Основы архитектуры операционных систем

Этот раздел мы начнем с определения базовых понятий, среди которых очень важным для нас станет понятие операционной системы. Этот термин имеет различные толкования в разных изданиях, мы остановимся на следующем.

Операционная система — это комплекс программ, в функции которого входит обеспечение контроля за существованием, использованием и распределением ресурсов вычислительной системы. Напомним, что вычислительная система может включать в свой состав как физические, так и виртуальные ресурсы. Чтобы дать более ясную картину того, что же мы будем считать операционной системой, разберем ее определение детально.

Начнем с того, что операционная система обеспечивает контроль за существованием ресурсов. Для любого ресурса степень его доступности зависит от операционной системы. Существуют ресурсы, которые полностью зависят от того, имеется ли их реализация в операционной системе или нет, если есть, то какая именно это реализация. Примером подобного ресурса служит файловая система: этого ресурса может и не быть в операционной системе, может существовать одна модель, или другая модель, или сразу несколько моделей.

Следующий пункт — использование ресурсов. Здесь имеется в виду, что операционная система предоставляет все средства, обеспечивающие доступность ресурсов ВС пользователю (точнее программам).

И, наконец, распределение: под этим будем понимать обеспечение всевозможных моделей регламентации доступа.

Любая операционная система опирается на набор базовых сущностей, на основе характеристик которых выстраиваются почти все эксплуатационные свойства конкретной операционной системы. При этом, для различных операционных систем наборы базовых сущностей зачастую различаются: одни основаны на понятии устройства, другие — на понятии файла, третьи — на понятии набора данных. Но в большинстве случаев в состав базовых включается сущность, обозначающая исполняемую программу, задачу, задание или процесс. Эта сущность определяет некоторый процесс исполнения последовательности команд, причем здесь может участвовать единственная ветвь вычислений, а может сразу и несколько параллельных ветвей. Из множества трактовок этой сущности мы выберем понимание ее именно как процесса.

Процесс — это совокупность машинных команд и данных, обрабатывающаяся в рамках вычислительной системы и обладающая правами на владение некоторым набором ресурсов.

Разберемся в этом определении. Понятие совокупности машинных команд и данных обозначает то, что принято называть исполняемой программой, т.е. это код и операнды, используемые в этом коде. Далее, под термином обработки в рамках ВС будем понимать, что эта программа сформирована и находится в системе в режиме обработки (это может быть и ожидание, и исполнение на процессоре, и т.п.). И, третье, понятие обладания правами на владение некоторым набором ресурсов обозначает, по сути, возможность доступа. Отметим, что здесь речь не идет об эксклюзивных правах, поскольку в общем случае это было бы некорректно. Итак, иными словами процесс можно определить как исполняемую программу, которая введена в систему для ее обработки, и с которой ассоциированы некоторые ресурсы вычислительной системы.

Ресурсы, выделяемые процессам, могут быть двух типов. Первая категория ресурсов состоит из тех ресурсов, которые выделяются процессу на эксклюзивных правах. Это означает, что этот ресурс, пока процесс им владеет, принадлежит ему и только ему, и никакой иной процесс не имеет право работать с данным ресурсом. Вторая категория — это те ресурсы, которые в один и тот же момент времени могут принадлежать двум и более процессам, и их принято называть разделяемыми ресурсами. Здесь сделаем небольшое пояснение: то, что разделяемый ресурс может одновременно принадлежать нескольким процессам, не означает, что к нему возможен одновременный доступ. Обозначенная проблема решается на другом уровне посредством использования разных схем синхронизации доступа к разделяемому ресурсу, и об этом речь пойдет несколько позже.

С точки зрения выделения ресурса процессу используются две модели организации этого выделения. Первый способ — это предварительная декларация ресурсов. В этом случае до ввода программы в систему и формирования для нее процесса описывается перечень тех ресурсов, которыми процесс будет обладать. Например, это может быть перечень областей оперативной памяти, которые будут доступны данному процессу (если система поддерживает механизм виртуальной памяти, то это будет перечень областей виртуальной памяти, доступных процессу). Или же это может быть предельное время центрального процессора, которое может быть потрачено на исполнение данного процесса. Так или иначе, при вводе программы и формировании процесса операционная система постарается выделить все необходимые ресурсы, которые были предварительны декларированы. Если в системе нет заказанного ресурса, то она, скорее всего, не станет запускать процесс, который запросил этот ресурс.

Вторая модель — это динамическое дополнение списка ресурсов. Данная модель предполагает выделение процессу ресурса уже во время выполнения этого процесса. Это означает, что в системе происходит запуск процесса с выделением ему минимально необходимой области виртуальной памяти, а затем, когда процесс обращается к системе за выделением дополнительной области, то ОС обрабатывает эти запросы соответствующим образом. Отметим также, что на практике также применяются и смешанные подходы, но во многих системах, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни, ориентация сделана на динамическую модель выделения ресурсов.

Многие операционные системы разрабатывались и разрабатываются таким образом, чтобы обладать следующими важными свойствами: надежность, защита, эффективность и предсказуемость.

Надежность означает, что система должна быть надежной как программный комплекс, т.е. число программных ошибок в системе должно быть сведено к минимуму и должно быть соизмеримо с количеством возможных аппаратных сбоев.

Защита информации на сегодняшний день является одним из основных требований, предъявляемых к системе. ОС должна обеспечивать защиту информации и ресурсов от несанкционированного доступа.

Свойство эффективности означает, что функционирование системы должно удовлетворять некоторым требованиям, критериям эффективности, которые, по сути, являются оценкой соответствия.

И, наконец, это предсказуемость системы, являющееся также одним из важных свойств ОС, поскольку большинство систем, которые, так или иначе, являются массово распространенными, при возникновении разного рода форс-мажорных обстоятельств должны вести себя строго определенным способом. Это свойство должно очерчивать круг всевозможных проблем, которые могут возникнуть в той или иной ситуации, а также подразумевать устойчивость системы к возникновению подобных обстоятельств.