МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Г.Э. Вощинская, М.А. Артемов
ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Часть 1
Учебно-методическое пособие для вузов
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2012
Стр.1
Содержание
Введение .................................................................................................................... 5
Определение операционной системы .................................................................... 5
ОС как расширенная машина .................................................................................. 5
ОС как система управления ресурсами ................................................................. 6
Эволюция ОС ............................................................................................................ 7
Первый период (1945–1955) .................................................................................... 7
Второй период (1955–1965) .................................................................................... 7
Третий период (1965–1980) ..................................................................................... 8
Четвертый период (1980–1990) ............................................................................... 9
Пятое поколение (1990–настоящее время) ............................................................ 9
Классификация ОС................................................................................................. 10
Особенности алгоритмов управления ресурсами ............................................... 10
Особенности аппаратных платформ .................................................................... 12
Особенности областей использования ................................................................. 13
Особенности методов построения ........................................................................ 15
Структура сетевой операционной системы ......................................................... 16
Одноранговые сетевые ОС и ОС с выделенными серверами ........................... 18
ОС для рабочих групп и ОС для сетей масштаба предприятия ........................ 20
Назначение ОС ....................................................................................................... 24
Требования к аппаратуре ....................................................................................... 25
Понятие программы процесса .............................................................................. 25
Управление локальными ресурсами .................................................................... 26
Управление процессами ........................................................................................ 26
Состояние процессов ............................................................................................. 26
Контекст и дескриптор процесса .......................................................................... 27
Средства синхронизации и взаимодействия процессов ..................................... 28
Проблема синхронизации ...................................................................................... 28
Критическая секция ............................................................................................... 29
Реализация семафоров и мьютексов в Windows ................................................. 34
Тупики ..................................................................................................................... 35
Нити ......................................................................................................................... 38
Реализация потоков в Windows ............................................................................ 41
Примеры создания потоков в среде Delphi ......................................................... 42
Реализация потоков в среде Visual Studio .NET ................................................. 50
Домен приложения ................................................................................................. 50
Обзор пространства имен System.Threading ....................................................... 50
Класс Thread. Общая характеристика .................................................................. 51
Запуск вторичных потоков .................................................................................... 53
Приостановка выполнения потока ....................................................................... 54
Отстранение потока от выполнения ..................................................................... 56
3
Стр.3
файловый интерфейс, операционная система берет на себя все малоприятные
дела, связанные с обработкой прерываний, управлением таймерами и
оперативной памятью, а также другие низкоуровневые проблемы. В каждом
случае та абстрактная, воображаемая машина, с которой, благодаря операционной
системе, теперь может иметь дело пользователь, гораздо проще и
удобнее в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе этой абстрактной
машины.
С этой точки зрения функция ОС – предоставление пользователю некоторой
расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать
и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой,
составляющей реальную машину.
ОС как система управления ресурсами
Представление ОС как системы, обеспечивающей удобный интерфейс
пользователям, соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой взгляд,
снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, управляющем
всеми частями сложной системы. Современные вычислительные
системы состоят из процессоров, памяти, таймеров, дисков, накопителей на
магнитных лентах, сетевой коммуникационной аппаратуры, принтеров и
других устройств. В соответствии со вторым подходом функцией ОС является
распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами,
конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами
вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную
эффективность ее функционирования. Критерием эффективности
может быть, например, пропускная способность или реактивность системы.
Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа
ресурса задач:
• планирование ресурса – то есть определение, кому, когда, а для делимых
ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс;
• отслеживание состояния ресурса – то есть поддержание оперативной
информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов – какое
количество ресурса уже распределено, а какое свободно.
Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют
различные алгоритмы, что, в конечном счете, и определяет их облик
в целом, включая характеристики производительности, область применения
и даже пользовательский интерфейс. Так, например, алгоритм управления
процессором в значительной степени определяет, является ли ОС
системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой
реального времени.
6
Стр.6
Эволюция ОС
Первый период (1945–1955)
Известно, что компьютер был изобретен английским математиком
Чарльзом Бэббиджем в конце восемнадцатого века. Его «аналитическая
машина» так и не смогла по-настоящему заработать, потому что технологии
того времени не удовлетворяли требованиям по изготовлению деталей точной
механики, которые были необходимы для вычислительной техники.
Известно также, что этот компьютер не имел операционной системы.
Некоторый прогресс в создании цифровых вычислительных машин
произошел после Второй мировой войны. В середине 40-х годов ХХ в. были
созданы первые ламповые вычислительные устройства. В то время одна и
та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в
программировании вычислительной машины. Это была скорее научноисследовательская
работа в области вычислительной техники, а не использование
компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических
задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось
исключительно на машинном языке. Об операционных системах не
было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались
вручную каждым программистом с пульта управления. Не было никакого
другого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических
и служебных подпрограмм.
Второй период (1955–1965)
С середины 50-х годов ХХ в. начался новый период в развитии вычислительной
техники, связанный с появлением новой технической базы – полупроводниковых
элементов. Компьютеры второго поколения стали более
надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы
на них можно было возложить выполнение действительно важных практических
задач. Именно в этот период произошло разделение персонала на
программистов и операторов, эксплуатационников и разработчиков вычислительных
машин.
В эти годы появились первые алгоритмические языки, а, следовательно,
и первые системные программы – компиляторы. Стоимость процессорного
времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных
затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной
обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ
за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора.
Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных
систем, они стали первыми системными программами, предназначенными
для управления вычислительным процессом. В ходе реализации
систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления
заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и
оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине.
7
Стр.7
Совокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт,
получила название пакета заданий.
Третий период (1965–1980)
Следующий важный период развития вычислительных машин относится
к 1965–1980 годам. В это время в технической базе произошел переход
от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным
микросхемам, что дало большие возможности новому, третьему
поколению компьютеров.
Для этого периода характерно также создание семейств программносовместимых
машин. Первым семейством программно-совместимых машин,
построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360.
Построенное в начале 60-х годов это семейство значительно превосходило
машины второго поколения по критерию цена/производи-тельность. Вскоре
идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.
Программная совместимость требовала и совместимости операционных
систем. Такие операционные системы должны были бы работать и на больших,
и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством
разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных
исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить
всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно
сложными «монстрами». Они состояли из многих миллионов ассемблерных
строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок,
вызывающих нескончаемый поток исправлений. В каждой новой версии операционной
системы исправлялись одни ошибки и вносились другие.
Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем,
OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения
действительно удовлетворяли большинству требований потребителей.
Важнейшим достижением ОС данного поколения явилась реализация
мультипрограммирования. Мультипрограммирование – это способ организации
вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно
выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет
операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило
при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим),
а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При
этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти,
называемый разделом.
Другое нововведение – спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся
как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с
которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором
они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное
задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся
раздел.
8
Стр.8