wszystkich jego wątków

109 Wątki - działanie Wątki mogą tworzyć wątki potomne (ang. spawn) i blokować (ang. block) się do czasu zakończenia wywołań systemowych Działanie wątków przypomina działanie procesów (gotowe, zablokowane, aktywne (ang. unblock), kończące (ang. finish)) jednak wątki nie są niezależne od siebie np. oczekiwanie na we/wy przechowanie kontekstu: rejestry, licznik i stos wybranie nowego wątku z kolejki wątków gotowych

110 Typy wątków Wątki (ang. kernel-level) obsługiwane przez jądro Mach, OS/2, Windows 9x/NT/2K, Linux, BeOS Wątki tworzone na poziomie użytkownika (ang. userlevel) za pomocą funkcji bibliotecznych system Andrew POSIX: Pthreads, Mach: C-threads, Solaris 2: UI-threads zaleta: szybsze przełączanie, wada: planowanie wątków Hybrydowe podejście - Solaris 2 Wątki zarządzane przez JVM

111 Relacje międzywątkowe przestrzeń użytkownika biblioteka wątków biblioteka wątków P przestrzeń jądra P P wątki poziomu użytkownika wątki poziomu jądra wątki mieszane P wątek poziomu użytkownika wątek poziomu jądra P proces

112 Sposoby odwzorowań wątków Wiele do jednego (ang. Many-to-One) Jeden do jednego (ang. One-to-One) OS/2, Windows 9x/NT/2K Wiele do wielu (ang. Many-to-Many) Solaris 2, IRIX, HP-UX, Windows NT/2K (ThreadFiber)

113 Many-to-One wątek użytkownika wątek jądra

114 One-to-one wątek użytkownika wątek jądra

115 Many-to-many wątek użytkownika wątek jądra

116 Solaris 2 - wątki wątek użytkownika proces lekki wątek jądrowy procesor

117 Java - wątki Język Java dostarcza mechanizmów do tworzenia i zarządznie wątkami Rozszerzenie klasy Thread html Zarządzanie wątkami przez JVM Odwzorowanie wątków: jądro - JVM W9x/NT/2K - one-to-one Solaris 2 - many-to-one (green threads)