Roman Szturc. Katedra informatiky, VŠB- TU Ostrava. 1.1 Program a proces

Transkript

1 1. Operační systém 1 Operační systémy typu UNIX Roman Szturc Katedra informatiky, VŠB- TU Ostrava 1 Operační systém Ve svých počátcích byly počítače z dnešního pohledu velmi jednoduchá zařízení. Tomu odpovídal i způsob, jakým byly na těchto počítačích provozovány jednotlivé úlohy. Úloha byla plně zodpovědná za všechny akce, které potřebovala vykonat. Z toho vyplývá, že také plně určovala chování počítače. S postupem času se ukázalo, že zodpovědnost úlohy za chod celého počítače je velmi neefektivní, protože každá úloha musí být schopna vykonávat určitou množinu úkonů, které zajišt ují chod počítače. Typickým příkladem jsou operace zajišt ující čtení vstupních dat a výstup výsledků úlohy. Daleko efektivnější by bylo, kdyby tyto standardní úkony byly součástí počítače a jednotlivé úlohy by je využívaly jako služby. Zrodil se tak základ operačního systému (anglicky operating system), běžně označovaného zkratkou OS. V té době šlo pouze o seznam pomocných procedur, které vykonávaly běžně používané úkony, například alokování paměti. Tyto procedury byly v případě potřeby využívané jakoukoliv úlohou, takže nemusely být její součástí. Vzápětí se objevil i další požadavek: poskytnout uživateli pokud možno přívětivé komunikační rozhraní, které mu umožní jednotlivé úlohy snadno spouštět, předávat jim vstupní data a získávat výsledky. S rostoucím výkonem počítačů se začal projevovat také značný nepoměr v rychlosti zpracování dat jeho jednotlivými částmi. Je zřejmé, že centrální procesorová jednotka (CPU) je mnohem rychlejší než periferní zařízení, v té době například čtečka děrných štítků. Tento nepoměr měl za následek, že CPU neměla v době kdy byly prováděny operace s periferními zařízeními co na práci. Před odborníky se objevil zásadní problém: jak tento čas efektivně 1 využít? Začaly se objevovat snahy spouštět na jednom počítači několik úloh souběžně. Ze začátku to byly pouze dvě úlohy. Jedna hlavní a druhá vedlejší. Ve chvíli, kdy hlavní úloha požádala o přístup k pomalému perifernímu zařízení, a nevyžadovala tudíž přístup k CPU, mohla být CPU využita pro zpracování vedlejší úlohy. Postupem času byl tento princip zobecněn na více úloh. Na základě předchozího textu lze říct, že operační systém je software, který zajišt uje rozhraní k periferním zařízením, plánuje úlohy, alokuje pamět ové zdroje a předkládá uživateli implicitní komunikační rozhraní. 1.1 Program a proces V předchozích odstavcích jsem používal intuitivní pojem úloha. V oblasti operačních systémů se však nejčastěji setkáte s pojmy program a proces. 1 Uvědomíme-li si, že počítač a jeho provoz byly v této době extrémně drahou záležitostí, bylo toto zahálení CPU také mrháním penězi.

2 4 : 1. Operační systém 2!"# $)$)* (& *!"# %$&$' (& '! Obrázek 1.1: Vztah program proces Program Každý operační systém obsahuje nástroje, které umožňují uživatelům využívat jeho služeb. Těmto nástrojům říkáme programy. Program je sekvence instrukcí, která vzniká nejčastěji jako výsledný produkt překladače některého z programovacích jazyků. Chceme-li program spustit, musíme tuto sekvenci předložit ke zpracování procesoru. V současných operačních systémech to ale nemůžeme udělat přímo, musíme o to požádat operační systém. Jedním z nejzávažnějších důvodů je potřeba přidělení operační paměti a dalších systémových zdrojů operačního systému. Vzhledem k tomu, že v rámci operačního systému může být vykonáváno několik programů současně, musí operační systém každému programu přidělit určitou oblast paměti a zajistit aby se tyto oblasti nepřekrývaly. Jinak by docházelo k vzájemnému ovlivňování datových oblastí, což je většinou nežádoucí Proces Stručně řečeno, proces je vykonávání programového kódu. Proces však zahrnuje daleko více než jen programový kód. Jeho součástí je zejména informace o aktuálním stavu, která je reprezentována programovým čítačem a obsahem registrů procesoru. Součásti procesu je také datová oblast obsahující údaje, které jsou procesem zpracovávány. Jeden program může být spuštěn několikrát. Pak vznikne odpovídající počet procesů. Ačkoliv tyto procesy sdílejí stejný programový kód, mají přidělené oddělené datové oblasti, takže nehrozí nebezpečí vzájemného nechtěného ovlivňování zpracovávaných dat. Příklad 1.1 Schématické znázornění využití operační paměti při dvojnásobném spuštění programu je znázorněno na obrázku 1.1. Prvním spuštěním programového kódu vznikne +-,/ , pro který je vyhrazena pamět ová oblast Při druhém spuštění téhož programového kódu vznikne +-,/.70233%: s přidělenou datovou oblastí Tato situace je zcela běžná a můžete se s ní setkat převážně ve víceuživatelských systémech, kde si například několik uživatelů současně čte poštu. Tento princip zajišt uje, že

3 2. UNIX 3 ačkoliv všichni uživatelé spustili tentýž program pro čtení pošty, každý čte svou poštu. 2 UNIX V 60. letech vybavoval téměř každý výrobce počítače svůj výrobek vlastním operačním systémem. To vedlo k řadě problémů souvisejících s kompatibilitou těchto systémů a s přechodem uživatelů z jednoho systému na druhý. Proto existovaly snahy o návrh jednotného rozhraní. Jedním z nejúspěšnějších snah byl návrh systému UNIX, který vznikl začátkem 70. let v laboratořích firmy Bell. S jeho vznikem jsou nerozlučně spjata, dnes již legendární, jména K. Thompson, D. Ritchie a B. Kernighan. Až do té doby byly operační systémy psány výhradně pomocí tak zvaných assemblerů. Tito pánové dokázali, že operační systém lze napsat ve vyšším programovacím jazyku, který pro tento účel navrhli programovací jazyk C. Díky této vlastnosti dosáhl systém UNIX velmi dobré přenositelnosti. Koncem 70-tých let uvolnily Bellovy laboratoře UNIX pro použití mimo své výzkumné centrum. Systém se začal instalovat zejména na univerzitách, kam byl poskytován zdarma. O několik let později začal UNIX pronikat i do komerční sféry, kde získal také značnou popularitu. Vývoj UNIXu pokračuje v několika liniích dodnes. 2.1 Hlavní rysy UNIX byl od začátků koncipován jako systém pro velké počítače. Proto byl navržen jako víceúlohový a víceuživatelský. Víceúlohový Víceúlohový systém může zpracovávat více úloh současně. O současný běh se stará právě operační systém, který zajišt uje přidělování procesorového času jednotlivým úlohám. Protože přidělované časové úseky jsou poměrně krátké řádově desítky milisekund uživatel má pocit, že úlohy jsou zpracovávány současně. Ve skutečnosti se však úlohy v přístupu k procesoru střídají a proto tento způsob zpracování přesněji vystihuje termín souběžné zpracování. Víceuživatelský Vzhledem k tomu, že UNIX byl určen hlavně pro servery, bylo jedním ze základních předpokladů schopnost současné práce více uživatelů. Pojem víceuživatelský systém neznamená pouze vytváření nezávislých uživatelských účtů, ale současnou práci několika uživatelů. Doba, po kterou je uživatel přihlášen do systému je označována termínem relace (anglicky session). Z tohoto pohledu je systém víceuživatelský, pokud umožňuje více současných relací. 2.2 Architektura Jak bylo řečeno v kapitole 1, tvoří operační systém rozhraní mezi hardware počítače a aplikacemi, které jsou na něm provozovány. Schématicky je architektura UNIXu znázorněna na obrázku 2.1. Hardware Základem jakéhokoliv počítače je hardware. Ten může do značné míry ovlivnit i vlastnosti operačního systému, který jej využívá. Jedná se zejména o vlastnosti CPU. Mezi

4 6, 3. Uživatelské rozhraní 4 $ " Obrázek 2.1: Vztah jádra operačního systému k hardware a software počítače. nejvýznamnější, z pohledu operačního systému, patří podpora chráněného režimu práce, možnosti stránkování a podobně. Jádro Hlavním úkolem jádra je zajistit, aby + 02,/2 6 mohly přistupovat k 6 56 jako k logickým zařízením. Díky tomu většina aplikací nemusí rozlišovat, zda ukládá data na disk, který je vybaven komunikačním rozhraním SCSI nebo IDE, zda tiskne ne tiskárnu připojenou pomocí paralelního portu nebo USB, a podobně. O tyto detaily se stará 5,,. a aplikace vidí pouze disk, tiskárnu a další zařízení charakterizované svými obvyklými vlastnostmi, bez implementačních detailů. Aplikace Z hlediska uživatele je 5,/. samo o sobě nepoužitelné. Lze s ním komunikovat téměř výhradně pomocí tak zvaného volání jádra, která se v případě UNIXu provádí nejčastěji pomocí programů napsaných v programovacím jazyku C. Proto je každý operační systém vybaven sadou základních utilit, které umožní uživateli s ním komunikovat. Je-li jádro operačního systému provozováno nad hardware, jedná se o software. Čím se tedy jádro liší od ostatních aplikací? Jádro je skutečně software. Od ostatních aplikací se liší tím, že pracuje v tak zvaném privilegovaném režimu. Jedná se o zvláštní režim práce procesoru, který umožňuje vykonávat operace, které nejsou ostatním aplikacím umožněny. Jde zejména o možnosti manipulace s paměti, přerušeními, komunikaci s periferními zařízeními a další operace, které by mohly ovlivnit stabilitu celého systému. 3 Uživatelské rozhraní Jednou z nejzákladnějších aplikací operačního systému je uživatelské rozhraní. To umožňuje uživatelům s operačním systémem komunikovat pohodlným způsobem. UNIX je vybaven dvěma typu uživatelského rozhraní: textovým a grafickým. 3.1 Textový režim Základním způsobem práce s UNIXem je textový režim. Ačkoliv by se mohlo zdát, že v době grafických uživatelských rozhraní jde o přežitek, opak je pravdou. Jedná se o velmi efektivní komunikační prostředek, který prokázal své kvality po desetiletí. Jedním z nejvyužívanějších programů v textovém režimu je interpret příkazů (anglicky shell). Shell umožňuje zadávat příkazy, spouštět programy, vzájemně je propojovat a mnoho dalších důležitých akcí. Shell je rovněž silný programovací jazyk, pomocí kterého lze definovat vlastní funkce a psát univerzální skripty.

5 3. Uživatelské rozhraní 5 Poznámka: Celá řada akcí, například ty, které jsou vykonávány těsně po startu UNIXu, je napsána v shellu. Shelly nejsou standardizovány a proto existuje několik shellů, které mají dost odlišnou syntaxi. Mezi nejznámější patří Bourn Shell, C Shell a Korn Shell. Textový režim UNIXu je tichý. To znamená, že pokud zadaný příkaz proběhne úspěšně, nevypíše se žádná zpráva. Zprávy jsou vypisovány většinou pouze v případě chyby. Tato vlastnost je dána historickým vývojem. Před nástupem obrazovkových terminálů byly hojně využívány hard-copy terminály, které se skládaly z klávesnice a tiskárny plnící úlohu zobrazovací jednotky. Při použití takové zobrazovací jednotky bylo důležité, aby zbytečně neplýtvala papírem. 3.2 Grafické uživatelské rozhraní V textovém režimu mohl mít uživatel spuštěných několik relací a v rámci každé relace nějakou aplikaci. Problém byl v tom, že v jednu chvíli bylo možné vidět pouze jedinou z těchto aplikací. Grafické uživatelské rozhraní (GUI) tedy vzniklo jako reakce na potřebu zobrazovat několik aplikací v textovém režimu současně. Až později byly vytvářeny graficky orientované aplikace, bez nichž si dnešní počítače nedovedeme ani představit. Standardním uživatelským rozhraním operačního systému UNIX je X Window System, zkráceně označovaný jako X Windows. Začal být vyvíjen v roce 1984 na MIT a stal se de facto standardem pro grafické rozhraní systému UNIX. Na směr vývoje má vliv především X Consorcium, skupina sdružující významné výrobce pracovních stanic a UNIXových systémů. UNIX byl jedním z hlavních prostředí, které bylo použito pro vývoj počítačových sítí. A právě možnost sít ové komunikace v tomto prostředí vnesla do vývoje grafického rozhraní pro tento systém nový rozměr. X Windows bylo koncipováno jako prostředí, ve kterém může být aplikace spuštěna na jednom uzlu sítě zobrazována na jiném uzlu, nikoliv pouze na pracovní stanici, se kterou je GUI hardwarově spjato. V rámci architektury systému X Windows je definováno několik klíčových pojmů. X displej Termín X displej (anglicky X Display), reprezentuje souhrn nezbytného hardware pro zajištění GUI (obrazovka, klávesnice, myš a podobně). X server Software pracující na displeji X je nazýván X server (anglicky X Server). Z pohledu X Windows je to jediná část systému, která je úzce spjata s konkrétním hardwarovým vybavením stanice. X server spravuje prostředky (anglicky resources) systému X Windows. Jsou jimi okna, pixelové mapy, barevné palety, kurzory, typy písma a grafické kontexty. Tyto prostředky jsou vytvářeny a řízeny na základě požadavků X klienta, ale jsou uchovávány a spravovány X serverem. X server se také stará o jejich uvolnění po ukončení komunikace s klientem. Prostředky mohou být bud určeny výhradně pro jednoho klienta nebo mohou být sdíleny mezi několika klienty. Typickými příklady sdílených prostředků jsou například typy písma a kurzory. Poznámka: X server je obvykle realizován v softwarové podobě. Někteří výrobci nabízejí specializované X terminály (anglicky X terminal), kde je implementace X ser-

6 3. Uživatelské rozhraní 6 " ( $) $# $ # # $ $# ( $) # # ( # # ( Obrázek 3.1: Architektura X Windows v sít ovém prostředí. veru součástí hardware a firmware. Většinou se jedná o bezdiskové stanice vybavené potřebnými periferními zařízeními a sít ovým rozhraním. X obrazovka Pro fyzické zobrazovací zařízení (barevné, černobílé nebo monochromatické) je vyhrazen termín obrazovka X (anglicky X Screen). X server může poskytovat služby několika obrazovkám připojeným k jedné stanici a je na uživateli, aby rozhodl, kde se jednotlivé aplikace budou zobrazovat. X klient Aplikace zobrazovaná na X displeji je označována termínem X klient (anglicky X Client). X klienti jsou často spouštěni na jiných systémech než na stanici provozující X server. Ukázka toku dat od klienta X k serveru X je znázorněná na obrázku 3.1. Podmínkou provozování X aplikací je dostupnost X serveru na počítači, na kterém chceme výstupy aplikace zobrazovat. V současné době existuje celá řada implementací X serveru pro různé platformy, takže X aplikace můžeme provozovat nejen na systémech odvozených od UNIXu, ale například i na systémech Windows. K čemu je implementace X serveru pro systém Windows dobrá? Dovoluje uživatelům tohoto systému spouštět a zobrazovat výsledky programů, které je nemožné nebo neefektivní provozovat přímo na uživatelově stanici (například časově náročné výpočty). Taková aplikace pak může být spuštěna na zcela odlišné platformě, a přes to je zobrazována na uživatelově stanici. Stojí za povšimnutí, že počítač provozující X klienta nemusí být vybaven X serverem. To je typický případ velkých výpočetních systémů, které jsou obvykle vybaveny pouze znakovým terminálem a sít ovým rozhraním. Nic nebrání tomu, aby stanice provozovala nejen X server, ale také aplikace vystupující jako X klienti. V tomto případě není využito sít ového komunikačního protokolu, ale mnohem efektivnější přímé meziprocesové komunikace.

7 4. Bezpečnost 7 $)" $&( ( / # # # Obrázek 3.2: Křivka učení. % $ 3.3 Křivka učení Textový a grafický režim mají zcela odlišnou filozofii. Základem GUI je jednoduchost. Jednoduchost se všemi pro a proti. Jednoduchost mnohdy osvobozuje uživatele od komplikovaných problémů a GUI v tom vyniká. Na druhé straně, život vyžaduje řešení řady velmi komplexních problémů a v této oblasti GUI nejsou až tak úspěšné. Síla příkazové řádky UNIXu spočívá zejména ve filozofii množství malých aplikací, které lze vzájemně propojit. Tím vzniká nepřeberné množství kombinací a některá z nich určitě bude schopna vyřešit náš problém. Ale to od uživatele vyžaduje určité množství úsilí, které musí věnovat studiu UNIXu. Toto úsilí je patrné z obrázku 3.2, který znázorňuje schopnost využívat vlastnosti UNIXu pomocí příkazové řádky a GUI. Z obrázku je zřejmé, že pomocí GUI lze začít využívat systém téměř okamžitě. S postupem času však schopnost využívat systém už tak rapidně nenarůstá. Opačná situace je v případě používání příkazové řádky. Na začátku není uživatel schopen udělat téměř nic. Až postupem času dosáhne uživatel stejné úrovně jako uživatel používající GUI. Od tohoto bodu však schopnost využití operačního systému pomocí příkazové řádky rapidně roste. To je dáno hlavně principem roury a možnostmi tvorby skriptů. 3.4 Shrnutí V UNIXu není uživatelské rozhraní přímou součástí jádra operačního systému. To dává možnost existence několika různých způsobů, jak s ním komunikovat. Proto existuje celá řada interpretů příkazů a grafických uživatelských rozhraní. Díky tomu, že uživatelské rozhraní není součástí jádra UNIXu, je pouze na autorech tohoto rozhraní, jaký přístup zvolí. Mohou využít textového rozhraní, grafického rozhraní nebo třeba rozhraní založeného na rozeznávání přirozené řeči. Tato nezávislost je také jedním z důvodů, proč se s UNIXem můžeme setkat na počítačích nejrůznějšího druhu, od mainframů, přes pracovní stanice, počítače typu PDA až po náramkové hodinky. 4 Bezpečnost UNIX je víceuživatelský systém. To znamená, že ve stejné chvíli může existovat několik uživatelských relací. Proto musí operační systém zajistit jednotlivým uživatelům naprosté soukromí a zabezpečení jejich dat. V této souvislosti se často setkáte se dvěma základními pojmy:

8 6. Standardizace 8 Autentizace Vstup do systému je umožněn pouze registrovaných uživatelům. Proto je prováděná autentizace proces, během něhož je ověřována pravost uživatele. Obvykle se tak děje na základě ověření uživatelova jména a hesla. Jde o nejtradičnější způsob autentizace, ačkoliv existují i jiné možnosti, například pomocí certifikátu. Každý uživatel má v rámci systému svůj účet. Ten obsahuje nezbytné informace o uživateli, jako jsou uživatelské jméno, domovský adresář, standardní shell a další. Existuje speciální uživatel, který má neomezené pravomoci. Autorizace Samotná skutečnost, že do systému nemůže vstoupit neregistrovaný uživatel ještě nezajišt uje soukromí dat uživatelů. Proto je UNIX vybaven systémem přístupových práv. Tento systém zajišt uje nedotknutelnost dat jednotlivých uživatelů. Pokaždé, když se uživatel pokusí o přístup k nějakému zdroji, provádí systém tak zvanou autorizaci proces, během něhož je ověřováno uživatelovo právo přístupu k požadovanému zdroji. Ačkoliv UNIX zajišt uje soukromí jednotlivých uživatelů, poskytuje na druhou stranu řadu možností, jak mohou uživatelé mezi sebou vzájemně komunikovat. Může jít o prosté sdílení dat ve formě souborů nebo o některou ze sít ových služeb jako je například,, a podobně. 5 Roury Obrovskou inovací, kterou UNIX přinesl, bylo zavedení roury (anglicky pipe). Ta umožňuje zřetězit několik procesů tak, že výstup předcházejícího procesu je zasílán jako vstup následujícímu procesu. Roura je reprezentována znakem a používá se jako oddělovač. Předpokládejme, že potřebujeme zjistit počet souborů obsahujících zdrojové kódy v jazyce Java. Můžeme postupupovat zcela intuitivně vylistujeme všechny soubory s příponou a spočítáme je. Tuto posloupnost akcí zapíšeme následujícím způsobem: Jak si tento příkaz vysvětlit? Jde o zřetězení dvou příkazů, přičemž výstup prvního je zaslán pomocí roury na vstup druhého. To znamená, že seznam souborů, ve kterém je každý soubor umístěn na samostatném řádku, je předán utilitě a ta spočítá jejich počet. Zařazením principu roury bylo do UNIXu zavedeno ještě něco jiného filozofie. Stručně by se dala charakterizovat takto: Pište programy, které dělají jednu věc a dělají ji dobře. Pište programy, které spolupracují. Pište programy, které jsou schopny zpracovávat textová data, protože to je univerzální rozhraní. 6 Standardizace Existuje řada podob UNIXu. Jejich počet je dán především počtem jeho výrobců, kteří jsou většinou také výrobci hardware. Ve snaze dosáhnout jednoty při vývoji a používání UNIXu formulovala AT&T v průběhu 80. let dokument SVID, ve kterém jsou uvedeny podstatné a neměnitelné vlastnosti a charakteristiky UNIXu. V dnešní době je aktuální třetí edice tohoto dokumentu SVID3.

9 9. FAQ 9 Známý je také dokument X/OPEN Portability Guide (XPG3), který má podobnou funkci jako SVID a je produktem původně evropského sdružení výrobců UNIXu. Obě aktivity, jak SVID, tak XPG úzce spolupracují, takže dokumenty jsou velmi podobné, v mnoha částech zcela shodné. Sdružení XPG bývá ovšem považováno za obecněji uznávanou instituci. 7 Současný stav Systémy založené na UNIXu jsou dnes dodávány různými společnostmi. Mezi nejznámější patří Solaris firmy Sun Microsystem, HP-UX od Hewlect-Packard, AIX od IBM, přičemž tito dodavatelé dodávají většinou i vlastní hardware. Na druhé straně existují i distribuce, které jsou volně ke stažení nebo jsou dodávány pouze za symbolickou cenu. Nejznámějším takovým systémem je Linux, ale existují i další jako například FreeBSD a NetBSD. Tyto distribuce jsou většinou zaměřené na platformu PC, ale jsou schopny pracovat i na exotických platformách, se kterými se běžní uživatelé nikdy nesetkají. 8 Závěr UNIX je po třech desetiletích používání stále považován za jeden z nejvýkonnějších, všestranných a přizpůsobitelných operačních systémů ve světě počítačů. Této popularitě vděčí za svou schopnost běžet na nejrůznějších zařízeních, od sálových počítačů až po jednočipové počítače, a svou přenositelnost, která dovoluje jeho implementaci na nejrůznějších hardwarových platformách. V souvislosti s vývojem UNIXu se objevila celá řada technologií, které značně ovlivnily svět v oblasti informačních technologií. Snad nejznámější je programovací jazyk C, který je dodnes základní systémovým jazykem nejen UNIXů, ale stal se i základním systémovým jazykem operačních systémů společnosti Microsoft. Servery vybaveny operačním systémem na bázi UNIXu tvoří dnes páteř Internetu, jsou využívány jak v komerčních firmách, tak i na akademické půdě. O tom, že UNIX nepatří do starého železa svědčí i fakt, že firma Apple Computer si UNIX zvolila jako základ svého operačního systému Mac OS X. 9 FAQ UNIX má již více než 30 let, má cenu se vůbec zabývat takovou vykopávkou? Vývoj UNIXu se rozhodně nezastavil a jeho dnešní implementace obsahují nejnovější poznatky z oblasti operačních systémů. Mnohé z těchto nejnovějších poznatků jsou velmi často nejdříve implementovány právě v UNIXech. Je UNIX nebezpečný? Ano, UNIX je velmi nebezpečný, protože vždy udělá přesně to, oč jsme jej požádali, nikoliv to, oč jsme měli v úmyslu jej požádat.

10 9. FAQ 10 Proč mám psát nějaké složité příkazy, když to můžu jednoduše naklikat myší? Klikání pomocí myší je sice pohodlné, ale těžko se vykonává automaticky třeba každou hodinu a už vůbec se nadá parametrizovat, to znamená ovlivnit jeho chování nějakými dodatečnými daty. Proč UNIX neznemožní uživatelům dělat hlouposti? Protože by jim tím také zamezil dělat i rozumné věci. Reference [1] Lucent Technologies, The Creation of the UNIX Operating System, [2] Apple Computer, Mac OS X, [3] V. Vychodil, Operační systém Linux, ISBN , 2003 [4]