Реферат: Операционные системы

В любой системе принято разбиение пространства ВЗУ на некоторые области данных, которые называются блоками. Размер логического блока является фиксированным атрибутом операционной системы. В операционной системе UNIX размеры блока определяет некоторый параметр, который может меняться в зависимости от версии системы. Для определенности будем говорить, что логический блок ВЗУ равен 512 байт.

Представим адресное пространство СВЗУ в виде последовательности блоков. Нулевой блок СВЗУ - это блок начальной загрузки, или блок, в котором находится программный загрузчик. Размещение этого блока в нулевом блоке СВЗУ определяется аппаратно, потому что аппаратный загрузчик обращается всегда именно к нулевому блоку. Это последний компонент файловой системы, который зависит от аппаратуры.

Следующий блок - это суперблок файловой системы. Он содержит оперативную информацию о текущем состоянии операционной системы, а также данные о параметрах настройки файловой системы. В частности, суперблок содержит информацию о количестве, так называемых, индексных дескрипторов в файловой системе. Также суперблок  содержит информацию о количестве блоков, составляющих файловую систему, а также информацию о свободных блоках файлов, о свободных индексных дескрипторах, и прочие данные, характеризующие время, дату модификации и другие специальные параметры.

За суперблоком следует область (пространство) индексных дескрипторов. Индексный дескриптор - это специальная структура данных файловой системы, которая ставится во взаимно однозначное соответствие с каждым файлом. Размер пространства индексных дескрипторов определяется параметром генерации файловой системы по количеству индексных дескрипторов, которые указаны в суперблоке. Каждый индексный дескриптор содержит следующую информацию:

1.   Поле, определяющее тип файла (каталог или нет).

2.   Поле кода защиты.

3.   Количество ссылок к данному индексному дескриптору из всевозможных каталогов файловой системы (в ситуации нарушения дерева файловой системы). Если значение этого поля равно нулю, то считается что этот индексный дескриптор свободен.

4.   Длина файла в байтах.

5.   Статистика: поля, характеризующие дату и время создания и т.п.

6.   Поле адресации блоков файлов.

                Следующее пространство файловой системы - это блоки файлов. Это пространство на системном устройстве, в котором размещается вся информация, хранящаяся в файлах и о файлах, которая не поместилась в предыдущие блоки файловой системы.

            Последняя область данных в разных системах реализуется по-разному, но для простоты изложения, мы будем считать, что эта область находится сразу за блоками файловой системы - это область сохранения.

Такова концептуальная структура файловой системы. Теперь рассмотрим детали.

Суперблок. Наибольший интерес в суперблоке вызывают последние два поля: поля информации о свободных блоках файлов и свободных индексных дескрипторах. В файловой системе UNIX-а заметно влияние двух факторов. Первый фактор - это то, что файловая система разрабатывалась в те времена, когда объем винчестера в 5-10Мб считался очень большим. Внутри структуры файловой системы заметны старания авторов оптимизировать использование пространства внешнего устройства. Второй фактор - свойство файловой системы по оптимизации доступа. Критерий оптимальности доступа - количество обменов файловой системы с внешним устройством, которые она производит для обеспечения нужд.

Список (массив) свободных блоков файлов состоит из пятидесяти элементов и занимает 100 байтов. В буфере, состоящем из пятидесяти элементов, записаны номера свободных блоков пространства блоков памяти. Эти номера записаны со второго элемента по сорок девятый. Первый элемент массива содержит номер последней записи в этом массиве. Нулевой элемент этого списка содержит ссылку на блок пространства блоков файлов, в котором этот список продолжен, и т.д.

Если какому-то процессу требуется для расширения размера его файла дополнительный свободный блок, то система по указателю Номер Блока (НБ) выбирает элемент массива (копия суперблока всегда присутствует в оперативной памяти, поэтому почти при всех таких действиях система не нуждается в обращении к СВЗУ) и этот блок предоставляется соответствующему файлу для расширения (при этом корректируется указатель НБ). Если происходит сокращение размера файла или удаление всего файла, то высвободившиеся номера записываются в массив свободных блоков, при этом также происходит коррекция указателя НБ.

Так как размер массива равен пятидесяти элементам, то возможны две критические ситуации. Первая - когда при освобождении новых блоков не удается поместить их номера в этом массиве, так как он уже полон. В этом случае из файловой системы выбирается один свободный блок (при этом он удаляется из списка свободных блоков) и заполненный массив свободных блоков копируется в этот блок. После этого значение указателя НБ обнуляется, а в нулевой элемент массива записывается номер блока, который мы выбрали для копирования в него нашего массива. В итоге, при постоянном освобождении блоков образуется список, в котором будут размещены номера абсолютно всех свободных блоков файловой системы.

Вторая критическая ситуация - когда нужно получить свободный блок, но содержимое массива исчерпалось. В этом случае система действует так: если нулевой элемент списка равен нулю, то это означает, что исчерпалось все пространство файловой системы, и выдается сообщение об этом. Если он не равен нулю, то его содержимое равно адресу продолжения массива, и операционная система подчитывает соответствующий блок и размещает это продолжение на место массива в суперблоке.

Второй массив, который находится в суперблоке - это массив, состоящий из ста элементов и содержащий номера свободных индексных дескрипторов. Работа с этим массивом осуществляется просто. Пока есть место в этом массиве, то при освобождении индексных дескрипторов свободные индексные дескрипторы записываются на свободные места массива. Если массив заполнен полностью, то запись в этот массив прекращается. Если, наоборот, содержимое массива исчерпалось, то запускается процесс, который        просматриваетобласть индексных дескрипторов и соответственно заполняет массив новыми значениями. Возможна ситуация, когда нужно создать файл, т.е. нужен новый индексный дескриптор, а в массиве нет ни одного элемента, и запущенный процесс также не нашел свободных индексных дескрипторов. Это вторая ситуация, когда система вынуждена заявить, что ресурс исчерпан (первая - когда заканчиваются свободные блоки файловой системы).

Лекция №8

Индексные дескрипторы. Индексные дескрипторы занимают несколько подряд идущих блоков на диске. Размер области индексных дескрипторов определяется параметром (который был определен при инсталляции системы), определяющим количество индексных дескрипторов для данной конкретной файловой системы. Размер области равен произведению этого количества на размер индексного дескриптора.

Индексный дескриптор - это объект UNIX-а, который ставится во взаимно однозначное соответствие с содержимым файла, за исключением случаев, когда файл есть некий специальный файл, ассоциированный с внешним устройством. В индексном дескрипторе существуют следующие поля:

1.   Поле, определяющее тип файла (каталог или нет).

2.   Поле кода защиты.

3.   Количество ссылок к данному индексному дескриптору из всевозможных каталогов файловой системы (в ситуации нарушения дерева файловой системы). Если значение этого поля равно нулю, то считается что этот индексный дескриптор свободен.

4.   Длина файла в байтах.

5.   Статистика: поля, характеризующие дату и время создания и т.п.

6.   Поле адресации блоков файлов.

Обратите внимание на то, что в индексном дескрипторе нет имени файла, хотя этот объект характеризует содержимое файла. Давайте посмотрим, как организована адресация блоков, в которых размещается содержимое файла.

В поле адресации находятся номера первых десяти блоков файлов. Если файл небольшой, то вся информация о размещении его блоков находится в индексном дескрипторе. Если файл превышает десять блоков, то начинает работать некая списочная структура. Одиннадцатый элемент поля адресации содержит номер блока из пространства блоков файлов, в котором размещены 128 ссылок на блоки данного файла.

В том случае, если файл еще больше, то используется двенадцатый элемент поля адресации. Он содержит номер блока, в котором содержится 128 записей о номерах блоков, содержащих по 128 номеров блоков файловой системы, т. е. здесь используется двойная косвенность. Если файл еще больше, то используется тринадцатый элемент и используется тройная косвенность (аналогично двойной, но добавляется еще один уровень). Предельный размер файла (при размере блока 512) будет равен (128 + 1282 + 1283) * 512 байт = 1Гб + 8Мб + 64Кб > 1Гб.

Мы с вами договаривались, что в течение нашего курса мы будем обращать внимание на несоответствие скоростей и на сглаживание этого. Первая проблема - если бы файловая система не имела в суперблоке массива свободных блоков, то пришлось бы каким-либо образом каждый раз искать свободные блоки, и эта работа была бы сумасшедшей, и файловая система рухнула бы на идейном уровне. Аналогично со списком свободных индексных дескрипторов, хотя здесь поиск был бы проще, чем для свободных блоков, но тем не менее, здесь также есть элементы оптимизации. Косвенность в адресации блоков файлов позволяет нарастать накладным расходам по чтению блоков файлов соразмерно величине этого файла. То есть если файл маленький, то накладных расходов нет, потому что при открытии файла в оперативной памяти создается копия индексного дескриптора файла, и без дополнительных обращений к ВЗУ можно добраться к любому из десяти блоков файла сразу же. Если необходимо работать с блоками, размещенными на первом уровне косвенной адресации, то появляется один дополнительный обмен, но при этом доступ можно осуществить уже к 128-и блокам. Аналогичные рассуждения и для блоков второго и третьего порядка. Казалось бы, плохо то, что при обмене с большим файлом приходиться осуществлять множество дополнительных обменов, однако система UNIX хитрая - она использует глубокую эшелонированную буферизацию обменов с ВЗУ. То есть если мы и получаем некоторые накладные расходы на одном уровне, то они компенсируются на другом уровне оптимизации взаимодействия системы с внешней памятью.

Блоки файлов. Размер пространства блоков файлов определен однозначным образом за счет информации в суперблоке.

Область сохранения процессов. Хотя эта область изображена за блоками файлов, но она может быть размещена и в некотором файле файловой системы или на произвольном месте других ВЗУ. Это зависит от конкретной реализации системы. По сути, эта область является полезной областью, в которую происходит откачка процессов, а также эта область используется для оптимизации запуска наиболее часто используемых процессов с использованием, так называемого,  t-бита файла (подробнее об этом будет рассказано позже).

Итак, мы с вами рассмотрели структуру файловой системы и ее организацию на системном устройстве. Как любая системная конструкция, структура файловой системы и связанные с ней алгоритмы работы просты настолько, чтобы при работе с ними накладные расходы не выходили за пределы разумного. Файловая система UNIX-а при реальной работе заведомо оптимальнее файловой системы Windows NT (сравните даты разработок!!!), за счет простоты и оптимизации, которая встречается на каждом шагу.

Каталоги

Мы с вами говорили, что одним из свойств операционной системы UNIX является то, что вся информация размещается в файлах, т.е. нет каких-то специальных таблиц, которыми пользуется операционная система, за исключением тех таблиц, которые она создает, уже функционируя в пространстве оперативной памяти. Каталог, с точки зрения файловой системы, - это файл, в котором размещены данные о тех файлах, которые принадлежат каталогу.

                                                                                                                       В каталоге А содержаться файлы В, С и D, несмотря на то, что файлы В и С могут быть как файлами, так каталогами, а файл D является каталогом.

Каталог состоит из элементов, которые содержат два поля. Первое поле - номер индексного дескриптора,  второе поле - это имя файла, которое ассоциировано с     данным индексным дескриптором. Номера индексных дескрипторов (в пространстве индексных дескрипторов) начинаются с единицы. Первый индексный дескриптор - индексный дескриптор каталога. В общем случае в каталоге могут встречаться записи, ссылающиеся на один и тот же индексный дескриптор, но в каталоге не могут быть записи, имеющие одинаковые имена. Имя в пределах каталога уникально, но с содержимым файла может ассоциироваться произвольное количество имен. Поэтому есть некоторая неоднозначность в определении понятия файл в операционной системе UNIX. Файл оказывается не просто именованным набором данных: у него есть индексный дескриптор и может быть несколько имен (т.е. имя - вторичная компонента).

При создании каталога в нем всегда создаются две записи: запись на специальный файл с именем «.» (точка), с которым ассоциирован индексный дескриптор самого каталога, и файл «..» (две точки), с которым ассоциируется индексный дескриптор (ИД) родительского каталога. Для нашего примера каталог А имеет, например, ИД с номером 7, а каталог D имеет ИД с номером 5. Файл F имеет ИД  №10, файл G имеет ИД  №101. В этом случае файл-каталог D будет иметь следующее содержимое:

Отличие файла-каталога от обычных файлов пользователя заключается в содержимом поля типа файла в ИД. Для корневого каталога поле родителя будет ссылаться на него самого.

Теперь схематически рассмотрим, как могут использоваться полные имена и структура каталогов. В системе, в каждый момент времени работы пользователя определен текущий каталог, то есть каталог и весь путь от корня, связанный с этим каталогом, который по умолчанию подставляется ко всем именам файлов, не начинающихся с символа «/». Если текущий каталог D, то можно говорить просто о файлах F и G, а если надо добраться до файла В, то необходимо использовать полное имя или специальный файл «..», т.е., в данном случае, конструкцию «../В». Мы ссылаемся на файл «..» - это означает, что нужно прочесть ИД родителя и по нему добраться до содержимого каталога А. Затем в файле-каталоге А надо выбрать строку с именем В и определить ИД файла В, а затем произвести открытие файла. Вся эта операция довольно трудоемка, однако учитывая то, что файлы открываются не часто, это не будет сказываться на скорости работы системы.

Мы говорили, что с одним и тем же содержимым может ассоциироваться несколько имен, т.е. одновременно могут быть открыты файлы с одним и тем же ИД. Возникает проблема - как синхронизируется работа с содержимым файла в случае его открытия разными процессами или с разными именами. В UNIX-е это решается достаточно корректно (это мы рассмотрим несколько позже).

Специальные файлы устройств

Мы уже знаем два типа файлов: файлы-каталоги и рабочие файлы, в которых хранятся данные. Есть третья разновидность - файлы устройств. Эта разновидность характеризуется типом, указанным в ИД. Содержимого у файлов устройств нет, а есть только ИД и имя. В ИД указывается информация о том, какой тип устройства ассоциирован с этим файлом: байт-ориентированное устройство или блок-ориентированное устройство. Байт-ориентированное устройство - это то устройство, обмен с которым осуществляется по одному байту (например, клавиатура). Блок-ориентированное устройство - это устройство, с которым обмен может осуществляться блоками.

Также имеется поле, определяющее номер драйвера, связанного с этим устройством (у одного устройства может быть несколько драйверов, но не наоборот). Это поле, на самом деле, есть номер в таблице драйверов соответствующего класса устройств. В системе имеются две таблицы: для блок- и для байт-ориентированных устройств. Также в ИД определен некоторый цифровой параметр, который может быть передан драйверу в качестве уточняющего информацию о работе.

Организация обмена данными с файлами

Определим сначала, что является низкоуровневым вводом/выводом в системе. В файловой системе UNIX-а определены некоторые специальные функции, которые называются системными вызовами. Системные вызовы осуществляют непосредственное обращение к операционной системе, то есть это функции, выполняющие некоторые действия операционной системы. Реализация системных и библиотечных функций (например, математических) в корне отличается. Если библиотечная функция будет подгружена в тело процесса, который пользуется этой библиотекой, то все действия в большинстве случаев будут выполняться в пределах этого процесса, а системный вызов сразу же передает управление операционной системе и она выполняет заказанное действие. В UNIX-е для обеспечения низкоуровнего ввода/вывода, т.е. ввода/вывода, который реализуется посредством системных вызовов, имеется набор функций. Вот основные из них:

1.   open - Открытие имеющегося файла. Одним из параметров этой функции является строка с именем файла, а возвращает она некоторое число, которое называется дескриптором файла. В теле процесса пользователя, а также в данных, ассоциированных с этим процессом, размещается (кроме кода и данных, разумеется) некоторая служебная информация, в частности, таблица файловых дескрипторов. Она, как и все таблицы в системе UNIX, позиционная, т.е. номер дескриптора соответствует номеру записи в этой таблице. С файловым дескриптором (ФД) ассоциировано имя файла и все необходимые атрибуты для работы с ним. Номера ФД  уникальны в пределах одного процесса. Есть аналогичная функция create - функция открытия нового файла.

2.   read/write - системные вызовы чтения/записи, параметрами которых является номер ФД и некоторые атрибуты, которые не так важны для нашего рассмотрения.

3.   close - системный вызов завершения работы с файлом, параметром которого является номер ФД. После обращения к этой функции ФД становится свободным, а работа данного процесса с файлом завершается.

Вот некоторые системные вызовы, обеспечивающие ввод/вывод (кстати, они почти не добавляют кода к вашей программе). Подробности посмотрите самостоятельно. Я обратил ваше внимание, что это системные вызовы, потому что ввод/вывод можно осуществлять и через библиотеки ввода/вывода. Для этого существует, так называемый, файловый обмен и функции fopen, fread, и т.д. (с префиксом f). Это библиотечные функции. Эти функции сами обращаются к низкоуровневым функциям внутри себя.

Рассмотрим организацию обмена с системной точки зрения в операционной системе UNIX. При организации обмена операционная система подразделяет данные на две категории: данные, ассоциированные с процессом пользователя, и данные, ассоциированные с операционной системой.

Таблица индексных дескрипторов открытых файлов. Первая таблица данных, ассоциированных с операционной системой, - таблица индексных дескрипторов открытых файлов (ТИДОФ). Эта таблица содержит записи, каждая из которых содержит копию индексного дескриптора для каждого открытого в системе файла. Через эту копию осуществляется доступ к блокам файлов. Каждая записей таблицы содержит также поле, характеризующее количество открытых в системе файлов, использующих данный дескриптор (счетчик). То есть, если один и тот же файл открыт от имени двух процессов, то запись в ТИДОФ создается одна, но каждое дополнительное открытие этого файла увеличивает счетчик на единицу.

Таблица файлов. Таблица файлов (ТФ) содержит информацию об имени открытого файла, и имеет ссылку на ТИДОФ.

Лекция №9

Мы говорили, что система может работать с содержимым файла в том и только том случае, если процесс зарегистрировал свое желание работать с этим файлом. Факт такой регистрации называется открытием файла. При открытии файла в пределах процесса каждому имени открываемого файла (открываться может уже существующий файл, либо новый) ставится в соответствие уникальное целое число, которое называется файловым дескриптором (ФД). В пределах процесса ФД имеют нумерацию от 0 до k-1. Значение k - это параметр настройки операционной системы, определяющий, какое количество одновременно открытых файлов может быть у процесса. Здесь следует отметить, что мы говорим о количестве одновременно открытых файлов (так же написано в любой книжке по UNIX-у), однако, на самом деле, k - это максимальное количество ФД, которые могут быть ассоциированы с одним файлом, потому что один и тот же файл в пределах процесса можно открыть два раза, и образуется два ФД. К чему это приведет, мы рассмотрим несколько позже, но это вполне корректно. После открытия файла, все операции обмена осуществляются через указания файлового дескриптора (т.е. имя более нигде не указывается). С каждым файловым дескриптором ассоциирован ряд параметров (о них чуть позже).

Давайте посмотрим, как организуется ввод/вывод, а точнее обработка низкоуровнего обмена, с точки зрения операционной системы. Сейчас будет рассказано о логической схеме организации ввода/вывода, ибо реальная схема устроена несколько иначе, но это для нас не так важно.

Все данные, с которыми оперирует система, подразделяются на два класса. Первый тип данных - данные, ассоциированные с операционной системой, то есть общесистемные данные. К этим данным относится ТИДОФ. Размер таблицы фиксирован и определяется количеством одновременно открытых ФД. Каждая запись в этой таблице содержит некоторую информацию, среди которой нас будет интересовать следующая:

1)  Копия ИД открытого файла. Для любого открытого файла, ИД, который характеризует содержимое этого файла, копируется и размещается в ТИДОФ. После этого все манипуляции с файлом (например, изменение адресации файла) происходят с копией ИД, а не с самим ИД на диске. ТИДОФ размещается в оперативной памяти, т.е. доступ к информации в ней осуществляется быстро.

2)  Счетчик открытых в данный момент файлов, связанных с данным ИД. Это означает, что для любого количества открытий файла, связанного с данным ИД, система работает с единственной копией этого ИД.

Страницы: 1, 2, 3, 4