Причины популярности UNIX
Почти три десятилетия существования UNIX - очень большой срок для операционной системы. Смело можно сказать, что она полностью выдержала проверку временем. На каждом этапе своего развития операционная система UNIX решала определенные задачи, и сегодня, несмотря на появление более простых и удобных, с точки зрения администрирования, систем, UNIX прочно занимает место среди лидеров. Самое удивительное, что во многих случаях речь при этом идет не о конкретной версии, например Solaris или SCO, а именно о системе UNIX как таковой.
Перечислим основные черты UNIX, позволяющие понять причины долгожительства этой системы:
1. Код системы написан на языке высокого уровня С, что сделало ее простой для понимания, изменений и переноса на другие платформы. По оценкам одного из создателей UNIX, Дэнниса Ритчи, система на языке С имела на 20–40% больший размер, а производительность ее была на 20% ниже аналогичной системы, написанной на ассемблере. Однако ясность и переносимость, а в результате - и открытость системы сыграли решающую роль в ее популярности. Можно смело сказать, что UNIX является одной из наиболее открытых систем. Несмотря на то, что большинство UNIX поставляется сегодня не в исходных текстах, а в виде бинарных файлов, система остается легко расширяемой и настраиваемой.
2. UNIX - многозадачная многопользовательская система с широким спектром услуг. Один мощный сервер может обслуживать запросы большого количества пользователей. При этом необходимо администрирование только одной системы. Ваша система может выполнять различные функции - работать как вычислительный сервер, обслуживающий сотни пользователей, как сервер базы данных, как сетевой сервер, поддерживающий важнейшие сервисы сети (telnet, ftp, электронную почту, службу имен DNS и т.д.), или даже как сетевой маршрутизатор.
3. Наличие стандартов. Несмотря на многообразие версий UNIX, основой всего семейства являются принципиально одинаковая архитектура и ряд стандартных интерфейсов. Опытный администратор без большого труда сможет обслужить другую версию системы, для пользователей переход на другую версию и вовсе может оказаться незаметным.
4. Простой, но мощный модульный пользовательский интерфейс. Имея в своем распоряжении набор утилит, каждая из которых решает узкую специализированную задачу, вы можете конструировать из них сложные комплексы.
5. Использование единой, легко обслуживаемой иерархической файловой системы. Файловая система - это не только доступ к данным, хранящимся на диске. Через унифицированный интерфейс файловой системы осуществляется доступ к терминалам, принтерам, магнитным лентам, сети и даже к памяти.
6. Очень большое количество приложений, в том числе свободно распространяемых, начиная от простейших текстовых редакторов и заканчивая мощными системами управления базами данных.
Общий взгляд на архитектуру UNIX
Самый общий взгляд позволяет увидеть двухуровневую модель системы так, как она представлена на рис. 1.
Рис. 1. Модель системы UNIX
В центре находится ядро системы (kernel). Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, изолируя прикладные программы от особенностей ее архитектуры. Ядро имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам. К услугам ядра относятся операции ввода/вывода (открытия, чтения, записи и управления файлами), создания и управления процессами, их синхронизации и межпроцессного взаимодействия. Все приложения запрашивают услуги ядра посредством системных вызовов.
Второй уровень составляют приложения или задачи, как системные, определяющие функциональность системы, так и прикладные, обеспечивающие пользовательский интерфейс UNIX. Однако несмотря на внешнюю разнородность приложений, схемы их взаимодействия с ядром одинаковы.
Рассмотрим более внимательно отдельные компоненты ядра системы.
Ядро системы
Ядро обеспечивает базовую функциональность операционной системы: создает процессы и управляет ими, распределяет память и обеспечивает доступ к файлам и периферийным устройствам.
Взаимодействие прикладных задач с ядром происходит посредством стандартного интерфейса системных вызовов. Интерфейс системных вызовов представляет собой набор услуг ядра и определяет формат запросов на услуги. Процесс запрашивает услугу посредством системного вызова определенной процедуры ядра, внешне похожего на обычный вызов библиотечной функции. Ядро от имени процесса выполняет запрос и возвращает процессу необходимые данные.
В приведенном примере программа открывает файл, считывает из него данные и закрывает этот файл. При этом операции открытия (open), чтения (read) и закрытия (close) файла выполняются ядром по запросу задачи, а функции open(2), read(2) и close(2) являются системными вызовами.
main() {
int fd;
char buf[80];
/* Откроем файл - получим ссылку (файловый дескриптор) fd */
fd = open("file1", O_RDONLY);
/* Считаем в буфер buf 80 символов */
read(fd, buf, sizeof(buf));
/* Закроем файл */
close(fd);
}
Структура ядра представлена на рис 2.
Рис. 2. Внутренняя структура ядра UNIX
Ядро состоит из трех основных подсистем:
1. Файловая подсистема
2. Подсистема управления процессами и памятью
3. Подсистема ввода/вывода
Файловая подсистема
Файловая подсистема обеспечивает унифицированный интерфейс доступа к данным, расположенным на дисковых накопителях, и к периферийным устройствам. Одни и те же функции open(2), read(2), write(2) могут использоваться как при чтении или записи данных на диск, так и при выводе текста на принтер или терминал.
Файловая подсистема контролирует права доступа к файлу, выполняет операции размещения и удаления файла, а также выполняет запись/чтение данных файла. Поскольку большинство прикладных функций выполняется через интерфейс файловой системы (в том числе и доступ к периферийным устройствам), права доступа к файлам определяют привилегии пользователя в системе.
Файловая подсистема обеспечивает перенаправление запросов, адресованных периферийным устройствам, соответствующим модулям подсистемы ввода/вывода.
Подсистема управления процессами
Запущенная на выполнение программа порождает в системе один или более процессов (или задач). Подсистема управления процессами контролирует:
□ Создание и удаление процессов
□ Распределение системных ресурсов (памяти, вычислительных ресурсов) между процессами
□ Синхронизацию процессов
□ Межпроцессное взаимодействие
Очевидно, что в общем случае число активных процессов превышает число процессоров компьютера, но в каждый конкретный момент времени на каждом процессоре может выполняться только один процесс. Операционная система управляет доступом процессов к вычислительным ресурсам, создавая ощущение одновременного выполнения нескольких задач.
Специальная задача ядра, называемая распорядителем или планировщиком процессов (scheduler), разрешает конфликты между процессами в конкуренции за системные ресурсы (процессор, память, устройства ввода/вывода). Планировщик запускает процесс на выполнение, следя за тем, чтобы процесс монопольно не захватил разделяемые системные ресурсы. Процесс освобождает процессор, ожидая длительной операции ввода/вывода, или по прошествии кванта времени. В этом случае планировщик выбирает следующий процесс с наивысшим приоритетом и запускает его на выполнение.
Модуль управления памятью обеспечивает размещение оперативной памяти для прикладных задач. Оперативная память является дорогостоящим ресурсом, и, как правило, ее редко бывает "слишком много". В случае, если для всех процессов недостаточно памяти, ядро перемещает части процесса или нескольких процессов во вторичную память (как правило, в специальную область жесткого диска), освобождая ресурсы для выполняющегося процесса. Все современные системы реализуют так называемую виртуальную память: процесс выполняется в собственном логическом адресном пространстве, которое может значительно превышать доступную физическую память. Управление виртуальной памятью процесса также входит в задачи модуля управления памятью.
Модуль межпроцессного взаимодействия отвечает за уведомление процессов о событиях с помощью сигналов и обеспечивает возможность передачи данных между различными процессами.
Подсистема ввода/вывода
Подсистема ввода/вывода выполняет запросы файловой подсистемы и подсистемы управления процессами для доступа к периферийным устройствам (дискам, магнитным лентам, терминалам и т.д.). Она обеспечивает необходимую буферизацию данных и взаимодействует с драйверами устройств - специальными модулями ядра, непосредственно обслуживающими внешние устройства.