Александр Кручинин - Операционные системы

2 Расширяемость присуща микроядерной операционной системе в очень высокой степени.

3 Конфигурируемость. При микроядерном подходе конфигурируемость операционной системы не вызывает никаких проблем и не требует особых мер – достаточно изменить файл с настройками начальной конфигурации системы или же остановить не нужные больше серверы в ходе работы обычными для остановки приложений средствами.

4 Надежность . Использование микроядерной модели повышает надежность системы. Каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в своей собственной области памяти и таким образом защищен от других серверов операционной системы, что не наблюдается в традиционной операционной системе, где все модули ядра могут влиять друг на друга.

5 Модель с микроядром хорошо подходит для поддержки распределенных вычислений, так как использует механизмы, аналогичные сетевым: взаимодействие клиентов и серверов путем обмена сообщениями.

К основному и очень существенному недостатку относится низкая производительность операционной системы микроядерного типа. При классической организации операционной системы выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной организации – четырьмя (Рисунок 9).

Рисунок 9 – Смена режимов при выполнении системного вызова: в классической архитектуре (а); в микроядерной (б)

Таким образом, операционная система на основе микроядра при прочих равных условиях всегда будет менее производительной, чем система с классическим ядром. Именно по этой причине микроядерный подход не получил такого широкого распространения, которое ему предрекали. Примером микроядерной системы является VM/370, использующаяся в мейнфреймах.

Однако на настоящий момент не существует операционных систем с чисто классической или микроядерной архитектурой. В результате операционные системы образуют некоторый спектр, на одном краю которого находятся системы с минимально возможным микроядром, а на другом – системы, в которых микроядро выполняет достаточно большой объем функций.

1 Каковы две главные функции операционной системы?

2 Что такое многозадачность?

3 Перечислите основные различия между операционной системой для персонального компьютера и для мэйнфрейма.

4 Какие из приведенных ниже терминов являются синонимами? привилегированный режим; защищенный режим; режим супервизора; пользовательский режим; реальный режим; режим ядра.

5 В чем состоят отличия в работе процессора в привилегированном и пользовательском режимах?

6 Какими этапами отличается выполнение системного вызова в микроядерной операционной системе и системе с монолитным ядром?

7 В чем состоят современные тенденции развития операционных систем?

8 Каковы преимущества и недостатки микроядерной архитектуры?

9 Для чего служат менеджеры ресурсов?

10 Кем и на какой операционной системе был впервые опробован дружественный графический интерфейс?

В многозадачной системе процессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. В каждый конкретный момент времени процессор работает только с одной программой, создавая иллюзию параллельной работы, т.е. псевдопараллелизм [14]. Настоящая параллельная работа присутствует в многопроцессорных и многоядерных системах, таких как Core 2 Duo. Следить за работой параллельно идущих процессов достаточно трудно, поэтому со временем разработчики операционных систем создали концептуальную модель последовательных процессов, упрощающую эту работу.

В этой модели все функционирующее на компьютере программное обеспечение организовано в виде набора последовательных процессов. С позиции модели у каждого процесса есть собственный виртуальный центральный процессор. На рисунке 10, а представлена схема компьютера, работающего с 4 программами. На рисунке 10, б представлены 4 процесса каждый со своим логическим счетчиком команд, идущие независимо друг от друга. На самом деле существует только один физический счетчик команд, который загружается и сохраняется при переключении процессов. На рисунке 10, в видно, что за достаточно большой промежуток времени изменилось состояние всех 4 процессов.

Поскольку процессор переключается между программами, скорость, с которой процессор производит свои вычисления, будет непостоянной и, возможно, даже будет отличной при каждом новом запуске программы.

Существует четыре основных события, приводящие к созданию процессов:

• инициализация системы;

• выполнение изданного работающим процессом системного запроса на создание процесса;

• запрос пользователя на создание процесса;

• инициирование пакетного задания.

Программист для создания процесса в UNIX должен вызвать комбинацию из двух функций fork и execve, а в Windows – CreateProcess [12].

Процесс может завершиться благодаря одному из следующих действий:

• обычный выход (преднамеренно);

• выход по ошибке (преднамеренно);

• выход по неисправимой ошибке (непреднамеренно);

• уничтожение другим процессом (непреднамеренно).

Для завершения процесса программист в UNIX должен вызвать системный запрос kill, соответствующая функция в Win32 API – TerminateProcess.

Основным отличием структуры процессов в Windows и UNIX является связь между родительским и дочерним процессами. Так в UNIX существует иерархия процессов, а в Windows все процессы равноправны. Единственное, в чем проявляется что-то вроде иерархии процессов в Windows – создание процесса, в котором родительский процесс получает специальный маркер (так называемый дескриптор), позволяющий контролировать дочерний процесс. Но маркер можно передать другому процессу, нарушая иерархию.

Рисунок 10 – 4 программы в многозадачном режиме (а); модель 4 независимых последовательных процессов (б); в каждый момент времени активна только одна программа (в)

Процесс может находиться в 3 возможных состояниях (Рисунок 11):

• работающий (в конкретный момент времени использующий процессор);

• готовый к работе (процесс временно приостановлен, чтобы позволить выполняться другому процессу);

• заблокированный (процесс не может быть запущен прежде, чем произойдёт некое внешнее событие).

Рисунок 11 – Процесс может находиться в рабочем, готовом и заблокированном состоянии