Операционная система UNIX

При предоставлении процессу вычислительных ресурсов происходит переключение контекста (context switch), в результате которого сохраняется образ, или контекст, текущего процесса, и управление передается новому. Переключение контекста может произойти, например, если процесс перешел в состояние сна, или если в состоянии готовности к запуску находится процесс с более высоким приоритетом, чем текущий. В последнем случае ядро не может немедленно прервать текущий процесс и произвести переключение контекста. Дело в том, что переключению контекста при выполнении в режиме ядра может привести к нарушению целостности самой системы. Поэтому переключение контекста откладывается до момента перехода процесса из режима ядра в режим задачи, когда все системные операции завершены, и структуры данных ядра находятся в нормальном состоянии.

Таким образом, после того как планировщик выбрал процесс на запуск, последний начинает свое выполнение в режиме ядра, где завершает переключение контекста. Дальнейшее состояние процесса зависит от его предыстории: если процесс был только что создан или был прерван, возвращаясь в режим задачи, он немедленно переходит в этот режим. Если процесс начинает выполнение после состояния сна, он продолжает выполняться в режиме ядра, завершая системный вызов. Заметим, что такой процесс может быть прерван после завершения системного вызова в момент перехода из режима ядра в режим задачи, если в очереди существует более высокоприоритетный процесс.

В UNIX 4.x BSD определены дополнительные состояния процесса, в первую очередь связанные с системой управления заданиями и взаимодействием процесса с терминалом. Процесс может быть переведен в состояние "остановлен" с помощью сигналов останова SIGSTOP, SIGTTIN или SIGTTOU. В отличие от других сигналов, которые обрабатываются только для выполняющегося процесса, отправление этих сигналов приводит к немедленному изменению состояния процесса. [29] В этом случае, если процесс выполняется или находится в очереди на запуск, его состояние изменяется на "остановлен". Если же процесс находился в состоянии сна, его состояние изменится на "остановлен в состоянии сна". Выход из этих состояний осуществляется сигналом продолжения SIGCONT, при этом из состояния "остановлен" процесс переходит в состояние "готов к запуску", а для процесса, остановленного в состоянии сна, следующим пунктом назначения является продолжение "сна". Описанные возможности полностью реализованы и в SVR4.

29

Существует исключение из этого правила, касающееся процессов, находящихся в состоянии сна для низкоприоритетного события, т. е. события, вероятность наступления которого относительно мала (например, ввода с клавиатуры, который может и не наступить). В этом случае отправление процессу сигнала приведет к его пробуждению. Более подробно этот случай рассмотрен в разделе "Сигналы" этой главы.

Наконец, процесс выполняет системный вызов exit(2) и заканчивает свое выполнение. Процесс может быть также завершен вследствие получения сигнала. В обоих случаях ядро освобождает ресурсы, процессу, за исключением кода возврата и статистики его выполнения, и переводит процесс в состояние "зомби". В этом состоянии процесс находится до тех пор, пока родительский процесс не выполнит один из системных вызовов wait(2), после чего вся информация о процессе будет уничтожена, а родитель получит код возврата завершившегося процесса.

Принципы управления памятью

Одной из основных функций операционной системы является эффективное управление памятью. Оперативная память, или основная память, или память с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM) является достаточно дорогостоящим ресурсом. Время доступа к оперативной памяти составляет всего несколько циклов процессора, поэтому работа с данными, находящимся в памяти, обеспечивает максимальную производительность. К сожалению, данный ресурс, как правило, ограничен. В большей степени это справедливо для многозадачной операционной системы общего назначения, каковой является UNIX. Поэтому данные, которые не могут быть размещены в оперативной памяти, располагаются на вторичных устройствах хранения, или во вторичной памяти, роль которой обычно выполняют дисковые накопители. Время доступа ко вторичной памяти па несколько порядков превышает время доступа к оперативной памяти и требует активного содействия операционной системы. Подсистема управления памятью UNIX отвечает за справедливое и эффективное распределение разделяемого ресурса оперативной памяти между процессами и за обмен данными между оперативной и вторичной памятью. Часть операций производится аппаратно устройством управления памятью (Memory Management Unit, MMU) процессора под управлением операционной системы, чем достигается требуемое быстродействие.

Примитивное управление памятью значительно уменьшает функциональность операционной системы. Такие системы, как правило, позволяют загрузить в заранее определенное место в оперативной памяти единственную задачу и передать ей управление. При этом задача получает в свое распоряжение все ресурсы компьютера (разделяя их, разумеется, с операционной системой), а адреса, используемые задачей, являются физическими адресами оперативной памяти. Такой способ запуска и выполнения одной программы безусловно является наиболее быстрым и включает минимальные накладные расходы.

Этот подход часто используется в специализированных микропроцессорных системах, однако практически неприменим в операционных системах общего назначения, какой является UNIX. Можно сформулировать ряд возможностей, которые должна обеспечивать подсистема управления памятью современной многозадачной операционной системы:

 Выполнение задач, размер которых превышает размер оперативной памяти.

 Выполнение частично загруженных в память задач для минимизации времени их запуска.

 Размещение нескольких задач в памяти одновременно для повышения эффективности использования процессора.

 Размещение задачи в произвольном месте оперативной памяти.

 Размещение задачи в нескольких различных частях оперативной памяти.

 Совместное использование несколькими задачами одних и тех же областей памяти. Например, несколько процессов, выполняющих одну и ту же программу, могут совместно использовать сегмент кода.

Все эти возможности реализованы в современных версиях UNIX с помощью т.н. виртуальной памяти, о которой пойдет речь в следующем подразделе. Виртуальная память не является "бесплатным приложением", повышая накладные расходы операционной системы: структуры данных управления памятью размещаются в оперативной памяти, уменьшая ее размер; управление виртуальной памятью процесса может требовать ресурсоемких операций ввода/вывода; для системы со средней загрузкой около 7% процессорного времени приходится на подсистему управления памятью. Поэтому от эффективности реализации и работы этой подсистемы во многом зависит производительность операционной системы в целом.

Виртуальная и физическая память

Оперативная память является, пожалуй, одним из наиболее дорогих компонентов компьютерной системы. Ранние системы UNIX имели в своем распоряжении 64 Кбайт оперативной памяти, и это количество было явно недостаточным, современные компьютеры обладают гигабайтами оперативной памяти, но и этого уже мало.

Оперативная память может быть представлена в виде последовательности байтов, каждый из которых имеет свой уникальный адрес, называемый физическим адресом. Именно эти адреса в конечном счете использует процессор, обмениваясь данными с оперативной памятью. Однако адресное пространство процесса существенным образом отличается от адресного пространства физической оперативной памяти. Представим себе, что адресное пространство процесса непосредственно отображалось бы в оперативную память, другими словами, что адреса, используемые процессом, являлись бы физическими адресами. При таком подходе на пути создания многозадачной системы нас ожидал бы ряд непреодолимых препятствий:

 Во-первых, трудно себе представить механизм, защищающий адресное пространство одного процесса, от адресного пространства другого или, что более важно, от адресного пространства самой операционной системы. Поскольку каждый процесс работает с физическими адресами, нет никакой гарантии, что процесс не обратится к ячейкам памяти, принадлежащим другим процессам или ядру системы. Последствия такого обращения скорее всего будут весьма плачевными.

 Во-вторых, уже на этапе компиляции необходимо было бы предусмотреть распределение существующего физического адресного пространства. При запуске каждый процесс должен занимать непрерывную и непересекающуюся область физических адресов.

 В-третьих, подобное распределение памяти между процессами вряд ли можно назвать оптимальным. Объем физической оперативной памяти будет существенным образом ограничивать число процессов, одновременно выполняющихся в системе. Так восемь процессов, каждый из которых занимает 1 Мбайт памяти, исчерпают 8 Мбайт оперативной памяти, а операционная система при средней загрузке насчитывает более 80 процессов!

Все перечисленные проблемы преодолимы с помощью виртуальной памяти. При этом адреса, используемые приложениями и самим ядром, не обязаны соответствовать физическим адресам. Виртуальные адреса транслируются или отображаются в физические на аппаратном уровне при активном участии ядра операционной системы.