1. Architektúra operačného systému

Transcription

1 1. Architektúra operačného systému Veľký a zloţitý systém, akým je OS, sa dá vytvoriť a spravovať, ak pozostáva z menších častí s dobre definovaným rozhraním a chovaním. Rozdelenie komponent je vo všeobecnosti takéto: 1.1. Správa procesov Proces je programový kód zavedený do pamäte na vykonanie. Procesy môţu spúšťať iné procesy svojich potomkov, ktoré sa môţu vykonávať súbeţne s rodičom alebo rodič môţe čakať na ich výsledky (volaním sluţby wait výkonného jadra OS). Okrem procesov spustených pouţívateľom beţí v modernom OS aj niekoľko systémových procesov. V Unixe ich nazývame démonmi, pretoţe existujú mimo vedomia pouţívateľov a mimo dosahu ich terminálov. Existuje démon pre tlač súborov (lpd), démon pre swapovanie (démon pre odkladanie stránok na disk a pre ich spätné nahrávanie), pre prihlasovanie vzdialených pouţívateľov cez ssh (sshd), démon pre umoţnenie sťahovania súborov vzdialeným pouţívateľom po sieti protokolom FTP (ftpd) apod. V modernejšej terminológii sa termín démon čoraz častejšie zamieňa termínom agent. Operačný systém by mal umoţniť vytváranie a ukončovanie procesov, pozastavenie a reaktiváciu procesov, synchronizáciu procesov a komunikáciu medzi procesmi (aj po sieti) Správa (primárnej) pamäte odkladanie stránok (odkladanie nepotrebných stránok na disk a ich spätné nahrávanie do pamäte), simulovaná vyrovnávacia pamäť disku, prehľad o obsadenosti úsekov pamäte, prideľovanie pamäte novým procesom a prideľovanie pamäte procesom ţiadajúcim o ďalšiu pamäť (a jej navracanie) Správa sekundárnej pamäte Patrí sem správa diskovej pamäte, pamäte na magnetických páskach, disketách, dátových CD nosičoch atď. Vo viac úlohovom operačnom systéme môţe existovať viacero súčasných poţiadaviek na prístup k disku (či dokonca k rovnakému súboru) a operačný systém počítača si s tým musí poradiť. V záujme koordinácie prístupov na sekundárnu pamäť musí operačný systém počítača: spravovať voľný priestor, mať o ňom prehľad a prideľovať ho, riadiť prístup k sekundárnej pamäti Správa periférnych zariadení Operačný systém počítača by mal skrývať (pred aplikáciami) hardvérové špecifiká rovnakých typov V/V zariadení o tie sa starajú ovládače daných zariadení. Operačný systém počítača však procesom poskytuje aplikačné rozhranie virtuálneho ovládača V/V zariadení, ktoré procesom zabezpečuje rovnaký prístup k rovnakej skupine zariadení. 1

2 1.5. Správa súborov Stromovo hierarchizované adresáre a súbory sú prirodzenou štrukturalizáciou dát uloţených v počítačovom systéme. V Unixe sa dokonca ku kaţdému zariadeniu pristupuje ako k súboru. OS zabezpečuje: vytváranie a mazanie súborov a adresárov (adresár je súbor obsahujúci zoznam iných súborov či adresárov), ochranu dát systému a jednotlivých pouţívateľov proti náhodnému alebo inak mienenému poškodeniu, mapovanie súborového systému na sekundárnu pamäť (513. aţ byte súboru je uloţený v sektore disku...), zálohovanie súborov (väčšinou sa vykonáva pomocnými systémovými programami) Komunikačný systém (sieťová podpora) OS musí zabezpečiť komunikáciu medzi aplikáciami. Takto sa zabezpečuje napríklad aj komunikácia medzi pouţívateľmi ( , write, talk) a interaktívne vyuţitie vzdialených systémov (telnet, ssh, ftp, Používateľské rozhranie Pouţívateľské rozhranie je prostredníkom medzi pouţívateľom a počítačovým systémom (či konkrétne medzi pouţívateľom a procesmi). Rozhranie je v skutočnosti proces, ktorý zabezpečuje, aby ostatné programy mohli byť pouţívateľom spúšťané, a ovládané. Odovzdáva im vstup (z klávesnice či myši) od pouţívateľa a zobrazuje výstup programu. Rozoznávame pouţívateľské rozhrania textové a grafické. Či uţ ide o textové či o grafické rozhranie, ich základný účel je rovnaký: Získať (od pouţívateľa) príkaz, vykonať ho (väčšinou spustením nejakého programu s parametrami) a oznámiť, ako jeho vykonávanie dopadlo (to je väčšinou vecou samotného príkazu). Textové používateľské rozhranie pouţíva pre vstup údajov klávesnicu a pre výstup monitor terminálu. Textové rozhranie zabezpečuje interpretátor príkazov. U MS-DOSu je ním program Command.com, u Unixu si môţeme vybrať z niekoľkých tzv. shellov. Interpretátor príkazov zabezpečuje prepojenie vstupov a výstupov pouţívateľa so spúšťanými programami. Textové rozhrania umoţňujú pouţívanie scenárov (keďţe ide o interpretre príkazov). Ide o tzv. batch súbory v MS-DOSe, v ktorých sa jednoducho nachádza niekoľko riadkov s príkazmi v poradí, v akom majú byť vykonávané za sebou. V Unixe sa scenáre nazývajú skriptami. Unixové shelly sú omnoho silnejšie ako príkazový interpretátor MS-DOSu v skutočnosti ide o jednoduché interpretované programy. (Podobne je tomu v OS/2.) Grafické používateľské rozhrania (GUI Graphical User Interface) pouţívajú pre vstup myš a klávesnicu. Hovoríme tieţ o grafickom pouţívateľskom prostredí (operačného systému Windows či Unixovej nadstavby X-Window). Výstup programov zobrazujú v grafickej podobe. Sú intuitívnejšie a vyţadujú menšiu námahu pri učení sa. Je to ich veľkou prednosťou. Podmienkou je, aby bol program čo najviac intuitívny. Má to dve výhody. Za prvé, aj laik sa rýchlo naučí so systémom pracovať. To je mimoriadne dôleţité pre všetkých. Za druhé, ak pouţívateľ so systémom dlhšiu dobu nepracuje, ľahšie si naň opäť zvyká. Nevýhodou grafiky býva nemoţnosť vytvárať scenáre. (Tie sa síce vytvárať dajú, no uţ je to v interpretri príkazov. Nevýhoda býva vyvaţovaná aspoň moţnosťou tvorby tzv. makier.) Pouţívateľa nič z toho netrápi proste komunikuje so systémom pomocou GUI resp. shellu a pomocou rozhrania samotných programov. Ani programátora štruktúra OS veľmi nezaujíma ak potrebuje komunikovať so systémom či pouţívateľom, pouţíva iba API (Applications Programming Interface) tvorené tzv. volaniami sluţieb výkonného jadra operačného systému. Jedným z rozdielov medzi operačnými systémami Windows a Unix je ten, ţe laik oveľa ľahšie nainštaluje systém Windows. (Unix laik nenainštaluje vôbec, snáď Linux Red-Hat či Mandrake by ako tak moţno nainštaloval, no nevedel by, aké sluţby je vhodné nechať spustené.) Grafické pouţívateľské rozhranie pod Unixom {označované ako X-Window} uţ zmysel má, stále sa však pohodlnejšie pracuje so systémom Microsoft Windows a Microsoft Word, neţ so systémom Linux a sadzačským systémom LaTeX. Dobré zvládnutie LaTeXu trvá týţdne, u Microsof Wordu to trvá iba niekoľko dní základy zvládneme prakticky uţ za hodinu. 2

3 Komponenty opísané vyššie sa musia dať dohromady, aby vznikol funkčný OS. V skutočnosti mnohé systémy nemajú skoro ţiadnu štruktúru, vznikli malé a neštruktúrované a postupne sa rozrastali. Dôsledkom je, ţe jednotlivé komponenty nie sú dobre oddelené a nerešpektujú modularitu. Štruktúra MS-DOSu pozostáva z vrstiev (ovládače periférií a sluţby na úrovni BIOSu, DOSovské ovládače a sluţby, interpretátor príkazov a aplikačné programy), ale vyššie vrstvy majú prístup ku všetkému vrátane hardvéru, čo je z hľadiska ochrany nerozumné. Pôvodné verzie Unixu boli tieţ málo štruktúrované. Pozostávajú z ovládačov periférií, z výkonného jadra OS a z programov. Oproti DOSu je výhodou, ţe verejnými rozhraniami sú shell pre pouţívateľa a niekoľko desiatok API volaní jadra pre programátora. AIX (od IBM) má uţ dvojvrstvové jadro. Iný prístup je mikrokernel maličké jadro s niekoľkými funkciami, o ostatok sa v takom prípade starajú systémové programy. Vrstvenú štruktúru majú OS/2 a Windows s technológiou NT (napr. Windows XP/2003). U Windows NT sú hlavnými vrstvami HAL (Hardware Abstraction Layer) vyrovnávajúce špecifiká V/V rozhrania, NT executive (jadro s démonmi), chránené podsystémy a aplikačné programy. U Linuxu, modernej verzie Unixu pre PC, sa namiesto HAL pouţíva názov virtuálny ovládač. Pri vrstvenej štruktúre operačného systému sa jednotlivé vrstvy správajú objektovo. Pod sebou majú vrstvu, ktorá pre ne pracuje ako virtuálny počítač s implementovanými určitými funkciami. (Čím je virtuálny počítač umiestnený v hierarchii virtuálnych počítačov vyššie, tým komplikovanejšie funkcie môţe vykonávať.) Nad sebou majú inú vrstvu, ktorá ich môţe kontaktovať a ţiadať od nich sluţby. Tak kaţdá vrstva pracuje ako virtuálny počítač pracujúci pre vyššiu vrstvu. Operačný systém môţe pouţívateľským programom vytvoriť dojem, ţe majú pre seba kompletný virtuálny počítač CPU (vďaka časovému multiplexovaniu), pamäť (virtuálna pamäť tvorená segmentovaním a stránkovaním) adresovateľnú od nuly apod. 3

4 2. Správa súborov 2.1. Úvod Súbory a adresáre vytvárajú logický pohľad na sekundárnu pamäť. Súbor je pomenovaná mnoţina navzájom súvisiacich dát (obrázok, text, program apod.) uloţená na pamäťovom médiu (disku, páske). Zodpovednosť za fyzické ukladanie má OS z bezpečnostných dôvodov do sekundárnej pamäte program nesmie zapisovať priamo. Ak OS rozlišuje súbory podľa štruktúry, najčastejšie to robí podľa typu (zvláštny atribút súboru alebo názvová konvencia ako vo Windows). V skutočnosti iba veľké systémy (VMS, IBM mainframe) podporujú rôzne metódy prístupu k súborom, u Unixu či Windows sa iba rozhoduje o spustiteľnosti programu. (Navyše kaţdý program je na začiatku označený skupinou bitov, ţe je spustiteľný.) Súbory a adresáre sú organizované hierarchicky. (Môţu byť organizované aj plošne vtedy existuje len jediný adresár súborov, ale to nestačí pre prehľadnú organizáciu veľkého mnoţstva súborov. Ani dvojúrovňová hierarchia nám uţ dnes nestačí. Preto pouţívame strom adresárov s jedným hlavným adresárom a naňho nadväzujúcimi inými adresármi.) Adresáre sú súbory obsahujúce zoznamy súborov či adresárov, ktoré (pre pouţívateľa skrytým spôsobom) obsahujú odkazy na miesto, kde sa fyzicky súbory či adresáre nachádzajú. Existuje hlavný adresár (v Unixe sa označuje lomítkom / a nazýva sa root), ktorý je vţdy ľahko detekovateľný operačným systémom. Rootovský adresár ukazuje na ďalšie adresáre/súbory. Jeho (pod)adresáre ukazujú na ďalšie adresáre atď. Vzniká tak tzv. stromová štruktúra adresárov. Ak si ju predstavujeme zhora nadol, potom ide o obrátený strom. Atribúty sú vlastnosti súboru či adresára. Bývajú uloţené mimo tela (obsahu) súboru, napríklad v adresári (u MS-DOSu a Windows 95/98/ME) či v hlavičke súboru (i-node = i-uzol, identifikačný resp. indexovací uzol súboru pouţívaný u Unixu a Linuxu). Okrem iného sem patria typ súboru, jeho umiestnenie, veľkosť, prístupové práva, časové údaje a údaje o vlastníkovi. Názov súboru býva uloţený v adresári. Operácie so súbormi zabezpečované operačným systémom sú vytvorenie/zrušenie/skrátenie súboru, zápis do súboru, čítanie dát zo súboru, presun virtuálneho ukazovateľa pre čítanie resp. zápis na určitú pozíciu v súbore. Súbor, s ktorým sa pracuje, označujeme ako otvorený, po skončení práce sa súbor uzavrie. Hlavné metódy prístupu k súborom sú (z pohľadu programátora) sekvenčný prístup (akoby bol súbor na páske) a priamy prístup (umoţňuje čítať a zapisovať na rôznych pozíciách súboru). Detaily implementácie pritom vykrýva operačný systém. Sú moţné aj iné prístupy spočívajúce v tvorbe dodatočnej dátovej štruktúry tzv. vyhľadávacích indexov, ktoré umoţňujú rýchle vyhľadávanie dát v súbore podľa kľúča. Toto je však implementovateľné aj na úrovni aplikačných programov. Disky sa delia na menšie logické partície. Tie sa často nazývajú logickými diskami alebo jednoducho iba diskami. Fyzické diskové zariadenie obsahuje jeden alebo viacero logických diskov ich počet a veľkosť určí administrátor počítača, ktorým je u osobných počítačov väčšinou sám pouţívateľ. Pouţívateľ vidí iba logický disk, preto ho pri pouţívaní počítača nemusí trápiť, koľko je v počítači nainštalovaných fyzických diskov. Stačí mu poznať logické disky. Existujú dva prístupy k logickým diskom. Jeden (MS-DOS a Windows) disky pomenúva písmenami abecedy (ale potom je moţné mať iba 26 diskov kvôli obmedzenému počtu písmen abecedy) a na kaţdom disku má osobitnú adresárovú štruktúru. Nevýhodou je netransparentnosť pridaním ďalšieho disku môţe dôjsť k narušeniu názvu súborov (namiesto D:\Tmp\Subor vznikne názov E:\Tmp\Subor). Druhý prístup pouţíva systém Unix, ktorý disky mapuje do adresárov. Napríklad do adresára /usr sa namapuje nový disk, takţe jeho koreňový adresár sa logicky stotoţní s adresárom /usr. Potom súbor /jozo/roman.doc na novom disku bude mať po pripojení názov v hierarchickej štruktúre adresárov Unixu /usr/jozo/roman.doc. Unix takto pripája všetky zdroje (vrátane operačnej pamäte a tlačiarní) do jediného stromu súborov. (Fyzické zariadenia sú namapované do adresára /dev, čo je skratka slova devices (zariadenia).) Čo sa týka adresárov, súborový systém s identifikačnými uzlami (Unix) má výhodu v tom, ţe umoţňuje vytvárať viacnásobné odkazy pod rôznymi názvami na ten istý súbor dokonca aj v rôznych adresároch rovnakého logického disku. Za názov súboru pritom povaţuje jeho názov v adresári spolu s cestou do adresára. Pre zjednodušenie práce preto pouţívame tzv. aktuálny adresár. Príklad: Ak si chceme zobraziť súbor /home/schmotze/znamky.txt, môţeme to urobiť dvoma rôznymi spôsobmi. Napríklad tak, ţe napíšeme more /home/schmotze/znamky.txt a súbor sa nám zobrazí, alebo sa príkazom cd /home/schmotze prepneme do učiteľovho adresára (t.j. nastavíme svoj aktuálny adresár na /home/schmotze) a potom uţ len napíšeme príkaz more znamky.txt. Ako je to moţné? Interpretátor príkazov ako argument príkazu (v našom prípade príkazu more) vždy programu odovzdá celý názov súboru (aj s celou cestou k nemu) podľa jednoduchého pravidla. Ak názov napísaný pouţívateľom začína 4

5 lomítkom, potom je to úplný názov súboru, ináč je to skrátený názov súboru, pred ktorý je potrebné doplniť cestu do aktuálneho adresára. Nastavenie aktuálneho adresára je pre ľahšie pochopenie dobré vnímať tak, akoby sme do daného adresára vstúpili. Teraz uţ vieme, ţe uvedený spôsob nám umoţňuje napísať napríklad aj $ cd /home $ more schmotze/znamky.txt Všimnite si prosím, ţe argument programu more nemá na začiatku lomítko! Znak dolár $ je tzv. výzva shellu (poţiadavka: som ochotný akceptovať ďalší príkaz). Môţe mať aj iný tvar, napríklad znak väčší > alebo maltézsky kríţ # pouţívaný pouţívateľskou identifikáciou root Prístupové práva Prístupové práva určujú, kto smie čo so súborom robiť. V Unixe to funguje takto: Práva sa týkajú čítania (read) súboru, zápisu (write) do súboru a vykonávania (execute) súboru (ak je povolené vykonávanie, očakáva sa, ţe súbor je programom alebo skriptom). Označujeme ich skratkami: r, w, x. U adresárov sa právo r interpretuje ako právo vypísať si obsah adresára (napríklad príkazom ls), právo w meniť obsah adresára (pridávať alebo mazať súbory) a právo x ako právo vstúpiť doň alebo do jeho podadresárov príkazom cd respektíve pracovať so súbormi a adresármi nachádzajúcimi sa hierarchicky pod ním. Pouţívateľov podľa vzťahu k súboru delíme na vlastníka (user), pracovnú skupinu (group) a ostatných (others): u, g, o. Príklad: $ ls l /home/schmotze -rwxr-xr-x 1 root root 6773 Sep hack.exac drwxrwxr-x 8 schmotze users 1024 Sep 20 18:33 download $ V príklade si nejaký pouţívateľ vyţiadal podrobný výpis môjho adresára. Našiel v ňom dve poloţky. Jednou je súbor s názvom hack.exac (ţe ide o súbor vie podľa prvej pomlčky) a adresár s názvom download (namiesto pomlčky je vo výpise uvedené písmenko d directory). Keďţe prístupové práva sú delené na tri pre vlastníka, tri pre skupinu a tri pre ostatných, u prvej poloţky (ktorú mi do adresára podhodila pouţívateľská identifikácia root), teda u súboru hack.exac vidíme, ţe root (vlastník) ho môţe čítať, zapisovať i vykonávať, členovia skupiny root nesmú zapisovať (namiesto w je tam mínus) a ostatní tieţ nesmú zapisovať, program však čítať môţu (čo je dôleţité povoliť napríklad pri kopírovaní). Rovnako ho môţu aj vykonávať (spúšťať). Druhou poloţkou je adresár, ktorý všetkým povoľuje všetko, len ostatným (okrem vlastníka a skupiny) zakazuje meniť obsah adresára. Pozor, nesmú sa meniť názvy súborov ani pridávať či odoberať súbory/adresáre, avšak obsah samotných súborov meniť moţno. Z výpisov (tretí a štvrtý stĺpec) tieţ vidno, ţe vlastníkom adresára download je pouţívateľ schmotze. Zároveň skupinou, ktorá má na súbor okrem vlastníka a ostatných špeciálne práva, je skupina users. Adresár má veľkosť 1024 bajtov (súvisí to s formátovaním disku, zvyšok adresára je zatiaľ nevyuţitý prázdny). U súboru hack.exac je veľkosť uvedená presne: 6773 bajtov. Ďalej nasleduje dátum vytvorenia súboru. Ak bol súbor vytvorený v tom istom roku ako je aj aktuálny dátum, namiesto roku vytvorenia sa vypíše hodina a minúta. Na konci samozrejme vidíme názov súboru. Zmenu prístupových práv môţeme uskutočniť príkazom chmod. Nasledujúci príklad nám zároveň ukáţe viac z doteraz nespomenutých vlastností Unixu. $ su - root # cd ~schmotze # chmod ugo-x hack.exac # ls -l -rw-r--r-- 1 root root 6773 Sep hack.exac drwxrwxr-x 8 schmotze users 1024 Sep 20 18:33 download # exit $ 5

6 Pretoţe nie som vlastníkom súboru hack.exac, najprv som musel zmeniť svoju pouţívateľskú identifikáciu na vlastníka, ktorým je root, príkazom su v prvom riadku. Samozrejme si systém odo mňa vypýtal heslo. Parameter (mínus) príkazu su nastaví všetky parametre akoby bol naozaj nahlásený pouţívateľ, na ktorého práva chceme svoje práva dočasne zmeniť (v tomto prípade root). Ţe sa zmena podarila nám signalizuje zmena promptu z $ na #. (Podľa tohto promptu používateľ vie, že pracuje pod používateľskou identifikáciou root a že si teda má sedieť na prstoch. ) Unix nevie, kto počítač pouţíva. Stačí, keď sa dotyčný preukáţe platným názvom konta a heslom k nemu. Preto by sme namiesto o pouţívateľovi mali radšej hovoriť o tzv. pouţívateľskej identifikácii. Ţiaľ (tak ako vţdy pri nahlásení) je dočasnému pouţívateľovi (root) (pred)nastavený jeho domovský adresár /root. Preto, keďţe chce vykonávať zmeny v domovskom adresári iného pouţívateľa, pouţije príkaz cd v druhom riadku. Parameter ~schmotze hovorí, ţe sa chceme prepnúť do domovského adresára pouţívateľa schmotze. Keby sme napísali iba cd ~, prepli by sme sa do svojho domovského adresára. Parametrami príkazu chmod v treťom riadku sú ugo-x a hack.exac. Uvedený zápis znamená, ţe vlastníkovi (u), skupine (g) a ostatným (o) odoberáme (-) právo vykonávať (x) teda spúšťať súbor hack.exac. Pre parameter ugo existuje aj skrátená podoba a (all = všetci). Príkazom ls si uskutočnenie poţadovaných zmien root radšej overil. Príkazom exit (alebo logout) nakoniec dočasný pouţívateľ (root) ukončí svoje sedenie za počítačom a riadenie sa vráti shellu pouţívateľa, ktorý program su spustil. Naznačuje to aj zmenený tvar vý-zvy shellu - prompt máme opäť pôvodný. Ešte niečo iné sme v príklade videli. Príkazový interpretátor (shell) 2 ako proces v Unixe na náš pokyn vytvoril svojho potomka (program su) a počkal na jeho vykonanie a ukončenie. Okrem uvedeného hrubého Unixovského delenia pouţívateľov na vlastníka, skupinu a ostatných existuje aj moţnosť vytvárať zoznamy práv prístupu ACL (Acces Control Lists). Umoţňujú jemnejšiu špecifikáciu vďaka nim dokáţeme v súborovom systéme odoberať či povoľovať práva dokonca aj jednotlivým pouţívateľom operačného systému počítača. Implementuje ich súborový systém NTFS objektovo orientovaného operačného systému Windows NT. ACL patrí k súboru, jeho dĺţka nie je obmedzená. Kaţdý člen reprezentuje kladné (povoliť) alebo záporné (zakázať) práva pre skupinu alebo aj jednotlivých pouţívateľov. Podobne aj operačný systém Novell NetWare umoţňuje (programom grant) priradzovať súborom práva pre skupiny aj jednotlivcov. Príkaz revoke slúţi na odobratie práv, príkaz tlist na ich zobrazovanie. Prístupové práva pritom môţu byť create (vytváranie súborov), erase (mazať adresár aj podadresáre), supervisory (pouţívateľ smie všetko), modify, read (čítať súbor), file scan (prezerať si obsah adresára), write (meniť súbor), access control (meniť práva). Prvé písmená sú zároveň skratkami. Pre každý systém používajúci prístupové práva platí, že detailnejšia špecifikácia prioritne predčí špecifikáciu všeobecnejšiu. Znamená to, že ak napríklad skupina, do ktorej používateľ patrí, má právo nejaký súbor čítať, ale tento používateľ má právo čítať explicitne zakázané, potom tento konkrétny používateľ súbor čítať nemôže Implementácia súborového systému Samozrejme sa opätovne stretávame s modulárnou architektúrou. Hlavné vrstvy od najvyššej: Logický systém súborov sa stará o logické pomenovanie súborov a o prístupové práva. Podriadenému modulu odovzdáva informácie o uloţení počiatkov súborov na disku (iba číslo i-node resp. poloţky FAT). Modul organizácie súborov má prehľad o voľnom priestore na disku a mieste fyzického uloţenia súborov na ňom. Základný súborový systém poskytuje sluţby typu: načítaj sektor fyzicky adresuje, ale nevie nič o skutočnej komunikácii s diskom. Vrstva ovládačov diskových zariadení komunikuje so zariadením a realizuje prenos dát (po blokoch). Alokácia súborov na disku: Súvislá alokácia súbor je uloţený na disku súvisle. Výhodou je rýchlosť netreba zbytočne presúvať hlavičky disku a stačí poznať iba prvý sektor. Jednoduchým prepočtom sa vieme dostať na ľubovoľnú pozíciu v súbore. Nevýhodou je fragmentácia vymazávaním súborov rôznych veľkostí a pridávaním 6

7 na disku vzniknú diery malé nevyuţité priestory, čím sa môţe výrazne zníţiť kapacita disku obzvlášť pre uloţenie väčších súborov. Zreťazená alokácia kaţdý blok súboru (bloky sú alokačné jednotky na disku predpokladajme, ţe o veľkosti štandardných 512 B) končí odkazom na ďalší blok. Strata kapacity disku fragmentáciou tu síce odpadá (bloky súboru nemusia byť uloţené za sebou ), ale nevýhodou je, ţe ak chceme pristúpiť k tisícemu bloku, musíme prečítať všetkých 999 predošlých... Tu však pomáha finta MS-DOSu a Windows tabuľka alokácie súborov FAT (File Allocation Table) uloţená na začiatku disku väčšinou v dvoch kópiách. Nevýhodou je strata prehľadu o uloţení súborov a adresárov pri poškodení FAT. Tento systém je najľahšie zničiteľný vírusmi alebo chybami disku. FAT je totiţ veľmi malá a aj u veľkého disku sa dá ľahko znehodnotiť za pár sekúnd napríklad vírusom. Indexovaná alokácia dáta sú opäť roztrúsené po disku, ale prehľad o umiestnení blokov súboru na disku je umiestnený v špeciálnej hlavičke súboru v indexovacom (identifikačnom) bloku (i-node) súboru. Indexovací uzol je poväčšine fyzicky uloţený blízko začiatku samotného súboru, na ktorý poukazuje. Tento spôsob ukladania dát je odolný voči poškodeniu disku vieme zachrániť nepoškodené súbory aj keby ostalo len 10 % disku a zvyšok sa fyzicky zničil. Nevýhodou je nutnosť umiestňovať viac redundantných údajov na disku, strata kapacity však býva nepodstatná. Samozrejme aj centrálna (mikro)procesorová jednotka (CPU) sa zloţitejším spôsobom zápisu na disk viac zaťaţuje. Tento spôsob ukladania súborov na pamäťové médiá sekundárnej pamäte vyuţívajú klony Unixu. Linux pouţíva formát ukladania ext3. Prístup k veľkým súborom je rýchlejší ako u FAT (u FAT hlavička disku pre zistenie umiestnenia kaţdého ďalšieho bloku musí skákať do tabuľky FAT), avšak napríklad detailný výpis adresára vedie k prezretiu i-node všetkých súborov, čo je pomalšie neţ u DOSu (u FAT), kde sú informácie uloţené priamo v adresári. Indexovaná alokácia je najbezpečnejšia a pre potreby veľkých systémov najvhodnejšia. V nasledujúcom texte si uvedieme jednoduchý opis systému s FAT. Disk je bez ohľadu na operačný systém ba dokonca aj bez ohľadu na implementáciu logického systému súborov fyzicky delený na cylindre (súčasne vysunuté hlavičky plávajúce niekoľko mikrometrov nad povrchom kaţdej platne disku tvoria cylinder, na jedinej strane platne, t.j. na jednom povrchu, tvoria tzv. stopu podobne ako u gramofónu) a kaţdý cylinder pozostáva z určitého počtu sektorov. Oficiálne sa kapacita logického disku v operačnom systéme prepočítava na clustre najmenšie adresovateľné alokačné jednotky. Je to číslovanie zdruţených sektorov (operačný systém za cluster prehlasuje niekoľko fyzických sektorov logického disku dohromady) od 0 (začiatok logického disku) po ka-pacitu logického disku. Pokým sektor má štandardnú veľkosť 512 bajtov, cluster môţe mať veľkosť od 512 bajtov do niekoľko desiatok kb. Problém tkvie v tom, ţe maximálny počet clusterov na disk je daný formátom adresácie. U MS-DOSu je daný veľkosťou FAT poloţky, čo je u beţnej 16 bitovej poloţky Preto čím väčší logický disk, tým viac sektorov zaberá jeden cluster. Tým sa ale zbytočne stráca kapacita disku pri ukladaní dát na disk, pretoţe aj súbor o veľkosti 1 byte zaberá aspoň jeden cluster (aj v najlepšom prípade nám ukrojí aspoň 512 bajtov zo vzácnej kapacity disku). Okrem tejto tzv. FAT16 rozoznávame aj FAT12 (kapacita 4096 poloţiek), ktorá sa pouţíva na disketách, a FAT32 pouţívanú hlavne u Windows 98. FAT na logickom disku reálne pozostáva z toľkých poloţiek, koľko alokačných clusterov sa nachádza na disku. Vytvára sa pri formátovaní. (Konečne vieme, prečo je disk pred jeho pouţitím potrebné naformátovať. ) Adresár vo FAT systéme, teda u MS-DOSu (resp. Windows 9x) je súbor, ktorý obsahuje informácie o súboroch. Obsahuje názov súboru/adresára, jeho dĺţku, atribúty (hidden: skrytý, system: systémový, readonly: len_na_čítanie, archive: treba_archivovať) a poradové číslo pridelenej poloţky tabuľky FAT zároveň odpovedajúce poradovému číslu prvého clustra, ktorý súbor na disku zaberá. Kaţdá poloţka FAT obsahuje poradové číslo inej poloţky FAT (a teda aj clustera, na ktorom súbor pokračuje), alebo obsahuje značku koniec súboru. Kaţdá poloţka FAT fyzicky odpovedá clusteru s rovnakým poradovým číslom, neţ je jej poradové číslo vo FAT tabuľke. 2 Väčšina príručiek pouţíva názov interpret či interpreter, správne by sa však malo hovoriť interpretátor príkazov. 7

8 Príklad: Súbor zaberá 60 KB, teda na disku s veľkosťou clustera 16 kb zaberá štyri clustre. Posledných 4 KB posledného zo súborom zaberaných clusterov zostane nevyuţitých. V niektorom z adresárov je u- vedené meno a atribúty súboru ako aj poradové číslo počiatočného clustera Zároveň je to poradové číslo poloţky FAT, kde DOS nájde odkaz na poradové číslo (FAT i clustera), kde sa nachádza ďalšia časť súboru. Za normálnych okolností, ak je disk defragmentovaný, by náš súbor pokračoval na clustroch 3121, 3122 a V našom príklade sú však náročky údaje na disku fragmentované, preto posledným clustrom je Aby DOS vedel, kedy prestať načítavať dáta, poloţka FAT zodpovedajúca poslednému clustru uţ neobsahuje odkaz na ďalší klaster, veď súbor uţ na ďalších clusteroch nepokračuje, ale značku konca súboru FFEF. (Vyššie čísla sú rezervované pre potreby operačného systému. Hexadecimálne (šestnástkové) číslo FFF7 sa napríklad pouţíva na označenie chybného sektora. Preto môţe byť u FAT 16 maximálna adresovateľná poloţka FFEE, teda máme k dispozícii clusterov.) Výsledok uloţenia súboru z nášho príkladu v prehľadnej tabuľke: Číslo poloţky FAT hodnota FFEF (=END_OF_FILE) Vo Windows nazývame cluster alokačnou jednotkou. Chyby vo FAT nastávajú, ak reťazec nie je ukončený FFEF, ak sa prekrývajú reťazce dvoch súborov, ak voľný cluster nie je vo FAT označený nulami alebo ak je reťazec FAT poloţiek zacyklený. Chyby odhaľuje program chkdsk. Spustením chkdsk /f sa chyby aj odstránia. Na systémoch Windows 95/98/ME je vhodnejšie spúšťať program Scandisk for Windows alebo aspoň jeho textovú verziu scandisk. V operačnom systéme Windows NT sa kontrola diskového zväzku spúšťa napríklad klepnutím pravým tlačidlom myši na názov disku v Prieskumníkovi súborov, zvolením poloţky Vlastnosti disku, v nej lišty Nástroje a v stati Kontrola chýb stlačením tlačidla Skontrolovať disk. V operačnom systéme Linux sa kontrola disku spúšťa nástrojom fsck. Pri váţne poškodenom disku je niekedy potrebné určiť, akého je logický disk typu a podľa toho spúšťať konkrétnu verziu príkazu fsck, napríklad fsck.ext2. U i-uzlových súborových systémov platí zásada, ţe kontrolovať moţno iba disk nenamapovaný do súborového systému operačného systému počítača alebo disk namapovaný iba pre čítanie (čo je tieţ mierne komplikované). V novších operačných systémoch Windows 98/ME resp. Windows XP/2003 a Linux, teda v systémoch vyuţívajúcich formát súborového systému FAT32, NTFS, ext2 alebo ext3 nie je explicitná kontrola konzistentnosti údajov na logickom disku beţne neodpájanom z počítača nevyhnutná operačný systém počítača v prípade potreby konzistentnosť údajov na logickom disku overí a zaistí sám. 8

9 3. Správa procesov 3.1. Zavádzanie a vykonávanie úloh Proces je úloha (program) zavedená do pamäte na vykonanie. Ak desať pouţívateľov pouţíva napríklad textový editor vi, spustili jediný program (v pamäti sa nachádza iba raz), ale ide o desať samostatných procesov. Proces pozostáva z kódu programu (v našom príklade jediný v pamäti) a dát procesu (globálne dáta, zásobníky zodpovedajúce postupnosti volaní podprogramov a hromada, ktorá slúţi na prideľovanie ďalšej pamäte). Toto spolu s hodnotami registrov počítača charakterizuje proces v operačnom systéme na danom počítači Stav procesu Stav procesu vyjadruje vzťah OS a procesu. Proces môţe byť novovytvorený (new), vykonávaný (tieţ mu hovoríme beţiaci, running, práve je vykonávaný pomocou CPU), pripravený (ready, čaká na pridelenie CPU), čakajúci (waiting, nevykonáva sa, pretoţe čaká na dokončenie I/O poţiadavky, na komunikáciu s iným procesom, na uplynutie zadaného časového úseku alebo na ukončenie činnosti svojho potomka) a ukončený (terminated, skončil prácu alebo bol násilne ukončený a systém ho z pamäte odstráni). Proces má svoj ţivotný cyklus pozostávajúci z pripustenia (admit) novovytvoreného procesu do stavu pripravený, naplánovania (dispatch) procesu stane sa beţiacim (a je opakovane prepínaný do stavu pripravený podľa prioritných pravidiel) a čakania na výskyt udalosti (stlačenie klávesy u editora). Po výskyte udalosti, na ktorú proces čakal, sa zasa prepína do stavu pripravený. Poslednou fázou je 9

10 samozrejme ukončenie procesu. Za bežných okolností používateľa ani programátora životný cyklus procesu nezaujíma. Operačný systém si drţí informácie o procesoch v špeciálnej tabuľke procesov. Tabuľka pozostáva z PCB process control blocks. Kaţdá poloţka tabuľky obsahuje kontext procesu. Sú to všetky podstatné údaje o procese: PID (identifikačné číslo) procesu, stav procesu (či je beţiaci, pripravený,...), obsah registrov (vrátane registra IP určujúceho pamäťovú adresu ďalšej inštrukcie), informácie pre plánovač procesov, údaje o pridelenej pamäti, účtovnícke informácie (koľko času CPU program spotreboval), stav I/O (priradené zariadenie, otvorené súbory). Tabuľku procesov Intel ukladá do TSS Task Switch Segment, teda do segmentu pre prepínanie procesov. Ukáţka obsahu jednej jej poloţky (teda PCB) je na obrázku. Sú tam uloţené obsahy všetkých registrov EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, ESP, EBP, EFLAGS, EIP a CS, ES, DS, SS a niektoré ďalšie Plánovanie procesov Plánovanie procesov rozoznávame dlhodobé (určenie, ktorá z čakajúcich úloh môţe byť spustená poradovník úloh), strednodobé (súvisí s odkladaním stránok) a krátkodobé (rozhodovanie, kedy bude procesu pridelená centrálna procesorová jednotka). Je zrejmé, ţe všetky nastavenia procesora a tabuľky procesu sa pri opätovnom pridelení CPU musia zhodovať s predošlými. Preto sa ukladá obsah všetkých registrov procesora a vlastne celý kontext procesu do PCB pred prepnutím CPU na iný proces (alebo pred spracovaním prerušenia), pre ktorý sa zasa musí obsah registrov procesora (spolu s jeho nastaveniami) pred pokračovaním vo vykonávaní programu obnoviť (z jemu prideleného PCB). Proces vytvára jeho rodič. Proces môţe byť vykonávaný súbeţne s rodičom alebo rodič čaká na jeho dokončenie (u MS-DOSu sa inak ani nedá ). Procesy tak podobne ako súborový systém vytvárajú strom (rodič môţe vytvoriť viacero rovnocenných potomkov). U Linuxu býva tento strom čitateľný vo virtuálnom adresári /proc. Kaţdému spustenému procesu v ňom zodpovedá adresár pomenovaný číslom je ním PID procesu. V adresári /proc moţno nájsť aj ďalšie uţitočné informácie o počítači a operačnom systéme, napríklad súbor /proc/cpuinfo (je v textovej podobe, moţno ho teda čítať programom more) obsahuje informácie o type a výkonnosti centrálnych procesorov počítača. S ukončením procesu bývajú spojené činnosti ako je uzavretie súborov a uvoľnenie všetkých zdrojov systému (terminál, klávesnica, okno programu). Ak je to nutné, tak aj násilné ukončenie súvisiacich procesov (potomkov) Koordinácia a plánovanie využívania procesora Modul prideľovania procesora procesom sa delí na tri logické moduly. Plánovač úloh vytvára procesy z prijatých úloh a rozhoduje, ktorá z nich bude pripustená. (Ostatné musia čakať.) Úlohe prideľuje vybrané prostriedky. (Po jej skončení prostriedky počítača uvoľní.) Plánovač procesov realizuje technológiu multiprogramovania podľa prioritných pravidiel rozhoduje, ktorému z pripravených procesov bude pridelený procesor a na ako dlhý časový interval. Pracuje iba nad úlohami, ktoré uţ plánovač úloh zaviedol do pamäte a vytvoril z nich procesy. Dispečer sleduje stav procesu. Stará sa napríklad o ukladanie obsahov registrov procesora do zásobníkov (pri prepínaní sa procesora na iný proces) apod. V beţných dnešných operačných systémoch to tak nefunguje. Zjednodušenie nastáva najmä u plánovača úloh. Úloha sa plánovačom úloh buď vyberie na spracovanie, alebo je zamietnutá s hlásením: Nedostatok pamäte. (Nevytvára sa zásobník úloh dlhodobo čakajúcich na spustenie ani sa netestuje, či spustením poţadovaného programu nedôjde k prílišnému zaťaţeniu niektorého prídavného zariadenia.) Jestvujú systémy, ktoré dlhodobé plánovanie v sebe zahrnuté majú. Majú za úlohu napríklad riadiť automatické hromadné spracovanie dát. Pouţívajú rôzne stratégie prechodu úloh počítačom. Napríklad 100 úloh čaká na vykonanie počas dňa. Pritom počítač zvládne efektívne vykonávať povedzme iba tri aţ štyri súčasne. Otázka je, v akom poradí majú byť vyberané na spracovanie. Najjednoduchšou moţnosťou je FIFO (First In, First Out kto prv príde, ten prv melie). Zloţitejšou metódou je spracovávanie podľa odhadu spotreby času SJF (Shortest Job First). To zabezpečí, ţe počítač v priemere spracuje viac úloh za jednotku času. (Samozrejme to platí iba v prvých hodinách vykonávania, potom sa priemer vyrovná.) Všetky ďalšie metódy sú príliš konkrétne (vieme, ţe o dve hodiny príde rad krátkych úloh, preto si preňho rezervujeme čas) alebo zastarané (ak dva procesy pristupujú na magnetickú pásku...). Vo všeobecnosti platí, ţe je dobré, keď sa súčasne vykonáva úloha náročná na CPU (simulátor neurónových sietí) a úloha náročná na I/O (prehľadávanie disku). Naopak, nie je vhodné, keď k rovnakému I/O zariadeniu intenzívne 10

11 pristupuje viacero úloh súčasne (napr. prehľadávanie disku a zároveň swapovanie naň a zároveň kopírovanie veľkého mnoţstva súborov na tom istom fyzickom disku). Pri takýchto I/O operáciách je dobré uprednostniť dlhšie časové intervaly pre dané úlohy (s tým, ţe potom pre vyrovnanie časového sklzu zasa dlhšie časové úseky venujeme ostatným programom)... Algoritmy na prideľovanie CPU sú: Cyklická obsluha (kaţdú milisekundu bude procesor pridelený inému procesu). Spravodlivá obsluha (podľa vyuţitia časového kvanta v minulom pridelení ak bol procesu odobratý procesor lebo proces na niečo čakal, bude vo fronte zaradený na spracovanie skôr). Cyklická obsluha so spätnou väzbou (nový proces dostane toľko času, koľko ho uţ doteraz dostali iné procesy je to dosť neinteraktívny prístup). Prioritná stratégia (vyuţíva ju Unix) proces dostane taký pomer výkonu procesora, aký si zakúpila firma alebo ak je to veľmi dôleţité obsluha jadrového reaktora musí byť obslúţená kedykoľvek je to potrebné. Ak reaktor obsluhu nepotrebuje, proces sa prideľuje iným úlohám podľa ich priorít. Limitovaná cyklická obsluha. Ak proces dohromady vyčerpal pridelený limit sekúnd, potom je obsluhovaný iba ak by systém inak bol v nečinnosti. Stratégia rešpektujúca vyváženosť systému. Pri výbere úlohy sa vyberá tá s najväčšími nárokmi na I/O. (Tým sa chce dosiahnuť vysoká vyuţívanosť I/O zariadení u niektorých systémov.) Stratégia preferujúca interaktívny prístup. Ak proces komunikuje s pouţívateľom, ihneď mu je pridelený strojový čas chceme tým dosiahnuť čo najkratšiu dobu odozvy (takto vraj pracuje operačný systém BeOS, ktorý sa príliš neujal). Algoritmus plánovania podľa typu úlohy sa snaţí o prioritách rozhodovať tak, aby čo najlepšie vyváţil vyuţitie I/O (kedy procesor zaháľa) a vyuţitie CPU (vtedy zasa zaháľajú I/O zariadenia). Unix sa snaţí dosiahnuť akú takú spravodlivosť premenlivými prioritami (vnútené priority procesov sú preň len odporúčaním, v skutočnosti priority podľa vlastného uváţenia mení). Inteligentne pracuje aj operačný systém Windows. Pre niektoré preddefinované procesy pouţíva vysokú prioritu. Keďţe ide o operačný systém orientovaný na jedného pouţívateľa, priorita programu v popredí, to je programu, s ktorým sa práve pracuje (je mu pridelená klávesnica a myš), je niekoľkonásobne vyššia. Tak má program rýchlu odozvu a ak práve nepracuje (čo je väčšina času), lebo čaká na vstup od pouţívateľa, jeho nevyuţitý čas spotrebujú úlohy na pozadí, lebo bude v stave čakajúci... Tak pri rovnakom výkone počítača pracuje počítač pre pouţívateľa sviţnejšie. Je to napodobenie stratégie preferujúcej interaktívny prístup, hoci to nie je to isté, pretoţe vybraný proces má vysokú prioritu pridelenú trvalo dovtedy, kým pouţívateľ na popredie nevyberie iný proces. Za beţných okolností je to pre jednopouţívateľský operačný systém rozumný prístup. 11

12 4. Správa a plánovanie periférnych zariadení Periférne zariadenia sú všetky zariadenia pridané k jadru počítačového systému. Ak máme blokové zariadenie (je to zariadenie prenášajúce dáta po blokoch, napríklad disk, magnetická páska streamer) a súčasne s ním chce komunikovať (pracovať) viacero procesov, priepustnosť systému sa môţe zníţiť. Je vhodné kombinovať procesy tak, aby bola zaťaţenosť jednotlivých prídavných zariadení čo najviac vyváţená (viď odsek 5.4 Koordinácia a plánovanie vyuţívania procesora) Uviaznutie a metódy ochrany proti nemu Zablokovanie (uviaznutie) anglicky označované ako deadly embrance resp. deadlock nastáva, keď potrebujú dva procesy dva prostriedky, pričom jeden z procesov poţiadal o jeden prostriedok (a čaká na uvoľnenie druhého prostriedku) a druhý proces poţiadal o druhý prostriedok, na dokončenie operácie však potrebuje aj prostriedok blokovaný prvým procesom, ktorý ho samozrejme nemieni uvoľniť. Takto sa dva procesy navzájom zablokovali. Existuje niekoľko techník pouţiteľných ako obrana proti zablokovaniu procesov. Úplné počiatočné pridelenie. Pouţívateľ alebo programátor musia špecifikovať všetky prostriedky, ktoré jeho úloha bude poţadovať. Plánovač úloh úlohu nenaplánuje do tej doby, kým nebudú k dispozícii všetky prostriedky, ktoré úloha poţaduje. Nevýhodou je, ţe pouţívateľ nemusí dopredu poznať všetky prostriedky, ktoré úloha bude poţadovať. Je tieţ nutné pred spustením programu po-čkať na uvoľnenie všetkých prostriedkov. A, samozrejme, kým sa úloha vykonáva, blokuje zariadenia ostatným úlohám (hoci niektoré z pridelených zariadení sa počas vykonávania úlohy nakoniec moţno ani nepouţijú). Dynamické prideľovanie. Riadené prideľovanie prostriedkov. Aj tu úloha dopredu špecifikuje zariadenia, ktoré bude poţadovať. Operačný systém pri spúšťaní ďalších úloh zváţi, či náhodou nemôţe dôjsť k uviaznutiu. Ak počas vykonávania riziko zablokovania nastane, iba prvá úloha smie pokračovať v činnosti, ostatné rizikové sa uspia. Nevýhodou je, ţe aj tu sa musí dopredu stanoviť maximum poţadovaných prostriedkov. Pred kaţdým pridelením prostriedku sa testuje deadlock. Hierarchické prideľovanie označuje prostriedky číslami (tlačiareň 1, disk 2 apod.). Ak proces poţaduje momentálne nepouţívaný prostriedok v rastúcej číselnej postupnosti, prostriedok mu je pridelený, inak nie. Táto technika zaručuje nezablokovanie, ale štandardne určená postupnosť poţiadaviek na prostriedky programom nemusí vyhovovať. Detekcia uviaznutia a zotavenie (sa) z neho. Metóda pripúšťa také zablokovanie, ktoré je schopná odhaliť a z ktorého sa dokáţe zotaviť. Je najzloţitejšia ale aj najrozumnejšia. Pozostáva z piatich zmien: 1. Kaţdý prostriedok v systéme dostane pridelené ľubovoľné prirodzené číslo. 2. Procesy si rezervujú prostriedky od operačného systému volaním funkcií rezervuj a uvoľni. 3. Do tabuliek stavov prostriedkov a procesov sa doplnia príslušné poloţky. Tabuľky sú dve, RATBL (Resource Assignment Table) tabuľka pridelenia prostriedkov a PWTBL (Process Wait Table tabuľka procesov čakajúcich na pridelenie prostriedkov). Poloţka tabuľky RATBL v riadku obsahuje číslo prostriedku a číslo procesu, ktorému je prostriedok pridelený. Poloţka tabuľky PWTBL obsahuje čísla v opačnom poradí, najprv číslo procesu a potom číslo prostriedku, na ktorý proces čaká. 4. Akonáhle si proces rezervuje alebo uvoľní prostriedok, jadro operačného systému správnym spôsobom pozmení príslušné tabuľky. 5. Ako náhle je poţadovaný uzamknutý prostriedok (uţ si ho rezervoval iný proces), aplikuje sa algoritmus detekcie zablokovania. Algoritmus detekcie zablokovania je jednoduchý. Striedavo pouţíva druhú poloţku jednotlivých tabuliek (pretoţe tá je stále indexom do tej druhej tabuľky) na detekciu procesov, ktoré navzájom na seba čakajú. Ak sa medzi nimi vyskytne proces, ktorého poţiadavka detekciu zablokovania spustila, k zablokovaniu došlo. Inak proces jednoducho musí počkať na uvoľnenie prostriedku. Napríklad proces 4 si ţiada prostriedok 32. V tabuľke RATBL zistíme, ţe ho nemôţe dostať, lebo ho má pridelený proces 17. V tabuľke PWTBL sa pozrieme na 17-ty riadok a zistíme, ţe proces s číslom 17 tieţ čaká, ale na prostriedok 7. Zo 7-eho riadku tabuľky RATBL zistíme, ţe prostriedok 7 je pouţívaný procesom 8. No a z PWTBL zistíme, ţe proces 8 čaká na uvoľnenie prostriedku 171. Z RATBL zistíme, ţe prostriedok 171 uţ pouţíva náš o nový prostriedok ţiadajúci proces 4. Takto sa jednoduchým spôsobom dozvieme, ţe sa nám to celé zablokovalo. 12

13 Kým s detekciou uviaznutia si poradíme ľahko, zotavenie sa je problémom. Môţeme niektorý z procesov zrušiť (s moţnými neblahými dôsledkami na procesy, ktoré sú na ňom závislé) alebo pouţijeme zloţitý algoritmus pre návrat vo výpočte aţ k bodu, kedy bol prostriedok pridelený procesu alebo pouţijeme techniku kontrolných bodov, ktorá vţdy pri pridelení prostriedku ukladá obsahy registrov a celý stav procesu (aj táto technika je náročná na pamäť). Zatiaľ nepoznáme spoľahlivú a ekonomicky únosnú techniku na odblokovanie procesov v kaţdom prípade. 13

14 5. Správa primárnej pamäte Správu primárnej pamäte sme si uţ čiastočne spomínali v stati 2.3. Pre účely tejto kapitoly budeme rozlišovať operačnú pamäť fyzicky prítomnú v počítači (FAP fyzický adresový priestor) a pamäť ako abstrakciu, na ktorú sa programy odvolávajú pri adresácii (LAP logický adresový priestor). Primárna pamäť je hardvérovo ovládaná jednotkou správy pamäte (MMU Memory Management Unit). MMU býva súčasťou CPU a konvertuje logické adresy na adresy fyzické (zrozumiteľné počítaču) pri akejkoľvek práci s operačnou pamäťou pri načítavaní inštrukcií, načítaní dát a pri zápise dát Adresy z hľadiska programu V programe sa odvolávame na adresy symbolické premenné, identifikátory. Pri preklade prekladačom (do strojového kódu) sa adresy zamenia za relokovateľné adresy v skutočnosti budú teda pridelené aţ pri spustení programu, kedy uţ konečne vytvoria logické adresy zrozumiteľné pre MMU. Pridelenie adries (address binding) sa môţe odohrať troma spôsobmi. Počas prekladu programu. Takto vzniká absolútny kód. Nič v ňom nie je symbolické a program sa dá zaviesť len na pevne určenú adresu v pamäti (.COM programy v MS-DOSe). Počas zavedenia programu do pamäte. Relokovateľné adresy sa modifikujú podľa umiestnenia programu v pamäti. (Je to jednoduchšie neţ sa zdá.) Počas behu programu. Ak to podporuje hardvér a operačný systém, je moţné (čas od času v prípade potreby) presúvať program v pamäti priamo počas jeho vykonávania. Najprv sa samozrejme vykonávanie programu preruší, potom sa správy ujme operačný systém a popresúva programy, aby napríklad defragmentoval pamäť a po niekoľkých sekundách opätovne spustí programy. (Defragmentáciu primárnej pamäte nerobí Microsoft Windows. Preto sa jeho činnosť počas behu systému pomaly spomaľuje. Našťastie uţ aj toto tvrdenie prestáva byť pravdou a Windows NT patria medzi špičkové operačné systémy. Umoţňujú napríklad prechod osobného počítača do stavu spánku apod.) 5.2. Efektívne využívanie primárnej pamäte Operačný systém môţe podporovať rôzne spôsoby pre zefektívnenie vyuţitia operačnej (fyzickej) pamäte. Napríklad: Dynamické zavedenie (dynamic loading) programov. Procedúra sa nenačíta z disku do pamäte, kým nie je po prvýkrát volaná z programu. Je to výhodné pri málo vyuţívaných funkciách programu. Nevýhodou je časové zdrţanie na prvé volanie kaţdej procedúry. Dynamické zostavovanie (dynamic linking). Tu sa niektoré procedúry nepíšu, ale uţ ich niekto umiestnil v kniţniciach a tie sa k programu pridávajú aţ počas jeho behu (a prvého zavolania funkcie z kniţnice). Ide o dynamické kniţnice Unixu či dll súbory Windows. Výhodou je menšia spotreba miesta na disku, keďţe napríklad vstupno-výstupné procedúry nemusí obsahovať kaţdý program, stačí odkaz na ne do kniţnice. Nevýhodou je, ţe ak chceme zmeniť kniţnice, nastáva problém kompatibility. Prekrývanie (overlay). Často sa určité časti programov vyuţívajú len v určitom čase (napríklad pri štartovaní programu), potom môţu byť prepísané zvyšnou časťou programu. Je to skôr vecou prekladača neţ OS, pri programovaní pre MS-DOS to podporuje napríklad Borland Pascal i Borland C/C++. 14

15 Odkladanie stránok na disk (paging). To sme si uţ spomínali, má ho kaţdý moderný operačný systém a umoţňuje vyuţívať viac pamäte, neţ sa fyzicky nachádza v počítači. Staršie operačné systémy odkladali na pevný disk celé procesy (swapovali), dnes sa odkladajú len časti procesov najmenej pouţívané stránky (stránkovanie). Medzi pouţívateľmi a tvorcami počítačov a operačných systémov sa však zauţíval určitý ţargón, v ktorom sa procesu stránkovania nešťastne hovorí svapovanie či odkladanie na disk. V lepšom prípade sa hovorí o odkladaní stránok do súboru resp. na samostatnú partíciu (partícia je logický disk vytvorený na fyzickom disku, diskový zväzok) Prideľovanie primárnej pamäte Existujú tri metódy alokácie primárnej (operačnej) pamäte Súvislá alokácia Pri súvislej alokácii pamäte je LAP procesu uloţený v súvislej oblasti FAP. Jedna oblasť FAP (typicky oblasť niţších adries obsahujúca aj vektory prerušení) je vyhradená pre jadro operačného systému. Zvyšok pamäte je vyhradený procesom. Rozoznávame Jednu oblasť (ak neuvaţujeme OS). Môţe v nej beţať (byť aktívny) iba jeden proces. Veľkou nevýhodou je nemoţnosť multitaskingu. Viac oblastí rovnakej veľkosti. Dochádza k plytvaniu pamäťou (aj proces veľkosti 4 KB zaberie 100 KB pri veľkosti oblasti 100 KB hoci 96 KB je nevyuţitých). Navyše nemáme prostriedky na spustenie procesu o veľkosti presahujúcej 100 KB. (V príklade bola veľkosť oblastí stanovená na 100 KB iba náhodou.) Viac oblastí premenlivej veľkosti. Nevýhodou je fragmentácia pri spustení mnohých programov a skončení a opätovnom spustení. Môţe sa stať, ţe malé (roztrúsené) voľné bloky tvoria dokopy dostatočne veľkú kapacitu na spustenie nejakého programu, avšak neexistuje ţiadna za sebou nasledujúca skupina blokov, kam by sme program umiestnili. Plytvanie pamäťou je najväčšou nevýhodou súvislej alokácie. Ak proces ţiada o ďalšiu pamäť, ale za jeho oblasťou uţ nie je dostatočne veľký voľný priestor (hoci inde by sa ho našlo habadej), bude mu jeho ţiadosť operačným systémom zamietnutá. V tomto jednoduchom systéme súvislej alokácie pamäte sa ochrana pamäte (a mapovanie LAP na FAP) uskutočňuje pomocou dvoch registrov bázového (relokačného) a limitného. Pri prepínaní kontextu procesu sa tieto registre (spolu s ďalšími) naplnia dátami špecifickými pre proces, na ktorý sa činnosť CPU prepína. LAP procesu je pole bajtov adresované od nuly po limit. Hardware počítača pri prístupe do pamäte najprv skontroluje (jednoduchým porovnaním), či sa proces nepokúša adresovať pamäť nad limit. Ak nie, tak sa k tejto adrese pripočíta bázová adresa je to ako posunutie súradníc na karteziánskej súradnicovej osi. Ak MMU zistí, ţe logická adresa presahuje nad limit, vygeneruje sa programové prerušenie vypíše sa chyba prístupu do operačnej pamäte a program je zrušený Stránkovanie Stránkovanie rieši problémy fragmentácie. Program uţ nezaberá jednoliaty celok v pamäti FAP, ale LAP procesu je rozdelený na malé stránky (o veľkosti niekoľko KB). Aj FAP je rozdelený na rámce o rovnakej veľkosti akú majú stránky. Tabuľka stránok procesu (TS) potom určuje pridelenie (mapovanie) stránok LAP na rámce FAP. Logická adresa (napríklad premennej) je určená číslom stránky (v tabuľke stránok procesu) a ofsetom na danej stránke. Opäť sa to podobá posunu počiatku karteziánskych súradníc. 15

16 Stránkovanie umoţňuje ochranu (do TS sa pridajú bity, ktoré procesoru hovoria, ktorý proces smie čítať/zapisovať do stránky). Výhodou je moţnosť zdieľať stránky (procesy môţu pomocou zdieľaných stránok komunikovať). Nevýhodou je zvýšená réţia, ktorá má svoje pamäťové nároky i nároky na CPU. Limit stránky tu nepotrebujeme, pretoţe konštantná veľkosť stránok je daná hardvérovo stavbou pamäťovej jednotky CPU Segmentácia Segmentácia je voči procesom menej násilná neţ stránkovanie. Segmenty môţu mať rôzne veľkosti, a teda pre programátora prijateľnejšie uchovávajú navzájom súvisiace bloky programu a dát. (Stránky sú konštantnej veľkosti a neumoţňujú plné vyuţitie operačnej pamäte vţdy je časť z obsahu stránky nevyuţitá, pretoţe nič rozumné sa do nej uţ nezmestí.) Výhodou je, ţe segmenty sú sémantické entity (zoskupujú významovo zdruţené údaje) a je jednoduchšie ich zdieľať medzi programami. Aj tu máme tabuľku segmentov procesu TSP. Opäť tu máme bázovú adresu segmentu, limit a samozrejme aj offset v segmente. Limit potrebujeme, pretoţe veľkosť segmentu stanovuje programátor. Hardvérovo je stanovené iba maximum, ktoré je pamäťová jednotka CPU schopná adresovať, napríklad u mikroprocesorov Intel 386+ je to 4 GB. Celková pamäť, ktorú vie aplikácia (proces) teoreticky vyuţiť, je daná celkovým počtom segmentov po 4 GB, čo zatiaľ čisto teoreticky dáva dokopy neuveriteľných 64 TB. (1KB=1024B, 1MB=1024KB, 1GB=1024MB, 1TB=1024GB.) 16