Структурированная архитектура

Эволюция развития ОС

Первым этапом развития системного программного обеспечения можно считать использование библиотечных программ, стандартных и служебных подпрограмм и макрокоманд. Концепция библиотек подпрограмм является наиболее ранней и восходит к 1949 году [4, 17]. С появлением библиотек получили развитие автоматические средства их сопровождения – программы-загрузчики и редакторы связей. Эти средства применялись в ЭВМ первого поколения, когда операционных систем как таковых еще не существовало.

Появление новых аппаратных разработок (1959-1963 гг.) – систем прерываний, таймеров, каналов – стимулировало дальнейшее развитие ОС [4, 5, 9]. Возникли исполнительные системы, которые представляли собой набор программ для распределения ресурсов ЭВМ, связей с оператором, управления вычислительным процессом и управления вводом-выводом.

Одной из первых ОС, использующих эти новейшие решения, была операционная система МСР (главная управляющая программа), созданная фирмой Burroughs для своих компьютеров В5000 в 1963 году. В этой ОС были реализованы многие концепции и идеи, ставшие впоследствии стандартными для многих операционных систем:

• мультипрограммирование;
• мультипроцессорная обработка;
• виртуальная память;
• возможность отладки программ на исходном языке;
• написание операционной системы на языке высокого уровня.

Известной системой разделения времени того периода стала система CTSS (Compatible Time Sharing System) – совместимая система разделения времени, разработанная в Массачусетском технологическом институте (1963 год) для компьютера IBM-7094 [37].

Одним из важнейших событий в истории операционных систем считается появление в 1964 году семейства компьютеров под названием System/360 фирмы IBM, а позже – System/370 [11]. Это было первой в мире реализацией концепции семейства программно и информационно совместимых компьютеров, ставшей впоследствии стандартной для всех фирм компьютерной отрасли.

В начале 70-х годов появились первые сетевые ОС, которые позволили не только рассредоточить пользователей, как в системах телеобработки данных, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между компьютерами, соединенных электрическими связями. Известен проект ARPANET MO США. В 1974 году IBM объявила о создании собственной сетевой архитектуры SNA для своих мэйнфреймов, обеспечивающей взаимодействие типа "терминал-терминал", "терминал-компьютер", "компьютер-компьютер". В Европе активно разрабатывалась технология построения сетей с коммутацией пакетов на основе протоколов Х.25.

Важной вехой в истории мини-компьютеров и вообще в истории операционных систем явилось создание ОС UNIX. Написал эту систему Кен Томпсон (Ken Thompson), один из специалистов по компьютерам в BELL Labs, работавший над проектом MULTICS. Собственно, его UNIX – это усеченная однопользовательская версия системы MULTICS.

Дальнейшее развитие сетевых систем со стеком протоколов TCP/IP: в 1983 году он был принят MO США в качестве стандарта и использован в сети ARPANET. В этом же году ARPANET разделилась на MILNET (для военного ведомства США) и новую ARPANET, которую стали называть Internet.

Еще одним знаменательным событием для истории операционных систем было появление в начале 80-х годов персональных компьютеров.

В 1987 году появилась первая многозадачная ОС для ПК – OS/2, разработанная Microsoft совместно с IBM.

Функции ОС

1. Организация (обеспечение) удобного интерфейса между приложениями и пользователями, с одной стороны, и аппаратурой компьютера – с другой. Вместо реальной аппаратуры компьютера ОС представляет пользователю расширенную виртуальную машину, с которой удобнее работать и которую легче программировать.

2. Организация эффективного использования ресурсов компьютера. ОС не только представляет пользователям и программистам удобный интерфейс к аппаратным средствам компьютера, но и является своеобразным диспетчером ресурсов компьютера. К числу основных ресурсов современных вычислительных систем относятся процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на МЛ, принтеры, сетевые устройства и др. Эти ресурсы распределяются операционной системой между выполняемыми программами. В отличие от программы, которая является статическим объектом, выполняемая программа – это динамический объект, он называется процессом и является базовым понятием современных ОС.

3. Облегчение процессов эксплуатации аппаратных и программных средств вычислительной системы. Ряд операционных систем имеет в своем составе наборы служебных программ, обеспечивающие резервное копирование, архивацию данных, проверку, очистку и дефрагментацию дисковых устройств и др.

4.Возможность развития. Современные ОС организуются таким образом, что допускают эффективную разработку, тестирование и внедрение новых системных функций, не прерывая процесса нормального функционирования вычислительной системы. Большинство операционных систем постоянно развиваются (нагляден пример Windows).

Состав ОС

Наиболее важными подсистемами управления ресурсами являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а подсистемами, общими для всех ресурсов, являются подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.

Управление процессами. Подсистема управления процессами непосредственно влияет на функционирование вычислительной системы. Для каждой выполняемой программы ОС организует один или более процессов. Каждый такой процесс представляется в ОС информационной структурой (таблицей, дескриптором, контекстом процессора), содержащей данные о потребностях процесса в ресурсах, а также о фактически выделенных ему ресурсах (область оперативной памяти, количество процессорного времени, файлы, устройства ввода-вывода и др.). Кроме того, в этой информационной структуре хранятся данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе: текущее состояние (активное или заблокированное), приоритет, состояние регистров, программного счетчика и др.

Управление памятью. Подсистема управления памятью производит распределение физической памяти между всеми существующими в системе процессами, загрузку и удаление программных кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса. Стратегия управления памятью складывается из стратегий выборки, размещения и замещения блока программы или данных в основной памяти. Соответственно используются различные алгоритмы, определяющие, когда загрузить очередной блок в память (по запросу или с упреждением), в какое место памяти его поместить и какой блок программы или данных удалить из основной памяти, чтобы освободить место для размещения новых блоков.

Управление файлами. Функции управления файлами сосредоточены в файловой системе ОС. Операционная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла – простой неструктурированной последовательности байтов, имеющих символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые, в свою очередь, образуют группы – каталоги более высокого уровня. Файловая система преобразует символьные имена файлов, с которыми работает пользователь или программист, в физические адреса данных на дисках, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

Управление внешними устройствами. Функции управления внешними устройствами возлагаются на подсистему управления внешними устройствами, называемую также подсистемой ввода-вывода. Она является интерфейсом между ядром компьютера и всеми подключенными к нему устройствами. Спектр этих устройств очень обширен (принтеры, сканеры, мониторы, модемы, манипуляторы, сетевые адаптеры, АЦП разного рода и др.), сотни моделей этих устройств отличаются набором и последовательностью команд, используемых для обмена информацией с процессором и другими деталями.

Защита данных и администрирование. Безопасность данных вычислительной системы обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС, направленными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибок программного обеспечения, а также средствами защиты от несанкционированного доступа. Для каждого пользователя системы обязательна процедура логического входа, в процессе которой ОС убеждается, что в систему входит пользователь, разрешенный административной службой. Администратор вычислительной системы определяет и ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных действий, т.е. определяет их права по обращению и использованию ресурсов системы.

Интерфейс прикладного программирования. Прикладные программисты используют в своих приложениях обращения к операционной системе, когда для выполнения тех или иных действий им требуется особый статус, которым обладает только ОС. Возможности операционной системы доступны программисту в виде набора функций, который называется интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, API). Приложения обращаются к функциям API с помощью системных вызовов. Способ, которым приложение получает услуги операционной системы, очень похож на вызов подпрограмм.

Пользовательский интерфейс. ОС обеспечивает удобный интерфейс не только для прикладных программ, но и для пользователя (программиста, администратора). В ранних ОС интерфейс сводился к языку управления заданиями и не требовал терминала. Команды языка управления заданиями набивались на перфокарты, а результаты выполнения задания выводились на печатающее устройство.

Архитектура ОС.

Под архитектурой операционной системы понимают структурную и функциональную организацию ОС на основе некоторой совокупности программных модулей.

Большинство современных ОС представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой унифицированной архитектуры ОС не существует, но известны универсальные подходы к структурированию ОС. Принципиально важными универсальными подходами к разработке архитектуры ОС являются [5, 10, 13, 17]:

• модульная организация;
• функциональная избыточность;
• функциональная избирательность;
• параметрическая универсальность;
• концепция многоуровневой иерархической вычислительной системы, по которой ОС представляется многослойной структурой;
• разделение модулей на две группы по функциям: ядро – модули, выполняющие основные функции ОС, и модули, выполняющие вспомогательные функции ОС;
• разделение модулей ОС на две группы по размещению в памяти вычислительной системы: резидентные, постоянно находящиеся в оперативной памяти, и транзитные, загружаемые в оперативную память только на время выполнения своих функций;
• реализация двух режимов работы вычислительной системы: привилегированного режима (режима ядра – Kernel mode), или режима супервизора (supervisor mode), и пользовательского режима (user mode), или режима задачи (task mode);
• ограничение функций ядра (а следовательно, и количества модулей ядра) до минимального количества необходимых самых важных функций.

Монолитная архитектура

Такая организация ОС предполагает следующую структуру [13]:

• главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры;
• набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы;
• набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

Классической считается архитектура ОС, основанная на концепции иерархической многоуровневой машины, привилегированном ядре и пользовательском режиме работы транзитных модулей.

Многослойная структура ОС

В данной схеме выделены следующие слои.

1. Средства аппаратной поддержки ОС. Значительная часть функций ОС может выполняться аппаратными средствами [10]. Чисто программные ОС сейчас не существуют. Как правило, в современных системах всегда есть средства аппаратной поддержки ОС, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов. К ним относятся: система прерываний, средства поддержки привилегированного режима, средства поддержки виртуальной памяти, системный таймер, средства переключения контекстов процессов (информация о состоянии процесса в момент его приостановки), средства защиты памяти и др.
2. Машинно-зависимые модули ОС. Этот слой образует модули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. Назначение этого слоя – "экранирование" вышележащих слоев ОС от особенностей аппаратуры (например, Windows 2000 – это слой HAL (Hardware Abstraction Layer), уровень аппаратных абстракций).
3. Базовые механизмы ядра. Этот слой модулей выполняет наиболее примитивные операции ядра: программное переключение контекстов процессов, диспетчерскую прерываний, перемещение страниц между основной памятью и диском и т.п. Модули этого слоя не принимают решений о распределении ресурсов, а только обрабатывают решения, принятые модулями вышележащих уровней. Поэтому их часто называют исполнительными механизмами для модулей верхних слоев ОС.
4. Менеджеры ресурсов. Модули этого слоя выполняют стратегические задачи по управлению ресурсами вычислительной системы. Это менеджеры (диспетчеры) процессов ввода-вывода, оперативной памяти и файловой системы. Каждый менеджер ведет учет свободных и используемых ресурсов и планирует их распределение в соответствии запросами приложений.
5. Интерфейс системных вызовов.Это верхний слой ядра ОС, взаимодействующий с приложениями и системными утилитами, он образует прикладной программный интерфейс ОС. Функции API, обслуживающие системные вызовы, предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной компактной форме, без указания деталей их физического расположения.

Микроядерная архитектура

Для обеспечения высокой скорости работы ОС модули ядра (по крайней мере, большая их часть) являются резидентными и работают в привилегированном режиме (Kernel mode). Этот режим, во-первых, должен обезопасить работу самой ОС от вмешательства приложений, и, во-вторых, должен обеспечить возможность работы модулей ядра с полным набором машинных инструкций, позволяющих собственно ядру выполнять управление ресурсами компьютера, в частности, переключение процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, распределением и защитой памяти и др.

Остальные модули ОС выполняют не столь важные функции, как ядро, и являются транзитными. Например, это могут быть программы архивирования данных, дефрагментации диска, сжатия дисков, очистки дисков и т.п.Эти модули ОС оформляются как обычные приложения, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов и выполняются в пользовательском режиме (user mode). В этом режиме запрещается выполнение некоторых команд, которые связаны с функциями ядра ОС (управление ресурсами, распределение и защита памяти и т.п.).

Суть этой архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром. Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В его состав входят машинно-зависимые модули, а также модули, выполняющие базовые механизмы обычного ядра. Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются как модули, работающие в пользовательском режиме. Так, менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемой частью обычного ядра, становятся "периферийными" модулями, работающими в пользовательском режиме. Таким образом, в архитектуре с микроядром традиционное расположение уровней по вертикали заменяется горизонтальным. Это можно представить, как показано на рис. 1.6.

Внешние по отношению к микроядру компоненты ОС реализуются как обслуживающие процессы. Между собой они взаимодействуют как равноправные партнеры с помощью обмена сообщениями, которые передаются через микроядро. Поскольку назначением этих компонентов ОС является обслуживание запросов приложений пользователей, утилит и системных обрабатывающих программ, менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, т.е. модулями, основным назначением которых является обслуживание запросов локальных приложений и других модулей ОС.

Достоинства микроядерной архитектуры [17]:

• единообразные интерфейсы;
• простота расширяемости;
• высокая гибкость;
• возможность переносимости;
• высокая надежность;
• поддержка распределенных систем;
• поддержка объектно-ориентированных ОС.

В современных операционных системах различают следующие виды ядер.

1. Наноядро (НЯ). Крайне упрощённое и минимальное ядро, выполняет лишь одну задачу – обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки посылает информацию о результатах обработки вышележащему программному обеспечению. НЯ используются для виртуализации аппаратного обеспечения реальных компьютеров или для реализации механизма гипервизора.
2. Микроядро (МЯ) предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая ее работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Микроядерными являются ядра ОС Minix и GNU Hurd и ядро систем семейства BSD. Классическим примером микроядерной системы является Symbian OS. Это пример распространенной и отработанной микроядерной (a начиная c версии Symbian OS v8.1, и наноядерной) операционной системы.
3. Экзоядро (ЭЯ) предоставляет лишь набор сервисов для взаимодействия между приложениями, а также необходимый минимум функций, связанных с защитой: выделение и высвобождение ресурсов, контроль прав доступа и т. д. ЭЯ не занимается предоставлением абстракций для физических ресурсов – эти функции выносятся в библиотеку пользовательского уровня (так называемую libOS). В отличие от микроядра ОС, базирующиеся на ЭЯ, обеспечивают большую эффективность за счет отсутствия необходимости в переключении между процессами при каждом обращении к оборудованию.
4. Монолитное ядро (МнЯ) предоставляет широкий набор абстракций оборудования. Все части ядра работают в одном адресном пространстве. МнЯ требуют перекомпиляции при изменении состава оборудования. Компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной программы. МнЯ более производительно, чем микроядро, поскольку работает как один большой процесс. МнЯ является большинство Unix-систем и Linux. Монолитность ядер усложняет отладку, понимание кода ядра, добавление новых функций и возможностей, удаление ненужного, унаследованного от предыдущих версий кода. "Разбухание" кода монолитных ядер также повышает требования к объёму оперативной памяти.
5. Модульное ядро (Мод. Я) – современная, усовершенствованная модификация архитектуры МЯ. В отличие от "классических" МнЯ, модульные ядра не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого они предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). Подгрузка модулей может быть как динамической, так и статической (при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы). Мод. Я удобнее для разработки, чем традиционные монолитные ядра. Они предоставляют программный интерфейс (API) для связывания модулей с ядром, для обеспечения динамической подгрузки и выгрузки модулей. Не все части ядра могут быть сделаны модулями. Некоторые части ядра всегда обязаны присутствовать в оперативной памяти и должны быть жёстко "вшиты" в ядро.
6. Гибридное ядро (ГЯ) – модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать "несущественные" части в пространстве ядра. Имеют "гибридные" достоинства и недостатки. Примером смешанного подхода может служить возможность запуска операционной системы с монолитным ядром под управлением микроядра. Так устроены 4.4BSD и MkLinux, основанные на микроядре Mach. Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляются монолитным ядром. Данный подход сформировался в результате попыток использовать преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности хорошо отлаженный код монолитного ядра.
7. Наиболее тесно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра переплетены в ядре Windows NT. Хотя Windows NT часто называют микроядерной операционной системой, это не совсем так. Микроядро NT слишком велико (более 1 Мбайт), чтобы носить приставку "микро". Компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как и положено в микроядерных операционных системах. В то же время все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно операционным системам с монолитным ядром.

Стандарты семейства UNIX

System V Interface Definition (SVID)

Другое направление развития стандартов UNIX связано с тем, что не только энтузиасты задумывались о создании "эталонов". Основные разработчики системы с появлением многих "вариантов" решили издавать собственные документы. Так появляются стандарты, выпускаемые USG, организацией, разрабатывающей документацию версий UNIX AT&T с того момента, когда для создания операционной системы была образована эта дочерняя компания. Первый документ появился в 1984 году на основе SVR2. Он имел название SVID (System V Interface Definition). Четырехтомное описание было выпущено после выхода в свет версии SVR4. Эти стандарты дополнялись набором тестовых программ SVVS (System V Verification Suite). Основное назначение этих средств состояло в том, чтобы разработчики имели возможность судить, может ли их система претендовать на имя System V [14].

Комитеты POSIX

Работа по оформлению стандартов UNIX началась группой энтузиастов в 1980 году. Была сформулирована цель – формально определить услуги, которые операционные системы обеспечивают приложениям. Такой стандарт программного интерфейса стал основой документа POSIX (Portable Operating System Interface for Computing Environment – переносимый интерфейс операционной системы для вычислительной среды) [14]. Первая рабочая группа POSIX была образована в 1985 году на основе UNIX-ориентированного комитета по стандартизации /usr/group, также называемой UniForum [47]. Название POSIX было предложено родоначальником GNU Ричардом Столмэном.

система стандартов POSIX OSE), посвященным области применимости стандартов [52]:

"Область применимости стандартов POSIX OSE (Open System Environment) – обеспечение следующих возможностей (называемых еще свойствами открытости) для разрабатываемых информационных систем:

• Переносимость приложений на уровне исходных текстов (Application Portability at the Source Code Level), т.е. предоставление возможности переноса программ и данных, представленных на исходных текстах языков программирования, с одной платформы на другую.
• Системная интероперабельность (System Interoperability), т.е. поддержка взаимосвязанности между системами.
• Переносимость пользователей (User Portability), т.е. обеспечение возможности для пользователей работать на различных платформах без переобучения.
• Адаптируемость к новым стандартам (Accommodation of Standards), связанным с достижением целей открытости систем.
• Адаптируемость к новым информационным технологиям (Accommodation of new System Technology) на основе универсальности классификационной структуры сервисов и независимости модели от механизмов реализации.
• Масштабируемость прикладных платформ (Application Platform Scalability), отражающая возможность переноса и повторного использования прикладного программного обеспечения применительно к разным типам и конфигурациям прикладных платформ.
• Масштабируемость распределенных систем (Distributed System Scalability), отражающая возможность функционирования прикладного программного обеспечения независимо от развития топологии и ресурсов распределенных систем.
• Прозрачность реализаций (Implementation Transparency), т.е. сокрытие от пользователей за интерфейсами систем особенностей их реализации.
• Системность и точность спецификаций функциональных требований пользователей (User Functional Requirements), что обеспечивает полноту и ясность определения потребностей пользователей, в том числе в определении состава применяемых стандартов."

X/Open, OSF и Open Group

Основанная в 1984 году рядом компьютерных фирм организация X/Open своей основной задачей ставила согласование и утверждение для разных версий UNIX стандартов общего программного интерфейса и программной среды для приложений.

Заметим, что OSF была образована рядом организаций в ответ на объединение Sun Microsystems и AT&T для разработки операционной системы, претендующей на универсальность. Сегодня организация The Open Group является главным держателем стандартов UNIX. Она размещает на своем сайте много самой разнообразной информации, начиная от истории описания "What is UNIX" ("Что такое UNIX") и заканчивая серией стандартов Single Unix, Unix95, Unix98, Unix03, ISO/IEC 9945:2003, а также UNIX System API Table.

Основные понятия, связанные с интерфейсом операционных систем

Интерфейс в широком смысле – определенная стандартами граница между взаимодействующими независимыми объектами. Интерфейс задает параметры, процедуры и характеристики взаимодействия объектов.

Интерфейс пользователя – это элементы и компоненты программы, которые способны оказывать влияние на взаимодействие пользователя с программным обеспечением, в том числе:

• средства отображения информации, отображаемая информация, форматы и коды;
• командные режимы, язык пользователь-интерфейс;
• устройства и технологии ввода данных;
• диалоги, взаимодействие и транзакции между пользователем и компьютером;
• обратная связь с пользователем;
• поддержка принятия решений в конкретной предметной области;
• порядок использования программы и документация на нее".

Интерфейс командной строки (англ. Command line interface, CLI) – разновидность текстового интерфейса (CUI) между человеком и компьютером, в котором инструкции компьютеру даются в основном путем ввода с клавиатуры текстовых строк (команд), в UNIX-системах возможно применение мыши. Также известен под названием "консоль".

WIMP-интерфейс (Window – окно, Image – образ, Menu – меню, Pointer – указатель). Характерной особенностью этого вида интерфейса является то, что диалог с пользователем ведется не с помощью команд, а с помощью графических образов – меню, окон, других элементов. Хотя и в этом интерфейсе подаются команды машине, но это делается "опосредованно", через графические образы. Этот вид интерфейса реализован на двух уровнях технологий: простой графический интерфейс и "чистый" WIMP-интерфейс.

SILK-интерфейс (Speech – речь, Image – образ, Language – язык, Knowledge – знание). Этот вид интерфейса наиболее приближен к обычной, человеческой форме общения. В рамках этого интерфейса идет обычный "разговор" человека и компьютера. При этом компьютер находит для себя команды, анализируя человеческую речь и находя в ней ключевые фразы. Результат выполнения команд он также преобразует в понятную человеку форму. Этот вид интерфейса наиболее требователен к аппаратным ресурсам компьютера, и поэтому его применяют в основном для военных целей.

Из других графических интерфейсов назовем OPENSTEP, реализованный на компьютерах фирмы NeXT. Его создавал Стивен Джобс, основатель фирмы Apple, в период, когда он покинул ее и пытался завоевать мир новой разработкой. Этот интерфейс в дальнейшем был перенесен и на другие компьютерные платформы имеет имя X11R7.5.

К истории X Window system

X Window system появилась в результате объединения усилий двух исследовательских групп MIT: группа, ответственная за сетевую программу (проект "Афина" – Project Athena) и Лаборатория информатики (Laboratory for Computer Science). До десятой версии X Window этот проект реализовали три программиста: Роберт Шейфлер (Robert Sheifler), Джим Геттис (Jim Gettys) и Рон Ньюмен (Ron Newman). Двое из них работали в MIT, а третий в DEC [16, 17].

X Window system (или просто X Window, а теперь часто и Х) – графическая среда пользователя, поддерживающая одновременное выполнение многих программ в сети. В основе X Window – библиотека графических программ, используемых для создания GUI.

Достоинством системы X Window является ее мобильность (она не связана с конкретной операционной системой и не рассчитана на специфическое техническое обеспечение). Работа Х-системы основана на специфической модели клиент/сервер.

В традиционной модели "клиент-сервер" с пользователем взаимодействует клиентская часть. В системе же X Window с пользователем взаимодействует X-сервер. Он отвечает за вывод информации на экран пользователя и получение им команд. Такой сервер как бы "владеет" аппаратурой пользователя (называемой X-терминал) и представляет этот ресурс программам – клиентам. Именно они формируют изображение, выводимое на экране. При инициализации X Window system первым шагом будет загрузка X-сервера. Об этом можно узнать по появлению на сером экране в центре указателя мыши в виде крестика.

Графический интерфейс семейства UNIX/Linux похож на интерфейс других систем, но имеет отличия. Он поддерживает метафору рабочего стола. Но в отличие от некоторых систем имеет нескольких рабочих столов, которые иногда называются еще и "рабочие места". Их количество можно изменять. Хотя графический UNIX зародился раньше, чем у других операционных систем, сейчас работа с использованием GUI аналогична у Linux и Windows. Пользователь работает с приложением в окне, имеющем прямоугольную форму. Последний содержит стандартные элементы – строка заголовка, главное меню, панели инструментов и т.д.

Win32 API

в ОС Windows между приложением и совокупностью системных вызовов (системных сервисов в терминологии Microsoft) расположен дополнительный абстрактный слой - программный интерфейс Win32 API. За счет этого Win32-приложение может работать практически во всех версиях Windows (см. рис. 1.5), несмотря на то, что сами системные вызовы в различных версиях системы различны и не документированы.

Win32 API подразделяются на следующие группы.

• Base Services - базовые сервисы отвечают за обеспечение доступа к ресурсам компьютера и интерфейс для работы с памятью, файлами, устройствами, процессами и потоками.
• Common Control Library - библиотека общих элементов управления для разработки оконных интерфейсов.
• Graphics Device Interface - вывод графики на дисплей и другие устройства.
• Network Services - сетевые сервисы.
• User Interface - интерфейс пользователя.
• Windows Shell - функции для работы с оболочкой.
• Windows System Information - информация о конфигурации системы Windows.

Unicode

В ОС Windows в качестве внутреннего формата для хранения и обработки текстовых строк используется Unicode. В Unicode каждый символ представляется 16-битным (двухбайтовым) кодом, что позволяет поддерживать разные языки и системы письменности (такие, как китайские и японские иероглифы).

Концепция процессов и потоков. Задание, процессы, потоки (нити), волокна

Одним из основных понятий, связанных с операционными системами, является процесс – абстрактное понятие, описывающее работу программы [10]. Все функционирующее на компьютере программное обеспечение, включая и операционную систему, можно представить набором процессов.

Мультипрограммирование (многозадачность, multitasking) – это такой способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить для себя внутренние единицы работы, между которыми будут разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В ОС пакетной обработки, распространенных в компьютерах второго и сначала и третьего поколения, такой единицей работы было задание. В настоящее время в большинстве операционных систем определены два типа единиц работы: более крупная единица – процесс, или задача, и менее крупная – поток, или нить. Причем процесс выполняется в форме одного или нескольких потоков.

с каждым заданием ассоциированы квоты и лимиты ресурсов, хранящиеся в соответствующем объекте задания. Квоты включают такие пункты, как максимальное количество процессов (это не позволяет процессам задания создавать бесконтрольное количество дочерних процессов), суммарное время центрального процессора, доступное для каждого процесса в отдельности и для всех процессов вместе, а также максимальное количество используемой памяти для процесса и всего задания. Задания также могут ограничивать свои процессы в вопросах безопасности, например, получать или запрещать права администратора (даже при наличии правильного пароля).

поток работает в пользовательском режиме, но когда он обращается к системному вызову, то переключается в режим ядра. После завершения системного вызова поток продолжает выполняться в режиме пользователя.

Процессы рассматриваются операционной системой как заявки или контейнеры для всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Это важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы – потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд. Каждый процесс начинается с одного потока, но новые потоки могут создаваться (порождаться) процессом динамически. В простейшем случае процесс состоит из одного потока.

Планирование заданий, процессов и потоков

Основная цель планирования вычислительного процесса заключается в распределении времени процессора (нескольких процессоров) между выполняющимися заданиями пользователей таким образом, чтобы удовлетворять требованиям, предъявляемым пользователями к вычислительной системе. Такими требованиями могут быть, как это уже отмечалось, пропускная способность, время отклика, загрузка процессора и др.

Долгосрочное	Решение о добавлении задания (процесса) в пул выполняемых в системе
Среднесрочное	Решение о добавлении процесса к числу процессов, полностью или частично размещенных в основной памяти
Краткосрочное	Решение о том, какой из доступных процессов (потоков) будет выполняться процессором
Планирование ввода-вывода	Решение о том, какой из запросов процессов (потоков) на операцию ввода-вывода будет выполняться свободным устройством ввода-вывода

Не вытесняющие (non-preemptive) алгоритмы основаны на том, что активному потоку позволяется выполняться, пока он сам, по своей инициативе, не отдает управление операционной системе, для того чтобы она выбрала из очереди готовый к выполнению поток.

Вытесняющие (preemptive) алгоритмы – это такие способы планирования потоков, в которых решение о переключении процессора с выполнения одного потока на выполнение другого потока принимается операционной системой, а не активной задачей.

Однако почти во всех ОС (UNIX, Windows NT/2000/2003, OS/2, VAX/VMS и др.) реализованы вытесняющие алгоритмы планирования.

Методы взаимоисключений

Сформулируем пять условий, которые должны выполняться для хорошего программного алгоритма организации взаимодействия процессов, имеющих критические участки, если они