Operacn syst emy { prehled

Transkript

1 Komponenty poctacov eho syst emu Operacn syst emy { prehled PB 152 Operacn syst emy Jan Staudek Ð Û Å«Æ ±²³ µ ¹º»¼½¾ Ý Verze : jaro 2017 uzivatel e (lid e, stroje, jin e poctace,... ) aplikacn programy denuj zp usoby kter ymi se pouzvaj zdroje syst emu pro resen v ypocetnch uzivatelsk ych probl em u (vedeck e ulohy, video hry, byznys programy,... ) syst emov e programy, pomocn e programy, knihovn programy res standardn, syst emove orientovan e ulohy (z alohov an, editace, kompilace, rzen datab aze, standardn matematika,... ) operacn syst em program pro rzen a spr avu pouzv an hardware r uzn ymi aplikacnmi v ypocty r uzn ych uzivatel u { soubezne, v re aln em case,... hardware b azov e v ypocetn zdroje (CPU / procesor, pamet', I/O zarzen komunikacn spoje), CPU { Central Processing Unit Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn syst emy { uvod 1 Komponenty poctacov eho syst emu, hierarchie Operacn syst em, cle a funkce Program, kter y rd prov ad en aplikacnch a syst emov ych program u v poctaci a efektivn e jim zprstup nuje zdroje Reprezentuje rozhran aplikacn syst emy a syst emov e programy hardware Cle OS pohodlnost pouzv an poctace efektivnost vyuzv an zdroj u poctacov eho syst emu schopnost rozvoje { umoznit efektivn v yvoj, testov an a zav aden nov ych funkc bez interference s poskytovan ymi sluzbami Z cl u plynou role OS { rozhran uzivatel (aplikacn a syst emov e procesy)/poctac OS { spr avce zdroj u OS { v yvojeschopn y organismus Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn syst emy { uvod 2 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn syst emy { uvod 3

2 Struktura hardware a software poctace detailn eji Generick a rozhran OS Instruction set architecture (ISA), strojov y jazyk Application programming interface (API), knihovny vol an sluzeb OS na urovni vyssch programovacch jazyk u, pomocn e programy { OS m uze poskytovat pro r uzn e trdy aplikac r uzn a API sockets pro prenos dat,.net, transakce,... Application binary interface (ABI), vol an sluzeb OS na urovn strojov eho jazyka (asembleru), reprezentace OS a poctace v uci vsem aplikacm Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn syst emy { uvod 4 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn syst emy { uvod 5 OS v roli rozhran uzivatel/poctac Koncov uzivatel e vid poctac jako sestavu aplikacnch program u Aplikacn programy se ps v programovacch jazycch aplikacnmi program atory Pro slozit e ovl ad an poctace maj k dispozici funkcnost souc ast operacnho syst emu { syst emov ych, knihovnch, pomocn ych program u, utilities Maskov an detail u hardware a funkcnost nutnou pro efektivn a pohodln e pouzv an poctace aplikacnmi, syst emov ymi, knihovnmi, pomocn ymi programy zajist'uj programy soustred en e v j adru operacnm syst emu, core, kernel, pomoc poskytovan ych sluzeb OS, OS services Typick e oblasti sluzeb poskytovan ych OS V yvoj program u, editory, ladc syst emy,... typicky poskytovan e pomocn ymi (syst emov ymi) programy Prov aden program u, vse co je nutn e zajistit pro cinnosti rzen e programy { pl anov an, zav aden, ovl ad an IO,... Prstup k IO zarzenm { jednotn e API pro r uzn a zarzen Prstup k soubor um dat na vnejsch pametech Prstup k syst emov ym zdroj um, bezpecnost, resen konikt u Chybov e rzen, automatizovan e reakce na nestandardn stavy v hardware, v software a v prpadech kdy OS nem uze uspokojit pozadavek aplikace Protokolov an, info o tom co se delo, z aklad pro uctov an, z aklad pro odhady budoucho vylepsov an,... Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn syst emy { uvod 6 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn syst emy { uvod 7

3 OS v roli spr avce zdroj u OS je v yvojeschopn y organismus V prub ehu zivota konkr etnho konceptu OS doch az k dopl nov an a k inovacm hardware k dopl nov an nove pozadovan ych sluzeb k oprav am chyb Poctac je sestavou zdroj u / prostredk u pro presun, uchov av an a zpracov an dat OS je odpovedn y za r adnou spr avu techto zdroj u OS je implementovan y v software, procesor ho ch ape jako kazd y jin y r adn y software OS je suita program u prov aden ych procesorem Programy soustreden e v j adru OS se organizacne neres formou proces u, jsou spse n astrojem pro poskytov an sluzeb proces um Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn syst emy { uvod 8 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn syst emy { uvod 9 Neexistuje univerz aln e akceptovateln a denice,,co to je OS" OS je program, kter y funguje jako spojka mezi uzivatelem poctace a hardware poctace { OS = cokoliv co je činné ve výpočetním systému a není to hardware nebo aplikace neexistuje univerz aln e akceptovateln a denice,,co to je OS" Everything a vendor ships when you order an operating system The one program running at all times on the computer is the kernel. Everything else is either a system program (ships with the operating system) or an application program Pozadavky na OS jsou r uznorod e Cle (povinnosti) OS rdit resen uzivatelsk ych (aplikacnch) program u poskytnout n astroje pro resen probl em u uzivatel u (aplikac) ucinit poctac snadneji pouziteln y vytv aret podmnky umoz nujc efektivne pouzvat hardware poctace Cle (pr an) uzivatele sluzby poskytovan e OS lze pohodlne pouzvat, snadno zvl adnout OS je spolehliv y, bezpecn y pozadovan e sluzby poskytuje OS pohotove Cle (pr an) provozovatele OS OS je snadno navrhnuteln y, implementovateln y a udrzovateln y,, OS je prizp usobiteln y, spolehliv y a bezchybn y Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 10 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 11

4 Co to je operacn syst em? OS je poskytovatel probl emov e orientovan e abstrakce b azov ych fyzick ych prostredk u b azov e fyzick e prostredky: { procesory, operacn pam et', komunikacn n astroje, vnejs pameti,... OS nabz program atorovi b azov e fyzick e prostredky k pouzit formou sluzeb poskytovan ych na rozhran vol an syst emu program ator chce vid et spse { soubory a z aznamy nez diskov e bloky a vystavovac mechanismus disku { spse schr anky (sockets) nez prm y prstup k sti { spse procesy a vl akna nez procesory, pamet'ov y prostor Clem pouzit OS je abstrakce, extended machine Operacn syst em m en oskliv y hardware na atraktivn abstrakci Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 12 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 13 Co to tedy je operacn syst em? Probl emy budov an OS OS jsou,,obrovsk e"syst emy OS je spr avce prostredk u spravuje a rd vyuzv an vsech zdroj u syst emu, eviduje jejich vyuzv an,... rozhoduje mezi koniktnmi pozadavky tak, aby pouzv an zdroj u syst emu bylo efektivn a spravedliv e (odpovdajc zvolen e politice) OS je rdic program, rd prov aden ostatnch program u tak, aby zabra noval chybn emu a nepatricn emu pouzit poctace rd bezpecn e prov aden uzivatelsk ych program u a operac I/O zarzen v soucasnosti predstavuj az stovky mili on u r adk u k odu, pracnost r adove tisce cloveko-rok u OS jsou slozit e syst emy pozadavky r uzn ych uzivatel u se casto podstatne lis nelze jednor azove odstranit vsechny chyby, verikace z d uvod u slozitosti selh av a Chov an OS se obtzn e predpovd a,,,serizov an"/ laden se del a vesmes odhadem Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 14 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 15

5 OS se staly slozit e { funkcne system calls: open, read, write, close, wait, exec, fork, exit, kill... OS rok pocet Unix Unix Windows SunOS BSD SunOS SunOS Linux FreeBSD Windows 1999 a d al x 10 3, x > 3 OS se st avaj slozit e { funkcne Enorm e nar ust a slozitost vnitrnch algoritm u (j adra) OS pocty cykl u procesoru spotrebovan ych ve Windows NT pri Zasl an zpr avy mezi procesy: 6K { 120 K podle pouzit e metody Vyvtoren procesu: 3M Vytvoren vl akna: 100K Vytvoren souboru: 60K Vytvoren semaforu: 10K { 30K Nahr an DLL knihovny: 3M Obsluha prerusen/v yjimky: 100K { 2M Prstup do syst emov e datab aze Registry: 20K Windows NT (New Technology) { p uvodn syst em fy Microsoft pro procesory IA-32 a novejs Windows 7, 8... jsou pouze obchodn n azvy r uzn ych verz NT V soucasn e dobe podporovan e verze NT 6.2 a NT 6.3 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 16 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 17 OS se st avaj slozit e { rozsahem (LOC, Lines of Code, v 10 6 ) Evoluce OS v bodech OS rok LOC OS rok LOC NT NT XP Vista ?? Solaris FreeBSD Red Hat Linux Red Hat Linux Debian Debian Debian Debian Fedora Mac OS X dek ady { zv ysen rozsahu OS v LOC na dvaceti az 30-n asobek Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 18 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 19

6 Klasikace poctac u { klasick e (strediskov e) poctace Princip multiprogramov an (multitasking) strediskov y poctac { dnes jiz historick y pojem v soucasnosti vystupuj v jejich rolch podnikov e servery klasick e hlavn rysy strediskov ych poctac u redukce rezijnho casu pro prpravu v ypoct u se dosahovala razenm podobn ych prac / zak azek (jobs) do d avek { batch, batch processing, automatizace razen d avek vc. automaticky pred avan eho rzen mezi denovan ymi zak azkami (jobs) rezidentn rdic program { monitor { poc atecne zsk av a rzen, rzen pred av a mezi zak azkami, kdyz zak azky konc { rzen se vrac monitoru multiprogramov y rezim cinnosti { soubezn e resen vce program u jestlize cten a z apis dat z/na disku trv a 15 µs, zpracov an dat trv a 1µs, pak je procesor vyuzit y pouze na 3,2 % (1/32) a jeho kapacitu v dobe cek an na IO lez ladem Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 20 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 21 Organizace hlavn pam eti klasick eho poctace Rysy OS potrebn e pro implementaci multiprogramov an ex. funkcionalita pro ovl ad an I/O a rys u nutn ych pro implementaci OS (viz nze) vlastn rzen I/O operac prov ad v yhradne operacn syst em 2-rezimov y provoz CPU (j adro operacnho syst emu x uzivatel), privilegovan e / neprivilegovan e instrukce ex. funkcionalita pro spr avu pam eti Syst em mus b yt schopn y pridelovat pamet' r uzn ym zak azk am a ze zak azek odvozen ym proces um dynamicky Dvoj vize pameti { z hlediska jej fyzick e konstrukce a srky fyzick ych adresovacch registr u { fyzick y adresov y prostor, FAP { z hlediska konstrukce adresy ve strojov em jazyku logick y adresov y prostor, LAP z aruka ochrany oblast pameti pred neautorizovan ym prstupem Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 22 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 23

7 Rysy OS potrebn e pro implementaci multiprogramov an ex. mechanismus prerusen pred av an rzen mezi aplikacnm programem a j adrem OS { reakce na asynchronn ud alosti ex. funkcionalita pro pl anov an CPU,,srdcem"typicky b yv a intervalov y casovac zabra nuje se, aby si uzivatelsk y proces trvale obsadil CPU (z amerne, chybou,... ) po uplynut intervalu casu se generuje prerusen OS mus b yt schopn y volit mezi r uzn ymi procesy pripraven ymi k proveden ex. funkcionalita pro prid elov an zarzen (zdroj u) Dynamicky, exklusivne / sdlene Z akladn denice souvisejc s OS j adro OS logick e rozsren rys u hardware + poskytovan e sluzby vse mimo j adro je reseno formou proces u j adro m uze vyuzvat speci aln rysy hardware nedostupn e proces um mikroj adro OS minimalistick a varianta j adra OS pouzit a v nekter ych OS typicky zabezpecuje { spr avu prerusen, { spr avu pameti, { spr avu procesor u a { spr avu proces u a komunikaci mezi procesy pred av anm zpr av { Interprocess communication (IPC) ostatn funkce j adra se presouvaj do,,procesov e\ oblasti (drivery, sluzby syst emu soubor u, virtualizace pameti,... ) mezi procesy se komunikuje pred av anm zpr av Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 24 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 25 Procesy Hlavn prnosy z v yvoje OS pro poctacov e vedy Spr ava pameti Ochrana informac a bezpecnost d uvernost, Confidentiality integrita, Integrity, integrita dat, integrita identity { authenticity dostupnost, Availability Pl anov an a spr ava, rzen zdroj u spravedlivost, diferenciovateln a prednost, efektivita kr atkodob e { bezprostredn pl anov an, dlouhodob e { strategick e pl anov an Strukturov an syst em u Proces Identikovateln a jednotka cinnosti charakterizovateln a sekvencnm vl aknem (tokem) prov ad en operac a s nm souvisejcch zdroj u Program je strukturovan y prkaz, proces je d ej Program umsten y v pameti m uze rdit beh vce proces u Soubezn e resen vce proces u se naz yv a multiprogramov an, resp. multitasking Soub eznost resen proces u m uze b yt prcinou casove z avisl ych chyb Nespr avn a synchronizace Chybn e vz ajemn e vyloucen Nedeterminismus operac Uv aznut Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 26 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 27

8 Hlavn prciny casov e z avisl ych chyb v procesech Nespr avn a synchronizace jeden proces ocek av a ud alost, kterou generuje jin y proces (naplnen / vypr azdnen vyrovn avac pameti,... ) proces kter y generuje ud alost signalizuje jej vznik sign aly se nesm ani ztr acet ani duplikovat Hlavn prciny casov e z avisl ych chyb v procesech Nedeterminismus operac cinnost procesu m a z aviset pouze na jeho vstupech, nikoli na cinnosti jin ych proces u pokud procesy sdlej pamet', pak pri prokl ad an jejich behu na procesoru nesm v ystupy ovliv novat porad, ve kter em je pl anovan y jejich beh Chybn e vz ajemn e vyloucen editovat sdlenou datovou strukturu sm v jednom okamziku pouze jeden proces soubezn e procesy se mus na pri takov e editaci vz ajemne vylucovat, zmena stavu sdlen e struktury mus probehnout nedelitelne, atomicky Uv aznut dva nebo vce proces u na sebe vz ajemne cekaj prvn proces v ylucne drz zdroj A, druh y v ylucne drz zdroj B a prvn pozaduje prstup k B a druh y prstup k A Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 28 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 29 Komponenty procesu, spr ava proces u, vl akno Typick a implementace procesu (ve FAP zsk av a proces souvisl y usek) program, kter y rd tok operac zpracov avan a data promenn e, pracovn prostory, vyrovn avac pameti,... kontext prov ad en { stav procesu intern data v OS pro dohled na procesem a pro rzen procesu obrazy registr u, kter e proces sdl s ostatnmi procesy priorita procesu, zda proces cek a na jistou ud alost,... Spr ava proces u upln y stav je trvale obsazen y v jeho kontextu Vl akno, thread proces, kter y drz zdroje nutn e pro jeho realizaci, lze vnitrne rozdelit do soubezne resiteln ych dlcch tok u { vl aken, vl akno bez v kontextu jeho procesu Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 30 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 31

9 Spr ava pam eti, p et nejd ulezit ejsch pozadavk u Izolace proces u data i programy r uzn ych proces u nesm v pameti interferovat Podpora modul arnho programov an Automatick e prid elov an a spr ava OS proces um prideluje pamet' v cel e hierarchii pamet podle jejich potreby, z hlediska program atora transparentne, Ochrana a rzen y prstup k pameti Dlouhodob e uchov av an dat Data se mnohdy mus uchovat i po ukoncen procesu, kter y je vytvoril a nez avisle na dostupnosti energie (na discch,... ) Pln spolecne se souc ast OS syst em soubor u, File System Virtu aln pam et' Procesy mohou adresovat pam et' z logick eho hlediska, bez ohledu dostupnou fyzickou kapacitu hlavn pam eti Nutn a vlastnost pro spln en pozadavku soub ezn eho pouzv an hlavn pam eti vce procesy Z akladni technika { str ankov an, paging proces se skl ad a z blok u pevn e d elky { str anek, pages program adresuje operandy ud anm csla str anky a adresy operandu ve str ance kazd a str anka m uze b yt umstena v hlavn pameti kdekoliv { v r amci, frame str anka zprstup novan a procesorem mus b yt v r amci v hlavn pameti spr ava pameti poskytuje mechanismus dynamick e transformace logick ych (virtu alnch) adres na re aln e (fyzick e) adresy v hlavn pameti Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 32 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 33 Virtu aln pam et' Studujeme OS vyuzvajc koncept multiprogramov an jeden uzivatel s jednm resen ym programem nem uze udrzet CPU a I/O zarzen trvale v chodu co se nepouzv a, to je mrtv a investice multiprogramov an organizuje resen vce uloh (zad an) formou proces u takov ym zp usobem, aby CPU byla pokud mozno st ale cinn a proces { k od programu, data, prostor v pameti, udrzov an identity... prostory v pameti OS prideluje vybran e podmnozine proces u kazd emu jednomu procesu OS postupne prideluje CPU pro jeho beh (resen) kdyz bezc proces se rozhodne cekat (napr. na dokoncen I/O), OS pridel CPU jin emu procesu kdyz bezc proces usurpuje CPU ne umerne dlouho, OS pridel CPU jin emu procesu Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 34 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 35

10 Uspor ad an hlavn pam eti v multiprogramov ych syst emech Uspor ad an hlavn pam eti v multiprogramov ych syst emech Klasick e (dnes jiz spse historick e) uspor ad an hlavn pam eti Resen,,probl emu"se stane slozit ejs pri virtualizaci pam eti Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 36 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 37 Multiprogramov an = Multitasking multitasking je synonymum konceptu multiprogramov an CPU se pred av a mezi procesy tak rychle, ze uzivatel e mohou b yt se sv ymi soubezne resen ymi procesy v on-line interakci, jedn a se tak o koncept interaktivnho poct an (interactive computing) doba reakce procesu v uci uzivateli b yv a < 1 sekunda kazd y uzivatel m a v hlavn pameti pridelen y prostor alespo n pro jeden prov aden y program a nutn a data { proces ponevadz b yv a pripraveno k behu vce proces u, OS mus resit pl anov an cinnosti CPU, aby postup proces u spl noval zadan a krit eria jestlize nelze vsechny potrebn e procesy umstit do hlavn pameti, lze nekter e z nich presunout do vnejs pameti a jejich behy se odlozit { technikou naz yvanou swapping virtualizace pameti umoz nuje prov aden proces u, aniz by byly v hlavn pameti umsten e cel e jejich programy a vsechna jejich data Ochrana informac, informacn bezpecnost V yznam roste prechodem na multiuzivatelsk e, multiprogramov e, st'ov e orientovan e,... poctacov e syst emy Hlavn probl emy informacn bezpecnosti zajist'ovan e OS Dostupnost (availability) { ochrana syst emu proti prerusen cinnosti D uvernost (confidentiality) { dostupnost zdroj u je podrzen a denovateln e autorizaci akt er u Integrita { modikovatelnost zdroj u je podrzen a denovateln e autorizaci akt er u Autenticita { overitelnost identity (uzivatel u. proces u, dat) Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 38 Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 39

11 Pl anov an a spr ava zdroj u V yznam roste prechodem na multiuzivatelsk e, multiprogramov e, st'ov e orientovan e,... poctacov e syst emy Hlavn cle pl anov an a spr ava zdroj u zajist'ovan e OS Spravedlivost (Fairness) { vsichni akt eri maj rovn y, spravedliv y prstup ke zdroj um Diferencovateln a vnmavost (Differential responsiveness) { komplement ke spravedlivosti respektujc stanoven a pravidla Efektivita (Efficiency) { maximalizace propustnosti, minimalizace dob reakc a prizp usobivost co nejvce uzivatel um jsou koniktn krit eria, jejichz naplnen mus OS balancovat Jan Staudek, FI MU Brno PB152 Operacn systemy { uvod 40