ГЛАВА 1
ОБЩИЙ ОБЗОР ОСОБЕННОСТЕЙ EСИСТЕМЫ
За время, прошедшее с момента ее появления в 1969 году, система UNIX
стала довольно популярной и получила распространение на машинах с различной
мощностью обработки, от микропроцессоров до больших ЭВМ, обеспечивая на них
общие условия выполнения программ. Система делится на две части. Одну часть
составляют программы и сервисные функции, то, что делает операционную среду
UNIX такой популярной; эта часть легко доступна пользователям, она включает
такие программы, как командный процессор, обмен сообщениями, пакеты обработ-
ки текстов и системы обработки исходных текстов программ. Другая часть вклю-
чает в себя собственно операционную систему, поддерживающую эти программы и
функции. В этой книге дается детальное описание собственно операционной сис-
темы. Основное внимание концентрируется на описании системы UNIX версии V,
распространением которой занимается корпорация AT&T, при этом рассматривают-
ся интересные особенности и других версий. Приводятся основные информацион-
ные структуры и алгоритмы, используемые в операционной системе и в конечном
итоге создающие условия для функционирования стандартного пользовательского
интерфейса.
Данная глава служит введением в систему UNIX. В ней делается обзор исто-
рии ее создания и намечаются контуры общей структуры системы. В следующей
главе содержится более детальная вводная информация по операционной системе.
1.1 ИСТОРИЯ
В 1965 году фирма Bell Telephone Laboratories, объединив свои усилия с
компанией General Electric и проектом MAC Массачусетского технологического
института, приступили к разработке новой операционной системы, получившей
название Multics [Organick 72]. Перед системой Multics были поставлены зада-
чи - обеспечить одновременный доступ к ресурсам ЭВМ большого количества
пользователей, обеспечить достаточную скорость вычислений и хранение данных
и дать возможность пользователям в случае необходимости совместно использо-
вать данные. Многие разработчики, впоследствии принявшие участие в создании
ранних редакций системы UNIX, участвовали в работе над системой Multics в
фирме Bell Laboratories. Хотя первая версия системы Multics и была запущена
в 1969 году на ЭВМ GE 645, она не обеспечивала выполнение главных вычисли-
тельных задач, для решения которых она предназначалась, и не было даже ясно,
когда цели разработки будут достигнуты. Поэтому фирма Bell Laboratories
прекратила свое участие в проекте.
По окончании работы над проектом Multics сотрудники Исследовательского
центра по информатике фирмы Bell Laboratories остались без 'достаточно инте-
рактивного вычислительного средства' [Ritchie 84a]. Пытаясь усовершенство-
вать среду программирования, Кен Томпсон, Дэннис Ричи и другие набросали на
бумаге проект файловой системы, получивший позднее дальнейшее развитие в
ранней версии файловой системы UNIX. Томпсоном были написаны программы, ими-
тирующие поведение предложенной файловой системы в режиме подкачки данных по
запросу, им было даже создано простейшее ядро операционной системы для ЭВМ
GE 645. В то же время он написал на Фортране игровую программу 'Space
Travel' ('Космическое путешествие') для системы GECOS (Honeywell 635), но
программа не смогла удовлетворить пользователей, поскольку управлять 'косми-
ческим кораблем' оказалось сложно, кроме того, при загрузке программа зани-
мала много места. Позже Томпсон обнаружил малоиспользуемый компьютер PDP-7,
оснащенный хорошим графическим дисплеем и имеющий дешевое машинное время.
Создавая программу 'Космическое путешествие' для PDP-7, Томпсон получил воз-
можность изучить машину, однако условия разработки программ потребовали ис-
6
пользования кросс-ассемблера для трансляции программы на машине с системой
GECOS и использования перфоленты для ввода в PDP-7. Для того, чтобы улучшить
условия разработки, Томпсон и Ричи выполнили на PDP-7 свой проект системы,
включивший первую версию файловой системы UNIX, подсистему управления про-
цессами и небольшой набор утилит. В конце концов, новая система больше не
нуждалась в поддержке со стороны системы GECOS в качестве операционной среды
разработки и могла поддерживать себя сама. Новая система получила название
UNIX, по сходству с Multics его придумал еще один сотрудник Исследователь-
ского центра по информатике Брайан Керниган.
Несмотря на то, что эта ранняя версия системы UNIX уже была многообещаю-
щей, она не могла реализовать свой потенциал до тех пор, пока не получила
применение в реальном проекте. Так, для того, чтобы обеспечить функциониро-
вание системы обработки текстов для патентного отдела фирмы Bell
Laboratories, в 1971 году система UNIX была перенесена на ЭВМ PDP-11. Систе-
ма отличалась небольшим объемом: 16 Кбайт для системы, 8 Кбайт для программ
пользователей, обслуживала диск объемом 512 Кбайт и отводила под каждый файл
не более 64 Кбайт. После своего первого успеха Томпсон собрался было напи-
сать для новой системы транслятор с Фортрана, но вместо этого занялся языком
Би (B), предшественником которого явился язык BCPL [Richards 69]. Би был ин-
терпретируемым языком со всеми недостатками, присущими подобным языкам, поэ-
тому Ричи переделал его в новую разновидность, получившую название Си (C) и
разрешающую генерировать машинный код, объявлять типы данных и определять
структуру данных. В 1973 году система была написана заново на Си, это был
шаг, неслыханный для того времени, но имевший огромный резонанс среди сто-
ронних пользователей. Количество машин фирмы Bell Laboratories, на которых
была инсталлирована система, возросло до 25, в результате чего была создана
группа по системному сопровождению UNIX внутри фирмы.
В то время корпорация AT&T не могла заниматься продажей компьютерных
продуктов в связи с соответствующим соглашением, подписанным ею с федераль-
ным правительством в 1956 году, и распространяла систему UNIX среди универ-
ситетов, которым она была нужна в учебных целях. Следуя букве соглашения,
корпорация AT&T не рекламировала, не продавала и не сопровождала систему.
Несмотря на это, популярность системы устойчиво росла. В 1974 году Томпсон и
Ричи опубликовали статью, описывающую систему UNIX, в журнале Communications
of the ACM [Thompson 74], что дало еще один импульс к распространению систе-
мы. К 1977 году количество машин, на которых функционировала система UNIX,
увеличилось до 500, при чем 125 из них работали в университетах. Система
UNIX завоевала популярность среди телефонных компаний, поскольку обеспечива-
ла хорошие условия для разработки программ, обслуживала работу в сети в ре-
жиме диалога и работу в реальном масштабе времени (с помощью системы MERT
[Lycklama 78a]). Помимо университетов, лицензии на систему UNIX были переда-
ны коммерческим организациям. В 1977 году корпорация Interactive Systems
стала первой организацией, получившей права на перепродажу системы UNIX с
надбавкой к цене за дополнительные услуги (*), которые заключались в адапта-
ции системы к функционированию в автоматизированных системах управления уч-
режденческой деятельностью. 1977 год также был отмечен 'переносом' системы
UNIX на машину, отличную от PDP (благодаря чему стал возможен запуск системы
на другой машине без изменений или с небольшими изменениями), а именно на
Interdata 8/32.
С ростом популярности микропроцессоров другие компании стали переносить
систему UNIX на новые машины, однако ее простота и ясность побудили многих
разработчиков к самостоятельному развитию системы, в результате чего было
---------------------------
(*) Организации, получившие права на перепродажу с надбавкой к цене за до-
полнительные услуги, оснащают вычислительную систему прикладными прог-
раммами, касающимися конкретных областей применения, стремясь удовлет-
ворить требования рынка. Такие организации чаще продают прикладные
программы, нежели операционные системы, под управлением которых эти
программы работают.
7
создано несколько вариантов базисной системы. За период между 1977 и 1982
годом фирма Bell Laboratories объединила несколько вариантов, разработанных
в корпорации AT&T, в один, получивший коммерческое название UNIX версия III.
В дальнейшем фирма Bell Laboratories добавила в версию III несколько новых
особенностей, назвав новый продукт UNIX версия V (**), и эта версия стала
официально распространяться корпорацией AT&T с января 1983 года. В то же
время сотрудники Калифорнийского университета в Бэркли разработали вариант
системы UNIX, получивший название BSD 4.3 для машин серии VAX и отличающийся
некоторыми новыми, интересными особенностями. Основное внимание в этой книге
концентрируется на описании системы UNIX версии V, однако время от времени
мы будем касаться и особенностей системы BSD.
К началу 1984 года система UNIX была уже инсталлирована приблизительно
на 100000 машин по всему миру, при чем на машинах с широким диапазоном вы-
числительных возможностей - от микропроцессоров до больших ЭВМ - и разных
изготовителей. Ни о какой другой операционной системе нельзя было бы сказать
того же. Популярность и успех системы UNIX объяснялись несколькими причина-
ми:
* Система написана на языке высокого уровня, благодаря чему ее легко читать,
понимать, изменять и переносить на другие машины. По оценкам, сделанным
Ричи, первый вариант системы на Си имел на 20-40 % больший объем и работал
медленнее по сравнению с вариантом на ассемблере, однако преимущества ис-
пользования языка высокого уровня намного перевешивают недостатки (см.
[Ritchie 78b], стр. 1965).
* Наличие довольно простого пользовательского интерфейса, в котором имеется
возможность предоставлять все необходимые пользователю услуги.
* Наличие элементарных средств, позволяющих создавать сложные программы из
более простых.
* Наличие иерархической файловой системы, легкой в сопровождении и эффектив-
ной в работе.
* Обеспечение согласования форматов в файлах, работа с последовательным по-
током байтов, благодаря чему облегчается чтение прикладных программ.
* Наличие простого, последовательного интерфейса с периферийными устройства-
ми.
* Система является многопользовательской, многозадачной; каждый пользователь
может одновременно выполнять несколько процессов.
* Архитектура машины скрыта от пользователя, благодаря этому облегчен про-
цесс написания программ, работающих на различных конфигурациях аппаратных
средств.
Простота и последовательность вообще отличают систему UNIX и объясняют
большинство из вышеприведенных доводов в ее пользу.
Хотя операционная система и большинство команд написаны на Си, система
UNIX поддерживает ряд других языков, таких как Фортран, Бейсик, Паскаль,
Ада, Кобол, Лисп и Пролог. Система UNIX может поддерживать любой язык прог-
раммирования, для которого имеется компилятор или интерпретатор, и обеспечи-
вать системный интерфейс, устанавливающий соответствие между пользователь-
скими запросами к операционной системе и набором запросов, принятых в UNIX.
1.2 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ
На Рисунке 1.1 изображена архитектура верхнего уровня системы UNIX. Тех-
нические средства, показанные в центре диаграммы, выполняют функции, обеспе-
чивающие функционирование операционной системы и перечисленные в разделе
1.5. Операционная система взаимодействует с аппаратурой непосредственно
---------------------------
(**) А что же версия IV ? Модификация внутреннего варианта системы получила
название 'версия V'.
8
(***), обеспечивая обслуживание программ и их независимость от деталей аппа-
ратной конфигурации. Если представить систему состоящей из пластов, в ней
можно выделить системное ядро, изолированное от пользовательских
----------т-----------------------------------
| | Другие прикладные программы |
| -----+-------т--------т-------т----- |
| | cpp| nroff | sh | who | | |
| | |------------------------| a. | |
| |----| Ядро |out | |
| | | ---------------- | | |
| |comp| | | |----| |
| | | | Технические | | | |
| cc |----| | | |date| |
| | | | средства | | | |
| | as | | | |----| |
| | | ---------------- | | |
| |----| | | |
| | |-------т--------т-------| wc | |
| | ld | vi | ed | grep | | |
| -----+------------------------------ |
| | Другие прикладные программы |
----------------------------------------------
Рисунок 1.1. Архитектура системы UNIX
программ. Поскольку программы не зависят от аппаратуры, их легко переносить
из одной системы UNIX в другую, функционирующую на другом комплексе техни-
ческих средств, если только в этих программах не подразумевается работа с
конкретным оборудованием. Например, программы, расчитанные на определенный
размер машинного слова, гораздо труднее переводить на другие машины по срав-
нению с программами, не требующими подобных установлений.
Программы, подобные командному процессору shell и редакторам (ed и vi) и
показанные на внешнем по отношению к ядру слое, взаимодействуют с ядром при
помощи хорошо определенного набора обращений к операционной системе. Обраще-
ния к операционной системе понуждают ядро к выполнению различных операций,
которых требует вызывающая программа, и обеспечивают обмен данными между яд-
ром и программой. Некоторые из программ, приведенных на рисунке, в стандарт-
ных конфигурациях системы известны как команды, однако на одном уровне с ни-
ми могут располагаться и доступные пользователю программы, такие как прог-
рамма a.out, стандартное имя для исполняемого файла, созданного компилятором
с языка Си. Другие прикладные программы располагаются выше указанных прог-
рамм, на верхнем уровне, как это показано на рисунке. Например, стандартный
компилятор с языка Си, cc, располагается на самом внешнем слое: он вызывает
препроцессор для Си, ассемблер и загрузчик (компоновщик), т.е. отдельные
программы предыдущего уровня. Хотя на рисунке приведена двухуровневая иерар-
хия прикладных программ, пользователь может расширить иерархическую структу-
ру на столько уровней, сколько необходимо. В самом деле, стиль программиро-
---------------------------
(***) В некоторых реализациях системы UNIX операционная система взаимодейст-
вует с собственной операционной системой, которая, в свою очередь,
взаимодействует с аппаратурой и выполняет необходимые функции по обс-
луживанию системы. В таких реализациях допускается инсталляция других
операционных систем с загрузкой под их управлением прикладных программ
параллельно с системой UNIX. Классическим примером подобной реализации
явилась система MERT [Lycklama 78a]. Более новым примером могут слу-
жить реализации для компьютеров серии IBM 370 [Felton 84] и UNIVAC
1100 [Bodenstab 84].
9
вания, принятый в системе UNIX, допускает разработку комбинации программ,
выполняющих одну и ту же, общую задачу.
Многие прикладные подсистемы и программы, составляющие верхний уровень
системы, такие как командный процессор shell, редакторы, SCCS (система обра-
ботки исходных текстов программ) и пакеты программ подготовки документации,
постепенно становятся синонимом понятия 'система UNIX'. Однако все они поль-
зуются услугами программ нижних уровней и в конечном счете ядра с помощью
набора обращений к операционной системе. В версии V принято 64 типа обраще-
ний к операционной системе, из которых немногим меньше половины используются
часто. Они имеют несложные параметры, что облегчает их использование, пре-
доставляя при этом большие возможности пользователю. Набор обращений к опе-
рационной системе вместе с реализующими их внутренними алгоритмами составля-
ют 'тело' ядра, в связи с чем рассмотрение операционной системы UNIX в этой
книге сводится к подробному изучению и анализу обращений к системе и их вза-
имодействия между собой. Короче говоря, ядро реализует функции, на которых
основывается выполнение всех прикладных программ в системе UNIX, и им же оп-
ределяются эти функции. В книге часто употребляются термины 'система UNIX',
'ядро' или 'система', однако при этом имеется ввиду ядро операционной систе-
мы UNIX, что и должно вытекать из контекста.
1.3 ОБЗОР С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
В этом разделе кратко рассматриваются главные детали системы UNIX, в
частности файловая система, среда выполнения процессов и элементы структур-
ных блоков (например, каналы). Подробное исследование взаимодействия этих
деталей с ядром содержится в последующих главах.
1.3.1 Файловая система
Файловая система UNIX характеризуется:
* иерархической структурой,
* согласованной обработкой массивов данных,
* возможностью создания и удаления файлов,
* динамическим расширением файлов,
* защитой информации в файлах,
* трактовкой периферийных устройств (таких как терминалы и ленточные ус-
тройства) как файлов.
Файловая система организована в виде дерева с одной исходной вершиной,
которая называется корнем (записывается: '/'); каждая вершина в древовидной
структуре файловой системы, кроме листьев, является каталогом файлов, а фай-
/
--------------т------------+---------т---------т----------
| | | | | |
fsl bin etc usr unix dev
----- ----+---- | ----- -----
| | | | | | | | | |
mjb maury sh date who passwd src bin tty00 tty01
|
|
cmd
---------
| |
date.c who.c
Рисунок 1.2. Пример древовидной структуры файловой системы
10
лы, соответствующие дочерним вершинам, являются либо каталогами, либо обыч-
ными файлами, либо файлами устройств. Имени файла предшествует указание пути
поиска, который описывает место расположения файла в иерархической структуре
файловой системы. Имя пути поиска состоит из компонент, разделенных между
собой наклонной чертой (/); каждая компонента
представляет собой набор символов, составляющих имя вершины (файла), которое
является уникальным для каталога (предыдущей компоненты), в котором оно со-
держится. Полное имя пути поиска начинается с указания наклонной черты и
идентифицирует файл (вершину), поиск которого ведется от корневой вершины
дерева файловой системы с обходом тех ветвей дерева файлов, которые соответ-
ствуют именам отдельных компонент. Так, пути '/etc/passwd', '/bin/who' и
'/usr/src/cmd/who.c' указывают на файлы, являющиеся вершинами дерева, изоб-
раженного на Рисунке 1.2, а пути '/bin/passwd' и '/usr/ src/date.c' содержат
неверный маршрут. Имя пути поиска необязательно должно начинаться с корня, в
нем следует указывать маршрут относительно текущего для выполняемого процес-
са каталога, при этом предыдущие символы 'наклонная черта' в имени пути
опускаются. Так, например, если мы находимся в каталоге '/dev', то путь
'tty01' указывает файл, полное имя пути поиска для которого '/dev
/tty01'.
Программы, выполняемые под управлением системы UNIX, не содержат никакой
информации относительно внутреннего формата, в котором ядро хранит файлы
данных, данные в программах представляются как бесформатный поток байтов.
Программы могут интерпретировать поток байтов по своему желанию, при этом
любая интерпретация никак не будет связана с фактическим способом хранения
данных в операционной системе. Так, синтаксические правила, определяющие за-
дание метода доступа к данным в файле, устанавливаются системой и являются
едиными для всех программ, однако семантика данных определяется конкретной
программой. Например, программа форматирования текста troff ищет в конце
каждой строки текста символы перехода на новую строку, а программа учета
системных ресурсов acctcom работает с записями фиксированной длины. Обе
программы пользуются одними и теми же системными средствами для осуществле-
ния доступа к данным в файле как к потоку байтов, и внутри себя преобразуют
этот поток по соответствующему формату. Если любая из программ обнаружит,
что формат данных неверен, она принимает соответствующие меры.
Каталоги похожи на обычные файлы в одном отношении; система представляет
информацию в каталоге набором байтов, но эта информация включает в себя име-
на файлов в каталоге в объявленном формате для того, чтобы операционная сис-
тема и программы, такие как ls (выводит список имен и атрибутов файлов),
могли их обнаружить.
Права доступа к файлу регулируются установкой специальных битов разреше-
ния доступа, связанных с файлом. Устанавливая биты разрешения доступа, можно
независимо управлять выдачей разрешений на чтение, запись и выполнение для
трех категорий пользователей: владельца файла, группового пользователя и
прочих. Пользователи могут создавать файлы, если разрешен доступ к каталогу.
Вновь созданные файлы становятся листьями в древовидной структуре файловой
системы.
Для пользователя система UNIX трактует устройства так, как если бы они
были файлами. Устройства, для которых назначены специальные файлы устройств,
становятся вершинами в структуре файловой системы. Обращение программ к уст-
ройствам имеет тот же самый синтаксис, что и обращение к обычным файлам; се-
мантика операций чтения и записи по отношению к устройствам в большой степе-
ни совпадает с семантикой операций чтения и записи обычных файлов. Способ
защиты устройств совпадает со способом защиты обычных файлов: путем соответ-
ствующей установки битов разрешения доступа к ним (файлам). Поскольку имена
устройств выглядят так же, как и имена обычных файлов, и поскольку над уст-
ройствами и над обычными файлами выполняются одни и те же операции, большин-
ству программ нет необходимости различать внутри себя типы обрабатываемых
файлов.
11
Например, рассмотрим программу на языке Си (Рисунок 1.3), в которой соз-
дается новая копия существующего файла. Предположим, что исполняемая версия
программы имеет наименование copy. Для запуска программы пользователь вводит
с терминала:
copy oldfile newfile
где oldfile - имя существующего файла, а newfile - имя создаваемого файла.
Система выполняет процедуру main, присваивая аргументу argc значение коли-
чества параметров в списке argv, а каждому элементу массива argv значение
параметра, сообщенного пользователем. В приведенном примере argc имеет зна-
чение 3, элемент argv[0] содержит строку символов 'copy' (имя программы ус-
ловно является нулевым параметром), argv[1] - строку символов 'oldfile', а
argv[2] - строку символов 'newfile'. Затем программа проверяет, правильное
ли количество параметров было указано при ее запуске. Если это так, запуска-
ется операция open (открыть) для файла oldfile с параметром 'read-only'
(только для чтения), в случае успешного выполнения которой запускается опе-
рация creat (открыть) для файла newfile. Режим доступа к вновь созданному
файлу описывается числом 0666 (в восьмиричном коде), что означает разрешение
доступа к файлу для чтения и записи для всех пользователей. Все обращения к
операционной системе в случае неудачи возвращают код -1; если же неудачно
завершаются операции open и creat, программа выдает сообщение и запускает
операцию exit (выйти) с возвращением кода состояния, равного 1, завершая
свою работу и указывая на возникновение ошибки.
Операции open и creat возвращают целое значение, являющееся дескриптором
файла и используемое программой в последующих ссылках на файлы. После этого
программа вызывает подпрограмму copy, выполняющую в цикле операцию read (чи-
тать), по которой производится чтение в буфер порции символов из существую-
щего файла, и операцию write (писать) для записи информации в новый файл.
Операция read каждый раз возвращает количество прочитанных байтов (0 - если
достигнут конец файла). Цикл завершается, если достигнут конец файла или ес-
ли произошла ошибка при выполнении операции read (отсутствует контроль воз-
никновения ошибок при выполнении операции write). Затем управление из подп-
рограммы copy возвращается в основную программу и запускается операция exit
с кодом состояния 0 в качестве параметра, что указывает на успешное заверше-
ние выполнения программы.
Программа копирует любые файлы, указанные при ее вызове в качестве аргу-
ментов, при условии, что разрешено открытие существующего файла и создание
нового файла. Файл может включать в себя как текст, который может быть выве-
ден на печатающее устройство, например, исходный текст программы, так и сим-
волы, не выводимые на печать, даже саму программу. Таким образом, оба вызо-
ва:
copy copy.c newcopy.c
copy copy newcopy
являются допустимыми. Существующий файл также может быть каталогом. Напри-
мер, по вызову:
copy . dircontents
копируется содержимое текущего каталога, обозначенного символом '.', в обыч-
ный файл 'dircontents'; информация в новом файле совпадает, вплоть до каждо-
го байта, с содержимым каталога, только этот файл обычного типа (для созда-
ния нового каталога предназначена операция mknod). Наконец, любой из файлов
может быть файлом устройства. Например, программа, вызванная следующим обра-
зом:
12
--------------------------------------------------------------
| #include |
| char buffer[2048]; |
| int version = 1; /* будет объяснено в главе 2 */ |
| |
| main(argc,argv) |
| int argc; |
| char *argv[]; |
| { |
| int fdold,fdnew; |
| |
| if (argc != 3) |
| { |
| printf('need 2 arguments for copy program\n); |
| exit(1); |
| } |
| fdold = open(argv[1],O_RDONLY); /* открыть исходный |
| файл только для |
| чтения */ |
| if (fdold == -1) |
| { |
| printf('cannot open file %s\n',argv[1]); |
| exit(1); |
| } |
| fdnew = creat(argv[2],0666); /* создать новый файл с |
| разрешением чтения и |
| записи для всех поль-|
| зователей */ |
| if (fdnew == -1) |
| { |
| printf('cannot create file %s\n',argv[2]); |
| exit(1); |
| } |
| copy(fdold,fdnew); |
| exit(0); |
| } |
| |
| copy(old,new) |
| int old,new; |
| { |
| int count; |
| |
| while ((count = read(old,buffer,sizeof(buffer))) > 0) |
| write(new,buffer,count); |
| } |
--------------------------------------------------------------
Рисунок 1.3. Программа копирования файла
copy /dev/tty terminalread
читает символы, вводимые с терминала (файл /dev/tty соответствует терминалу
пользователя), и копирует их в файл terminalread, завершая работу только в
том случае, если пользователь нажмет
. Похожая форма запуска программы:
copy /dev/tty /dev/tty
13
вызывает чтение символов с терминала и их копирование обратно на терминал.
1.3.2 Среда выполнения процессов
Программой называется исполняемый файл, а процессом называется последо-
вательность операций программы или часть программы при ее выполнении. В сис-
теме UNIX может одновременно выполняться множество процессов (эту особен-
ность иногда называют мультипрограммированием или многозадачным режимом),
при чем их число логически не ограничивается, и множество частей программы
(такой как copy) может одновременно находиться в системе. Различные систем-
ные операции позволяют процессам порождать новые процессы, завершают процес-
сы, синхронизируют выполнение этапов процесса и управляют реакцией на нас-
тупление различных событий. Благодаря различным обращениям к операционной
системе, процессы выполняются независимо друг от друга.
Например, процесс, выполняющийся в программе, приведенной на Рисунке
1.4, запускает операцию fork, чтобы породить новый процесс. Новый процесс,
именуемый порожденным процессом, получает значение кода завершения операции
fork, равное 0, и активизирует операцию execl, которая выполняет программу
copy (Рисунок 1.3). Операция execl загружает файл 'copy', который предполо-
жительно находится в текущем каталоге, в адресное пространство порожденного
процесса и запускает программу с параметрами, полученными от пользователя. В
случае успешного выполнения операции execl управление в вызвавший ее процесс
не возвращается, поскольку процесс выполняется в новом адресном пространстве
(подробнее об этом в главе 7). Тем временем, процесс, запустивший операцию
fork (родительский процесс), получает ненулевое значение кода завершения
операции, вызывает операцию wait, которая приостанавливает его выполнение до
тех пор, пока не закончится выполнение программы copy, и завершается (каждая
программа имеет выход в конце главной процедуры, после которой располагаются
программы стандартных библиотек Си, подключаемые в процессе компиляции).
Например, если исполняемая программа называется run, пользователь запускает
ее следующим образом:
--------------------------------------------------------------
| main(argc,argv) |
| int argc; |
| char *argv[]; |
| { |
| /* предусмотрено 2 аргумента: исходный файл и новый файл */|
| if (fork() == 0) |
| execl('copy','copy',argv[1],argv[2],0); |
| wait((int *)0) |
| printf('copy done\n'); |
| } |
--------------------------------------------------------------
Рисунок 1.4. Программа порождения нового процесса, выполняющего копиро-
вание файлов
run oldfile newfile
Процесс выполняет копирование файла с именем 'oldfile' в файл с именем
'newfile' и выводит сообщение. Хотя данная программа мало что добавила к
программе 'copy', в ней появились четыре основных обращения к операционной
системе, управляющие выполнением процессов: fork, exec, wait и exit.
Вообще использование обращений к операционной системе дает возможность
пользователю создавать программы, выполняющие сложные действия, и как следс-
твие, ядро операционной системы UNIX не включает в себя многие функции, яв-
14
ляющиеся частью 'ядра' в других системах. Такие функции, и среди них компи-
ляторы и редакторы, в системе UNIX являются программами пользовательского
уровня. Наиболее характерным примером подобной программы может служить ко-
мандный процессор shell, с которым обычно взаимодействуют пользователи после
входа в систему. Shell интерпретирует первое слово командной строки как имя
команды: во многих командах, в том числе и в командах fork (породить новый
процесс) и exec (выполнить порожденный процесс), сама команда ассоциируется
с ее именем, все остальные слова в командной строке трактуются как параметры
команды.
Shell обрабатывает команды трех типов. Во-первых, в качестве имени ко-
манды может быть указано имя исполняемого файла в объектном коде, полученно-
го в результате компиляции исходного текста программы (например, программы
на языке Си). Во-вторых, именем команды может быть имя командного файла, со-
держащего набор командных строк, обрабатываемых shell'ом. Наконец, команда
может быть внутренней командой языка shell (в отличие от исполняемого фай-
ла). Наличие внутренних команд делает shell языком программирования в допол-
нение к функциям командного процессора; командный язык shell включает коман-
ды организации циклов (for-in-do-done и while-do-done), команды выполнения
по условиям (if-then-else-fi), оператор выбора, команду изменения текущего
для процесса каталога (cd) и некоторые другие. Синтаксис shell'а допускает
сравнение с образцом и обработку параметров. Пользователям, запускающим ко-
манды, нет необходимости знать, какого типа эти команды.
Командный процессор shell ищет имена команд в указанном наборе катало-
гов, который можно изменить по желанию пользователя, вызвав shell. Shell
обычно исполняет команду синхронно, с ожиданием завершения выполнения коман-
ды прежде, чем считать следующую командную строку. Тем не менее, допускается
и асинхронное исполнение, когда очередная командная строка считывается и ис-
полняется, не дожидаясь завершения выполнения предыдущей команды. О коман-
дах, выполняемых асинхронно, говорят, что они выполняются на фоне других ко-
манд. Например, ввод команды
who
вызывает выполнение системой программы, хранящейся в файле
/bin/who (****) и осуществляющей вывод списка пользователей, ко-
торые в настоящий момент работают с системой. Пока команда who выполняется,
командный процессор shell ожидает завершения ее выполнения и только затем
запрашивает у пользователя следующую команду. Если же ввести команду
who &
система выполнит программу who на фоне и shell готов немедленно принять сле-
дующую команду.
В среду выполнения каждого процесса в системе UNIX включается текущий
каталог. Текущий для процесса каталог является начальным каталогом, имя ко-
торого присоединяется ко всем именам путей поиска, которые не начинаются с
наклонной черты. Пользователь может запустить внутреннюю команду shell'а cd
(изменить каталог) для перемещения по дереву файловой системы и для смены
текущего каталога. Командная строка
cd /usr/src/uts
делает текущим каталог '/usr/src/uts'. Командная строка
cd ../..
---------------------------
(****) Каталог '/bin' содержит большинство необходимых команд и обычно вхо-
дит в число каталогов, в которых ведет поиск командный процессор
shell.
15
делает текущим каталог, который на две вершины 'ближе' к корню (корневому
каталогу): параметр '..' относится к каталогу, являющемуся родительским для
текущего.
Поскольку shell является пользовательской программой и не входит в сос-
тав ядра операционной системы, его легко модифицировать и помещать в конк-
ретные условия эксплуатации. Например, вместо командного процессора Баурна
(называемого так по имени его создателя, Стива Баурна), являющегося частью
версии V стандартной системы, можно использовать процессор команд Си, обес-
печивающий работу механизма ведения истории изменений и позволяющий избегать
повторного ввода только что использованных команд. В некоторых случаях при
желании можно воспользоваться командным процессором shell с ограниченными
возможностями, являющимся предыдущей версией обычного shell'а. Система может
работать с несколькими командными процессорами одновременно. Пользователи
имеют возможность запускать одновременно множество процессов, процессы же в
свою очередь могут динамически порождать новые процессы и синхронизировать
их выполнение. Все эти возможности обеспечиваются благодаря наличию мощных
программных и аппаратных средств, составляющих среду выполнения процессов.
Хотя привлекательность shell'а в наибольшей степени определяется его возмож-
ностями как языка программирования и его возможностями в обработке аргумен-
тов, в данном разделе основное внимание концентрируется на среде выполнения
процессов, управление которой в системе возложено на командный процессор
shell. Другие важные особенности shell'а выходят за рамки настоящей книги
(подробное описание shell'а см. в [Bourne 78]).
1.3.3 Элементы конструкционных блоков
Как уже говорилось ранее, концепция разработки системы UNIX заключалась
в построении операционной системы из элементов, которые позволили бы пользо-
вателю создавать небольшие программные модули, выступающие в качестве конст-
рукционных блоков при создании более сложных программ. Одним из таких эле-
ментов, с которым часто сталкиваются пользователи при работе с командным
процессором shell, является возможность переназначения ввода-вывода. Говоря
условно, процессы имеют доступ к трем файлам: они читают из файла стандарт-
ного ввода, записывают в файл стандартного вывода и выводят сообщения об
ошибках в стандартный файл ошибок. Процессы, запускаемые с терминала, обычно
используют терминал вместо всех этих трех файлов, однако каждый файл незави-
симо от других может быть 'переназначен'. Например, команда
ls
выводит список всех файлов текущего каталога на устройство (в файл) стандар-
тного вывода, а команда
ls > output
переназначает выводной поток со стандартного вывода в файл 'output' в теку-
щем каталоге, используя вышеупомянутый системный вызов creat. Подобным же
образом, команда
mail mjb < letter
открывает (с помощью системного вызова open) файл 'letter' в качестве файла
стандартного ввода и пересылает его содержимое пользователю с именем 'mjb'.
Процессы могут переназначать одновременно и ввод, и вывод, как, например, в
командной строке:
16
nroff -mm < doc1 > doc1.out 2> errors
где программа форматирования nroff читает вводной файл doc1, в качестве фай-
ла стандартного вывода задает файл doc1.out и выводит сообщения об ошибках в
файл errors ('2>' означает переназначение вывода, предназначавшегося для
файла с дескриптором 2, который соответствует стандартному файлу ошибок).
Программы ls, mail и nroff не знают, какие файлы выбраны в качестве файлов
стандартного ввода, стандартного вывода и записи сообщений об ошибках; ко-
мандный процессор shell сам распознает символы '<', '>' и '2>' и назначает в
соответствии с их указанием файлы для стандартного ввода, стандартного выво-
да и записи сообщений об ошибках непосредственно перед запуском процессов.
Вторым конструкционным элементом является канал, механизм, обеспечиваю-
щий информационный обмен между процессами, выполнение которых связано с опе-
рациями чтения и записи. Процессы могут переназначать выводной поток со
стандартного вывода на канал для чтения с него другими процессами, переназ-
начившими на канал свой стандартный ввод. Данные, посылаемые в канал первыми
процессами, являются входными для вторых процессов. Вторые процессы так же
могут переназначить свой выводной поток и так далее, в зависимости от поже-
ланий программиста. И снова, так же как и в вышеуказанном случае, процессам
нет необходимости знать, какого типа файл используется в качестве файла
стандартного вывода; их выполнение не зависит от того, будет ли файлом стан-
дартного вывода обычный файл, канал или устройство. В процессе построения
больших и сложных программ из конструкционных элементов меньшего размера
программисты часто используют каналы и переназначение ввода-вывода при сбор-
ке и соединении отдельных частей. И действительно, такой стиль программиро-
вания находит поддержку в системе, благодаря чему новые программы могут ра-
ботать вместе с существующими программами.
Например, программа grep производит поиск контекста в наборе файлов (яв-
ляющихся параметрами программы) по следующему образцу:
grep main a.c b.c c.c
где 'main' - подстрока, поиск которой производится в файлах a.c, b.c и c.c с
выдачей в файл стандартного вывода тех строк, в которых она содержится. Со-
держимое выводного файла может быть следующим:
a.c: main(argc,argv)
c.c: /* here is the main loop in the program */
c.c: main()
Программа wc с необязательным параметром -l подсчитывает число строк в файле
стандартного ввода. Командная строка
grep main a.c b.c c.c | wc -l
вызовет подсчет числа строк в указанных файлах, где будет обнаружена подст-
рока 'main'; выводной поток команды grep поступит непосредственно на вход
команды wc. Для предыдущего примера результат будет такой:
3
Использование каналов зачастую делает ненужным создание временных файлов.
1.4 ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
На Рисунке 1.1 уровень ядра операционной системы изображен непосредст-
венно под уровнем прикладных программ пользователя. Выполняя различные эле-
ментарные операции по запросам пользовательских процессов, ядро обеспечивает
функционирование пользовательского интерфейса, описанного выше. Среди функ-
17
ций ядра можно отметить:
* Управление выполнением процессов посредством их создания, завершения или
приостановки и организации взаимодействия между ними.
* Планирование очередности предоставления выполняющимся процессам времени
центрального процессора (диспетчеризация). Процессы работают с центральным
процессором в режиме разделения времени: центральный процессор (*****) вы-
полняет процесс, по завершении отсчитываемого ядром кванта времени процесс
приостанавливается и ядро активизирует выполнение другого процесса. Позд-
нее ядро запускает приостановленный процесс.
* Выделение выполняемому процессу оперативной памяти. Ядро операционной сис-
темы дает процессам возможность совместно использовать участки адресного
пространства на определенных условиях, защищая при этом адресное простран-
ство, выделенное процессу, от вмешательства извне. Если системе требуется
свободная память, ядро освобождает память, временно выгружая процесс на
внешние
запоминающие устройства, которые называют устройствами выгрузки. Если ядро
выгружает процессы на устройства выгрузки целиком, такая реализация систе-
мы UNIX называется системой со свопингом (подкачкой); если же на устройст-
во выгрузки выводятся страницы памяти, такая система называется системой с
замещением страниц.
* Выделение внешней памяти с целью обеспечения эффективного хранения инфор-
мации и выборка данных пользователя. Именно в процессе реализации этой
функции создается файловая система. Ядро выделяет внешнюю память под поль-
зовательские файлы, мобилизует неиспользуемую память, структурирует файло-
вую систему в форме, доступной для понимания, и защищает пользовательские
файлы от несанкционированного доступа.
* Управление доступом процессов к периферийным устройствам, таким как терми-
налы, ленточные устройства, дисководы и сетевое оборудование.
Выполнение ядром своих функций довольно очевидно. Например, оно узнает,
что данный файл является обычным файлом или устройством, но скрывает это
различие от пользовательских процессов. Так же оно, форматируя информацию
файла для внутреннего хранения, защищает внутренний формат от пользователь-
ских процессов, возвращая им неотформатированный поток байтов. Наконец, ядро
реализует ряд необходимых функций по обеспечению выполнения процессов поль-
зовательского уровня, за исключением функций, которые могут быть реализованы
на самом пользовательском уровне. Например, ядро выполняет действия, необхо-
димые shell'у как интерпретатору команд: оно позволяет процессору shell чи-
тать вводимые с терминала данные, динамически порождать процессы, синхрони-
зировать выполнение процессов, открывать каналы и переадресовывать ввод-вы-
вод. Пользователи могут разрабатывать свои версии командного процессора
shell с тем, чтобы привести рабочую среду в соответствие со своими требова-
ниями, не затрагивая других пользователей. Такие программы пользуются теми
же услугами ядра, что и стандартный процессор shell.
1.5 ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ АППАРАТНАЯ СРЕДА
Выполнение пользовательских процессов в системе UNIX осуществляется на
двух уровнях: уровне пользователя и уровне ядра. Когда процесс производит
обращение к операционной системе, режим выполнения процесса переключается с
режима задачи (пользовательского) на режим ядра: операционная система пыта-
ется обслужить запрос пользователя, возвращая код ошибки в случае неудачного
завершения операции. Даже если пользователь не нуждается в каких-либо опре-
деленных услугах операционной системы и не обращается к ней с запросами,
--------------------------
(*****) В главе 12 рассматриваются многопроцессорные системы; до того речь
будет идти об однопроцессорной модели.
18
система еще выполняет учетные операции, связанные с пользовательским процес-
сом, обрабатывает прерывания, планирует процессы, управляет распределением
памяти и т.д. Большинство вычислительных систем разнообразной архитектуры (и
соответствующие им операционные системы) поддерживают большее число уровней,
чем указано здесь, однако уже двух режимов, режима задачи и режима ядра,
вполне достаточно для системы UNIX.
Основные различия между этими двумя режимами:
* В режиме задачи процессы имеют доступ только к своим собственным инструк-
циям и данным, но не к инструкциям и данным ядра (либо других процессов).
Однако в режиме ядра процессам уже доступны адресные пространства ядра и
пользователей. Например, виртуальное адресное пространство процесса может
быть поделено на адреса, доступные только в режиме ядра, и на адреса, дос-
тупные в любом режиме.
* Некоторые машинные команды являются привилегированными и вызывают возник-
новение ошибок при попытке их использования в режиме задачи. Например, в
машинном языке может быть команда, управляющая регистром состояния процес-
сора; процессам, выполняющимся в
Процессы
A B C D
--------т-------т-------т--------
Режим ядра | Я | | | Я |
|-------+-------+-------+-------|
Режим задачи | | З | З | |
---------------------------------
Рисунок 1.5. Процессы и режимы их выполнения
режиме задачи, она недоступна.
Проще говоря, любое взаимодействие с аппаратурой описывается в терминах
режима ядра и режима задачи и протекает одинаково для всех пользовательских
программ, выполняющихся в этих режимах. Операционная система хранит внутрен-
ние записи о каждом процессе, выполняющемся в системе. На Рисунке 1.5 пока-
зано это разделение: ядро делит процессы A, B, C и D, расположенные вдоль
горизонтальной оси, аппаратные средства вводят различия между режимами вы-
полнения, расположенными по вертикали.
Несмотря на то, что система функционирует в одном из двух режимов, ядро
действует от имени пользовательского процесса. Ядро не является какой-то
особой совокупностью процессов, выполняющихся параллельно с пользовательски-
ми, оно само выступает составной частью любого пользовательского процесса.
Сделанный вывод будет скорее относиться к 'ядру', распределяющему ресурсы,
или к 'ядру', производящему различные операции, и это будет означать, что
процесс, выполняемый в режиме ядра, распределяет ресурсы и производит соот-
ветствующие операции. Например, командный процессор shell считывает вводной
поток с терминала с помощью запроса к операционной системе. Ядро операцион-
ной системы, выступая от имени процессора shell, управляет функционированием
терминала и передает вводимые символы процессору shell. Shell переходит в
режим задачи, анализирует поток символов, введенных пользователем и выполня-
ет заданную последовательность действий, которые могут потребовать выполне-
ния и других системных операций.
1.5.1 Прерывания и особые ситуации
Система UNIX позволяет таким устройства, как внешние устройства вво-
да-вывода и системные часы, асинхронно прерывать работу центрального процес-
19
сора. По получении сигнала прерывания ядро операционной системы сохраняет
свой текущий контекст (застывший образ выполняемого процесса), устанавливает
причину прерывания и обрабатывает прерывание. После того, как прерывание бу-
дет обработано ядром, прерванный контекст восстановится и работа продолжится
так, как будто ничего не случилось. Устройствам обычно приписываются приори-
теты в соответствии с очередностью обработки прерываний. В процессе обработ-
ки прерываний ядро учитывает их приоритеты и блокирует обслуживание прерыва-
ния с низким приоритетом на время обработки прерывания с более высоким прио-
ритетом.
Особые ситуации связаны с возникновением незапланированных событий, выз-
ванных процессом, таких как недопустимая адресация, задание привилегирован-
ных команд, деление на ноль и т.д. Они отличаются от прерываний, которые вы-
зываются событиями, внешними по отношению к процессу. Особые ситуации возни-
кают прямо 'посредине' выполнения команды, и система, обработав особую ситу-
ацию, пытается перезапустить команду; считается, что прерывания возникают
между выполнением двух команд, при этом система после обработки прерывания
продолжает выполнение процесса уже начиная со следующей команды. Для обра-
ботки прерываний и особых ситуаций в системе UNIX используется один и тот же
механизм.
1.5.2 Уровни прерывания процессора
Ядро иногда обязано предупреждать возникновение прерываний во время кри-
тических действий, могущих в случае прерывания запортить информацию. Напри-
мер, во время обработки списка с указателями возникновение прерывания от
диска для ядра нежелательно, т.к. при обработке прерывания можно запортить
указатели, что можно увидеть на примере в следующей главе. Обычно имеется
ряд привилегированных команд, устанавливающих уровень прерывания процессора
в слове состояния процессора. Установка уровня прерывания на определенное
значение отсекает прерывания этого и более низких уровней, разрешая обработ-
ку только прерываний с более высоким приоритетом. На Рисунке 1.6 показана
последовательность уровней прерывания. Если ядро игнорирует прерывания от
диска, в этом случае игнорируются и все остальные прерывания, кроме прерыва-
ний от часов и машинных сбоев.
-------------------------------- ^
| Машинные сбои | |
|------------------------------| |
| Системные часы | Высокий приоритет
|------------------------------| |
| Диск | |
|------------------------------| |
| Сетевое оборудование | |
|------------------------------| |
| Терминалы | Низкий приоритет
|------------------------------| |
| Программные прерывания | |
-------------------------------- v
Рисунок 1.6. Стандартные уровни прерываний
1.5.3 Распределение памяти
Ядро постоянно располагается в оперативной памяти, наряду с выполняющим-
ся в данный момент процессом (или частью его, по меньшей мере). В процессе
компиляции программа-компилятор генерирует последовательность адресов, явля-
20
ющихся адресами переменных и информационных структур, а также адресами инст-
рукций и функций. Компилятор генерирует адреса для виртуальной машины так,
словно на физической машине не будет выполняться параллельно с транслируемой
ни одна другая программа.
Когда программа запускается на выполнение, ядро выделяет для нее место в
оперативной памяти, при этом совпадение виртуальных адресов, сгенерированных
компилятором, с физическими адресами совсем необязательно. Ядро, взаимодейс-
твуя с аппаратными средствами, транслирует виртуальные адреса в физические,
т.е. отображает адреса, сгенерированные компилятором, в физические, машинные
адреса. Такое отображение опирается на возможности аппаратных средств, поэ-
тому компоненты системы UNIX, занимающиеся им, являются машинно-зависимыми.
Например, отдельные вычислительные машины имеют специальное оборудование для
подкачки выгруженных страниц памяти. Главы 6 и 9 посвящены более подробному
рассмотрению вопросов, связанных с распределением памяти, и исследованию их
соотношения с аппаратными средствами.
1.6 ВЫВОДЫ
В этой главе описаны полная структура системы UNIX, взаимоотношения меж-
ду процессами, выполняющимися в режиме задачи и в режиме ядра, а также аппа-
ратная среда функционирования ядра операционной системы. Процессы выполняют-
ся в режиме задачи или в режиме ядра, в котором они пользуются услугами сис-
темы благодаря наличию набора обращений к операционной системе. Архитектура
системы поддерживает такой стиль программирования, при котором из небольших
программ, выполняющих только отдельные функции, но хорошо, составляются бо-
лее сложные программы, использующие механизм каналов и переназначение вво-
да-вывода.
Обращения к операционной системе позволяют процессам производить опера-
ции, которые иначе не выполняются. В дополнение к обработке подобных обраще-
ний ядро операционной системы осуществляет общие учетные операции, управляет
планированием процессов, распределением памяти и защитой процессов в опера-
тивной памяти, обслуживает прерывания, управляет файлами и устройствами и
обрабатывает особые ситуации, возникающие в системе. В функции ядра системы
UNIX намеренно не включены многие функции, являющиеся частью других операци-
онных систем, поскольку набор обращений к системе позволяет процессам выпол-
нять все необходимые операции на пользовательском уровне. В следующей главе
содержится более детальная информация о ядре, описывающая его архитектуру и
вводящая некоторые основные понятия, которые используются при описании его
функционирования.
21
