41. System operacyjny. Postrzeganie systemu operacyjnego przez warstwę oprogramowania użytkowego Pierwsze komputery, budowane według zasad określonych przez Johna von Neumanna, nie były kompatybilne dla tworzonych programów. Każdy program był tworzony dla konkretnej maszyny, mógł współpracować ze ściśle określoną elektroniką komputera i urządzeń peryferyjnych. Nie można było przenieść programu do komputera innego producenta. Zaistniała konieczność odseparowania programów użytkowych (aplikacji) od sprzętu komputerowego. W latach sześćdziesiątych pojawił się pomysł, aby pracą komputera zarządzało specjalne oprogramowanie, zwane do dziś systemem operacyjnym System operacyjny (ang. skrót OS Operating System) jest to oprogramowanie które działa jako pośrednik pomiędzy użytkownikiem komputera a sprzętem komputerowym. Zadaniem systemu operacyjnego jest stworzenie środowiska do uruchamiania i kontroli zadań użytkownika oraz zarządzanie sprzętem komputerowym. System operacyjny jest ważną częścią systemu komputerowego. System komputerowy można podzielić na: sprzęt system operacyjny aplikacje użytkowe użytkownik
Sprzęt podstawowe zasoby systemu komputerowego dające możliwości obliczeniowe (procesor, pamięć, urządzenia wejścia/wyjścia) Aplikacje użytkowe określają sposoby, w jakie zostają użyte zasoby systemowe do rozwiązywania problemów obliczeniowych zadanych przez użytkownika (kompilatory, systemy baz danych, gry, oprogramowanie biurowe). Zazwyczaj istnieje wielu różnych użytkowników (ludzie, maszyny, inne komputery) zmagających się z rozwiązywaniem różnych zadań. Odpowiednio do rozmaitych potrzeb może istnieć wiele różnych programów użytkowych. System operacyjny nadzoruje i koordynuje posługiwanie się sprzętem przez różne programy użytkowe, które pracują na zlecenie różnych użytkowników. Użytkownik ludzie, maszyny, inne komputery, mają bezpośredni kontakt z oprogramowaniem użytkowym. System operacyjny Przyjęto podział na trzy główne elementy budowy systemu operacyjnego: jądro powłoka programy użytkowe Jądro (ang. kernel) jest to część systemu operacyjnego, która przyjmuje kierowane do niego zlecenia od programów użytkowych oraz użytkownika komputera i wykonuje je przydzielając im zasoby komputera i urządzenia zewnętrzne. Jądro jest najważniejszą częścią systemu operacyjnego, która działa zawsze. Jest to pierwszy program, który startuje po uruchomieniu komputera, i ostatni, jaki jeszcze działa przy zamykaniu systemu. Jego zadanie to przydzielanie czasu procesora poszczególnym programom, przydziałem pamięci i obsługą pamięci masowych. Komunikacja programów użytkowych i użytkownika odbywa się za pośrednictwem powłoki systemu. Powłoka (ang. shell) jest programem, który interpretuje (stąd nazwa interpreter) polecenia przesyłane do jądra systemu. Powłoki mogą być tekstowe lub graficzne. Powłoką tekstową w systemie DOS jest command.com, a graficzną w systemie Windows Eksplorer. Programy użytkowe są to programy wbudowane w system lub do niego dołączone, które mają na celu pomagać użytkownikowi korzystanie z systemu.
Większość systemów operacyjnych ma budowę warstwową : Funkcje poszczególnych części składowych systemu:
System operacyjny dostarcza narzędzi do właściwego użycia zasobów systemu komputerowego. System operacyjny nie wykonuje sam żadnej użytecznej funkcji a jedynie tworzy środowisko (ang. environment), w którym inne programy mogą wykonywać pożyteczne prace. Możemy uważać system operacyjny za dystrybutora zasobów poniższych zasobów: Procesor przydział czasu procesora Pamięć o alokacja przestrzeni adresowej dla procesów o transformacja adresów Urządzenia zewnętrzne o udostępnianie i sterowanie urządzeniami pamięci masowej np. dysk twardy o alokacja przestrzeni dyskowej o udostępnianie i sterowanie drukarkami, skanerami, aparatami itp Informacja (system plików) o organizacja i udostępnianie informacji o ochrona i autoryzacja dostępu do informacji System operacyjny pełni funkcję zarządcy owych dóbr i przydziela je poszczególnym programom i użytkownikom wówczas, gdy są one nieodzowne do wykonywania zadań. Ponieważ często może dochodzić do konfliktów przy zamawianiu zasobów, system operacyjny musi decydować o przydziale zasobów poszczególnym zamawiającym, mając na względzie wydajne i harmonijne działanie całego systemu komputerowego. Podział systemów operacyjnych Najszerszym ale najbardziej podstawowym kryterium podziału systemów operacyjnych jest podział na: system operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) systemy operacyjne czasowo niedeterministyczne Podział ten odnosi się do najbardziej podstawowej funkcjonalności systemu operacyjnego jakim jest planowanie i przydział czasu procesora poszczególnym zadaniom. Ze względu na sposób realizacji przełączania zadań systemy operacyjne można podzielić na: systemy z wywłaszczaniem zadań systemy bez wywłaszczania. Inny rodzaj podziału to podział na: otwarte systemy operacyjne wbudowane systemy operacyjne. Systemy otwarte można uruchomić na dowolnej maszynie wskazanego rodzaju np. PC i w określonym stopniu modyfikować. Systemy wbudowane
jak sama nazwa wskazuje są zaszyte (wbudowane) wewnątrz urządzeń użytkowych, maszyn pojazdów itp. Aby uzyskać wysoką niezawodność pracy minimalizuje się w takich przypadkach możliwość dokonywania zmian w konfiguracji systemu operacyjnego. Pod względem środowiska użytego do implementacji systemu można wprowadzić podział na: programowe sprzętowe. Sprzętowe systemy operacyjne to: sprzętowo programowe rozwiązania integrowane z wybraną architekturą procesora. W takim przypadku sprzętowa część systemu przyśpiesza wybrany zakres czynności wykonywanych przez system (przykładowo przełączania zadań i zachowywanie ich kontekstu). Nie ma w pełni adekwatnej definicji systemu operacyjnego. Istnienie systemów operacyjnych jest uzasadnione tym, że umożliwiają one rozsądne rozwiązywanie problemu kreowania użytecznego systemu obliczeniowego. Podstawowym celem systemów komputerowych jest wykonywanie programów użytkownika i ułatwianie rozwiązywania stawianych przez użytkownika problemów. Do spełnienia tego celu konstruuje się sprzęt komputerowy. Ponieważ posługiwanie się samym sprzętem nie jest szczególnie wygodne, opracowuje się programy użytkowe. Rozmaite programy wymagają pewnych wspólnych operacji, takich jak sterowanie pracą urządzeń wejścia-wyjścia. Wspólne funkcje sterowania i przydzielania zasobów gromadzi się zatem w jednym fragmencie oprogramowania - systemie operacyjnym.
42. Stany procesów i przejścia między nimi w wielozadaniowym systemie operacyjnym Proces - to jedno z najbardziej podstawowych pojęć w informatyce. Z definicji jest to po prostu egzemplarz wykonywanego programu, jednak każdy nowo powstały proces otrzymuje unikalny numer, który go jednoznacznie identyfikuje, tzw. numer PID (ang. Process IDentifier). W celu wykonania programu system operacyjny przydziela procesowi zasoby (np: pamięć, czas procesora), ale także może być konieczne współbieżne wykonywanie pewnych fragmentów programu. Aby to zrealizować program może zażądać utworzenia określonej liczby wątków, wykonujących wskazane części tego programu - o ich współbieżne wykonanie dba system operacyjny (albo sam program, wówczas mówi się o zielonych wątkach). Wątki współdzielą prawie wszystkie zasoby zarezerwowane dla danego procesu, wyjątkiem jest czas procesora, który jest przydzielany indywidualnie każdemu wątkowi. Za zarządzanie procesami odpowiada jądro systemu operacyjnego, sposób ich obsługi jest różny dla różnych systemów operacyjnych. W systemie operacyjnym każdy proces posiada proces nadrzędny (rodzica), z kolei każdy proces może, poprzez wywołanie funkcji systemu operacyjnego, utworzyć swoje procesy potomne. W ten sposób tworzy się swego rodzaju drzewo procesów. Każdemu procesowi przydzielone zostają zasoby, takie jak: procesor pamięć dostęp do urządzeń wejścia-wyjścia pliki W skład procesu wchodzi: kod programu licznik rozkazów stos sekcja danych Stany procesów; Nowy (new) - przed uruchomieniem lub po zakończeniu działania Aktywny (running, executing) zakończono operacje we/wy a jeden z procesów systemu wykonuje jego kod Gotowy (waiting) - jeżeli zakończył operacje we/wy ale nie ma wolnego procesora Wstrzymany (ready) - czekanie na zakończenie operacji we/wy dozorowanej przez system operacyjny Zakończony (terminated) - proces zakończył działanie, lecz wciąż pozostaje w systemie (np. nie przekazał wyników).
Tworzenie procesów Użytkownik za pomocą powłoki zleca uruchomienie programu, proces wywołujący wykonuje polecenie fork, lub jego pochodną. System operacyjny tworzy przestrzeń adresową dla procesu oraz strukturę opisującą nowy proces w następujący sposób: o wypełnia strukturę opisującą proces o kopiuje do przestrzeni adresowej procesu dane i kod, zawarte w pliku wykonywalnym o ustawia stan procesu na działający o dołącza nowy proces do kolejki procesów oczekujących na procesor (ustala jego priorytet) o zwraca sterowanie do powłoki użytkownika Wykonywanie procesów Dany proces rozpoczyna wykonywanie w momencie przełączenia przez Jądro systemu operacyjnego przestrzeni adresowej na przestrzeń adresową danego procesu oraz takie zaprogramowanie procesora, by wykonywał kod procesu. Wykonujący się proces może żądać pewnych zasobów, np. większej ilości pamięci. Zlecenia takie są na bieżąco realizowane przez system operacyjny. Wykonanie procesu musi przebiegać sekwencyjnie. Proces może przyjmować tutaj któryś z wyżej wymienionych stanów. Kończenie procesów Proces wykonuje ostatnią instrukcję - zwraca do systemu operacyjnego kod zakończenia. Jeśli proces zakończył się poprawnie zwraca wartość 0, w przeciwnym wypadku zwraca wartość kodu błędu. W momencie zwrotu do systemu operacyjnego kodu zakończenia, system operacyjny ustawia stan procesu na przeznaczony do zniszczenia i rozpoczyna zwalnianie wszystkich zasobów, które w czasie działania procesu zostały temu procesowi przydzielone. System operacyjny po kolei kończy wszystkie procesy potomne w stosunku do procesu macierzystego. System operacyjny zwalnia przestrzeń adresową procesu. Jest to dosłowna śmierć procesu. System operacyjny usuwa proces z kolejki procesów gotowych do uruchomienia i szereguje zadania. Jest to ostatnia czynność wykonywana na rzecz procesu. Procesor zostaje przydzielony innemu procesowi.
Zombie Proces zombie to wpis w tablicy procesów opisujący program, którego wykonanie w systemie operacyjnym zostało zakończone, ale którego zamknięcie nie zostało jeszcze obsłużone przez proces rodzica. Termin ten odnosi się zazwyczaj do systemów z rodziny UNIX, gdzie pozostawienie wpisu zombie tymczasowo zajmującego pozycję w tablicy procesów zapobiega ponownemu wykorzystaniu danego PIDa i możliwym na skutek tego pomyłkom programistycznym. Wpisy takie nie dają się wyeliminować poleceniem kill, czemu prawdopodobnie zawdzięczają swoją złowrogą nazwę. Wpis zombie znika po odpowiednim wywołaniu funkcji wait(), waitpid() lub analogicznej przez proces macierzysty. W przypadku zakończenia także procesu rodzica, w wielu architekturach pozostawione przez niego zombie są obsługiwane automatycznie przez dziedziczący po nim proces init lub przez system operacyjny. Chociaż wpisy zombie nie obciążają znacząco komputera, nieprawidłowo napisany program, który nie obsługuje zakończenia pracy potomków, może doprowadzić do destabilizacji pracy systemu. Dzieje się tak gdy cała tablica procesów, zwykle posiadająca sztucznie ograniczony rozmiar, zostanie zajęta przez wpisy zombie. Hierarchia powiadamiania o procesach zombie może zostać czasowo zmieniona przez mechanizm ptrace, czasem prowadząc do utrudnień przy debuggowaniu programów. Demon Demonem (ang. daemon czyli duszek) nazywamy proces działający w tle, nie podlegający sterowaniu z żadnego terminala, uruchamiany zwykle podczas startu systemu i działający do jego zamknięcia. Demon świadczy zwykle usługi o charakterze systemowym. Ponieważ demony nie są związane z żadnym terminalem, wyjściem diagnostycznym dla nich jest zwykle podsystem dziennika pracy systemu (demon syslogd), zwyczajowo zapisujący komunikaty w plikach tekstowych. Sterowanie demonami odbywa się poprzez sygnały lub nazwane środki komunikacji międzyprocesowej. Zakończenie pracy procesu potomnego powoduje wysłanie do procesu macierzystego sygnału SIGCLD oraz przejście w stan zwany zombie. Wszystkie zasoby przydzielone procesowi potomnemu są zwalniane (np. zamykane są pliki), ale pozostaje wpis w liście procesów, mogący doprowadzi do jej przepełnienia. Wpis ten zostaje usunięty, o ile proces macierzysty wykona funkcję z rodziny wait. Najprostszą formą jest funkcja z argumentem typu wskazanie na int, gdzie zapisuje się stan zakończonego procesu potomnego. Kod powrotu procesu na przykład można uzyska za pomocą makra WEXITSTATUS (definicja w pliku nagłówkowym sys/wait.h). Funkcja wait zwraca numer procesu potomnego. Sposób realizacji wszystkich tych działań jest różny dla różnych systemów operacyjnych.
Definicje niektórych pojęć związanych ze współbieżnością wątek W pojedynczym procesie może działać kilka wątków. Każdy wątek wykonuje kod programu, przy czym różne wątki mogą być w różnych "miejscach" kodu. Wątki działają w jednej przestrzeni adresowej (należącej do procesu), dlatego mają wszystkie dostęp do zmiennych globalnych. Każdy wątek ma własny stos, dlatego każdy wątek ma swoje własne zmienne lokalne. zasoby krytyczne Tylko jeden proces może mieć w danej chwili dostęp do danego zasobu krytycznego. Takim zasobem może być np lista elementów znajdująca się w pamięci operacyjnej, na której proces chce dokonywać operacji dodawania/usuwania elementów. Gdyby dwa procesy wykonywały takie operacje równocześnie to lista prawdopodobnie zostałaby uszkodzona (przy niekorzystnym zbiegu okoliczności). sekcja krytyczna Jest to fragment kodu, w którym dany proces używa zasobu krytycznego. Tak więc sekcja krytyczna jest zawsze związana z pewnym zasobem krytycznym (zauważmy że dwa procesy mogą równocześnie przebywać w sekcjach krytycznych różnych zasobów). wzajemne wykluczanie Mechanizm wzajemnego wykluczania musi zapewniać, że tylko jeden proces może przebywać w sekcji krytycznej związanej z danym zasobem. Zazwyczaj na początku i na końcu sekcji krytycznej dodaje się pewien protokół wstępny i protokół końcowy. zagłodzenie Grupa procesów oczekuje na zdarzenie. Zdarzenie pojawia się wiele ale "nasz" proces nigdy nie jest wybierany. Mówimy o tym procesie, że został zagłodzony. przełączanie procesora, przełączenie kontekstu, wywłaszczenie procesu Gdy mamy kilka procesów w maszynie z jednym procesorem, to procesor ten musi obsługiwać "po trochu" wszystkie procesy. Operację w której procesor przechodzi od jednego procesu do drugiego nazywamy przełączeniem procesora lub przełączeniem kontekstu. Trzeba wtedy zapamiętać stan (m.in. wartości rejestrów procesora) jednego procesu i odtworzyć stan drugiego. O procesie który "stracił" procesor mówimy, że został wywłaszczony. rodzaje interakcji między procesami 1. Procesy nieświadome swojego istnienia. Pojawia się problem współzawodnictwa w dostępie do zasobów krytycznych (niezbędna jest synchronizacja procesów). 2. Procesy współpracujące przez "dzielenie". Może to być dzielenie pliku lub pamięci operacyjnej. 3. Procesy współpracujące przez wysyłanie komunikatów. synchronizacja procesów lub wątków Jest to wstrzymywanie działania procesu lub wątku aby nie dopuścić do "utraty spójności danych"; np gdy dwa procesy chcą wejść do sekcji krytycznej związanej z pewnym zasobem to jeden z nich musi być "wstrzymywany" tak długo aż drugi proces nie opuści sekcji krytycznej.
43. Semafor binarny. Definicja Dijkstry Współbieżne operacje na pamięci grożą jej desynchronizacją. Zjawisko to powstaje wtedy, gdy pewna podzielna (wywłaszczalna) operacja modyfikująca jest wykonywana przez wiele procesów jednocześnie. Po wywłaszczeniu jednego procesu w jej trakcie, drugi dostaje dane częściowo tylko zmienione - zwykle nieprawidłowe. Cześć kodu, która musi być wykonywana niepodzielnie (atomowo) przez co najwyżej jeden z procesów grupy nazywa się zwykle sekcją krytyczną. Najpopularniejszą metodą zapewniania atomowości kodu jest zabezpieczenie go semaforem. Semafor to jeden ze sposobów komunikacji międzyprocesowej. Semafory zostały po raz pierwszy opisane przez Edsgera Dijkstrę jako istotne rozwinięcie algorytmu Dekkera. Typowy semafor implementowany jest jako zmienna typu całkowitego. Semafor binarny może przyjmować tylko jedną z dwu możliwych wartości: 1 lub 0. Semafory są zwykle implementowane w obszarze jądra systemu operacyjnego. Pozwala to na zaawansowaną obsługę zadań chcących uzyskać dostęp do zasobu: wstrzymywanie ich do czasu zwolnienia semafora powiązanego z danym zasobem, wznowienie pracy zadania oczekującego na semaforze, utrzymywania semafora nawet po zakończeniu zadania, który go utworzyło. Na semaforze możemy wykonać dwie operacje: operacja opuszczenie (P) operacja podniesienia (V) Operacja opuszczenia (P),(wait) polega na zmniejszeniu jego wartości o jeden jeśli jest to możliwe. Tak więc jeśli semafor ma wartość 1, to wówczas przyjmuje wartość 0. Jeśli natomiast jest już "wyzerowany", to uważany jest jako "niedostępny" lub "pusty" a zadanie wykonujące taką operację jest blokowane. Operacja podniesienia (V),(signal) takiego semafora kieruje się zasadą, że jeśli istnieją procesy wstrzymane w wyniku jego opuszczenia, to jeden z nich jest wznawiany. W przeciwnym wypadku semafor przyjmuje wartość 1
Definicja klasyczna: P(S): zaczekaj aż wartość semafora S > 0; zmniejsz S := S 1 V(S): S := S + 1 Definicja "praktyczna": P(S): jeśli S > 0, to S := S 1 w przeciwnym razie wstrzymaj proces wykonujący te operacje V(s): jeśli są procesy oczekujące na S, to obudź jeden z nich w przeciwnym razie S := S + 1 Litery P i V zwykle są kojarzone ze słowami holenderskimi: passeren (przejść), proberen (próbować), vryjgeven (zwolnić), verhoog (zwiększać).