Операционные программы это программы

Аннотация: Современный компьютер – сложнейшая аппаратно-программная система. Написание программ для компьютера, их отладка и последующее выполнение представляет собой сложную, трудоемкую задачу. Во многом это связано с тем, что существует огромная разница между тем, что удобно для людей, и тем, что удобно для компьютеров.

3.1. Понятие операционной системы

Компьютер понимает только свой машинный язык (назовем его Я0), для человека наиболее удобен язык разговорный или хотя бы язык описания алгоритмов – алгоритмический язык . Проблему можно решить двумя способами. Оба способа связаны с разработкой команд, которые были бы более удобны для человека, чем встроенные машинные команды компьютера. Эти новые команды в совокупности формируют некоторый язык, который назовем Я1.

Упомянутые два способа решения проблемы различаются тем, каким образом компьютер будет выполнять программы, написанные на языке Я1. Первый способ – замена каждой команды языка Я1 на эквивалентный набор команд в языке Я0. В этом случае компьютер выполняет новую программу, написанную на языке Я0, вместо программы, написанной на языке Я1. Эта технология называется трансляцией.

Как в операционной системе Linux устанавливать различные программы? Libre Office, браузеры и другие.

Второй способ – написание программы на языке Я0, которая берет программы, написанные на языке Я1, в качестве входных данных, рассматривает каждую команду по очереди и сразу выполняет эквивалентный набор команд языка Я0. Эта технология не требует составления новой программы на Я0. Она называется интерпретацией, а программа , которая осуществляет интерпретацию, называется интерпретатором.

В подобной ситуации проще представить себе существование гипотетического компьютера или виртуальной машины, для которой машинным языком является язык Я1, чем думать о трансляции и интерпретации. Назовем такую виртуальную машину М1, а виртуальную машину с языком Я0 – М0. Для виртуальных машин можно будет писать программы, как будто они действительно существуют.

Очевидно, можно пойти дальше – создать еще набор команд, который в большей степени ориентирован на человека и в меньшей степени на компьютер , чем Я1. Этот набор формирует язык Я2 и, соответственно, виртуальную машину М2. Так можно продолжать до тех пор, пока не дойдем до подходящего нам языка уровня .

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Уровень 0 – аппаратное обеспечение машины. Электронные схемы этого уровня выполняют программы, написанные на языке уровня 1. Следующий уровень – микроархитектурный уровень.

На этом уровне можно видеть совокупности 8-ми или 32-х (иногда и больше) регистров, которые формируют локальную память и АЛУ ( арифметико-логическое устройство ). Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция этого тракта заключается в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-то операцию, а результат помещается в один из этих регистров. На некоторых машинах работа тракта контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. В других машинах такой контроль выполняется аппаратным обеспечением.

Системные программы и операционная система

Следующий (второй) уровень составляет уровень архитектуры системы команд. Команды используют регистры и другие возможности аппаратуры. Команды формируют уровень ISA ( Instruction Set Architecture ), называемый машинным языком. Обычно машинный язык содержит от 50 до 300 команд, служащих преимущественно для перемещения данных по компьютеру, выполнения арифметических операций и сравнения величин.

Следующий (третий) уровень обычно гибридный. Большинство команд в его языке имеется также и на уровне архитектуры системы команд. У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти , способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. С течением времени набор таких команд существенно расширился. В нем появились так называемые макросы операционной системы, или вызовы супервизора, называемые теперь системными вызовами.

Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть – микропрограммой. Вот почему этот уровень операционной системы считается гибридным.

Операционная система была создана для того, чтобы автоматизировать работу оператора и скрыть от пользователя сложности общения с аппаратурой, предоставив ему более удобную систему команд. Нижние три уровня (с нулевого по второй) конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин.

Над операционной системой (ОС) расположены остальные системные программы . Здесь находятся интерпретатор команд ( оболочка ), компиляторы, редакторы и т.д. Подобные программы не являются частью ОС (иногда оболочку пользователи считают операционной системой). Под операционной системой обычно понимается то программное обеспечение , которое запускается в режиме ядра или, как еще его называют, режиме супервизора. Она защищена от вмешательства пользователя с помощью специальных аппаратных средств.

Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из языков низкого уровня (обычно ассемблер ). На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей (физической) машиной.

Уровни с пятого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи на языках высокого уровня (C, C++, C#, VBA и др.) Компиляторы и редакторы этих уровней запускаются в пользовательском режиме. Еще на более высоких уровнях располагаются прикладные программы пользователей.

Большинство пользователей компьютеров имеют опыт общения с операционной системой, по крайней мере, в той степени, чтобы эффективно выполнять свои текущие задачи. Однако они испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системе. В известной степени проблема связана с тем, что операционные системы выполняют две основные, но практически не связанные между собой функции: расширение возможностей компьютера и управление его ресурсами.

С точки зрения пользователя, ОС выполняет функцию расширенной машины или виртуальной машины, в которой легче программировать и легче работать, чем непосредственно с аппаратным обеспечением, составляющим реальный компьютер . Операционная система не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой, ориентированный на работу с файлами интерфейс , но и скрывает множество неприятной работы с прерываниями, счетчиками времени, организацией памяти и другими компонентами низкого уровня.

Однако концепция, рассматривающая операционную систему прежде всего как удобный интерфейс пользователя, – это взгляд сверху вниз. Альтернативный взгляд, снизу вверх, дает представление об операционной системе как о механизме, присутствующем в компьютере для управления всеми компонентами этой сложнейшей системы. В соответствии с этим подходом работа операционной системы заключается в обеспечении организованного и контролируемого распределения процессоров, памяти, дисков, принтеров, устройств ввода-вывода, датчиков времени и т. п. между различными программами, конкурирующими за право их использовать [4, 13, 22].

3.2. Операционная среда и операционная оболочка

Операционные системы (ОС) в современном их понимании (их назначении и сущности) появились значительно позже первых компьютеров (и, по всей видимости, исчезнут в этой сущности в компьютерах будущего). Почему и когда появились ОС?

Считается 1 По другим сведениям, первый компьютер был создан в Англии в 1943 году для расшифровки кодов немецких подводных лодок. , что первая цифровая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer ) была создана в 1946 году по проекту «Проект РХ» Министерства обороны США. На реализацию проекта было затрачено 500 тыс. долларов. Компьютер содержал 18000 электронных ламп, массу всякой электроники, имел 12 десятиразрядных сумматоров, а для ускорения некоторых арифметических операций имел умножитель и «делитель-извлекатель» квадратного корня. Программирование сводилось к связыванию различных блоков проводами. Конечно, никакого программного обеспечения и, тем более, операционных систем тогда еще не существовало [13].

Интенсивное создание различных моделей ЭВМ относится к началу 50-х годов прошлого века. В эти годы одни и те же группы людей участвовали и в проектировании, и в создании, и в программировании, и в эксплуатации ЭВМ. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке (а затем на Ассемблере), не было никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм. Операционные системы еще не появились, а все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с примитивного пульта управления ЭВМ.

С появлением полупроводниковых элементов вычислительные возможности компьютеров существенно выросли. Наряду с этим заметно прогрессировали достижения в области автоматизации программирования и организации вычислительных работ . Появились алгоритмические языки ( Алгол , Фортран, Кобол) и системное программное обеспечение (трансляторы, редакторы связи, загрузчики и др.). Выполнение программ усложнилось и включало в себя следующие основные действия:

• загрузка нужного транслятора (установка нужных МЛ и др.);
• запуск транслятора и получение программы в машинных кодах;
• связывание программы с библиотечными подпрограммами;
• загрузка программы в оперативную память;
• запуск программы;
• вывод результатов работы программы на печатающее или другое периферийное устройство.

Для организации эффективного использования всех средств компьютера в штаты вычислительных центров ввели должности специально обученных операторов, профессионально выполнявших работу по организации вычислительного процесса для всех пользователей этого центра. Однако как бы ни был подготовлен оператор, ему тяжело состязаться в производительности с работой устройств компьютера. И поэтому большую часть времени дорогостоящий процессор простаивал, а следовательно, использование компьютеров не было эффективным.

С целью исключения простоев были предприняты попытки разработки специальных программ – мониторов, прообразов первых операционных систем, которые осуществляли автоматический переход от задания к заданию. Считается, что первую операционную систему создала в 1952 году для своих компьютеров IBM -701 исследовательская лаборатория фирмы General Motors [22]. В 1955 году эта фирма и North American Aviation совместно разработали ОС для компьютера IBM -704.

В конце 50-х годов прошлого века ведущие фирмы изготовители поставляли операционные системы со следующими характеристиками:

• пакетная обработка одного потока задач;
• наличие стандартных программ ввода-вывода;
• возможности автоматического перехода от программы к программе;
• средства восстановления после ошибок, обеспечивающие автоматическую «очистку» компьютера в случаи аварийного завершения очередной задачи и позволяющие запускать следующую задачу при минимальном вмешательстве оператора;
• языки управления заданиями , которые предоставляют пользователям возможность описывать свои задания и ресурсы, требуемые для их выполнения.

Пакет представляет собой набор (колоду) перфокарт, организованную специальным образом (задание, программы, данные). Для ускорения работы его можно было переносить на магнитную ленту или диск . Это позволяло сократить простой дорогой аппаратуры. Надо сказать, что в настоящее время в связи с прогрессом микроэлектронных технологий и методологий программирования значительно снизилась стоимость аппаратных и программных средств компьютерной техники. Поэтому сейчас основное внимание уделяется тому, чтобы сделать работу пользователей и программистов более эффективной, поскольку затраты труда квалифицированных специалистов сейчас представляют собой гораздо большую долю общей стоимости вычислительных систем, чем аппаратные и программные средства компьютеров.

Расположение операционной системы в иерархической структуре программного и аппаратного обеспечения компьютера можно представить, как показано на рис.3.1.

Рис. 3.1. Иерархическая структура программного и аппаратного обеспечения современного компьютера

Самый нижний уровень содержит различные устройства компьютера, состоящие из микросхем, проводников, источников питания, электронно-лучевых трубок и т.п. Этот уровень можно разделить на подуровни – например, контроллеры устройств , а затем сами устройства. Возможно деление и на большее число уровней. Выше расположен микроархитектурный уровень, на котором физические устройства рассматриваются как отдельные функциональные единицы.

На микроархитектурном уровне находятся внутренние регистры центрального процессора (их может быть несколько) и арифметикологические устройства со средствами управления ими. На этом уровне реализуется выполнение машинных команд. В процессе выполнения команд используются регистры процессора и устройств, а также другие возможности аппаратуры. Команды, видимые для работающего на ассемблере программиста, формируют уровень ISA ( Instruction Set Architecture – архитектура системы команд), часто называемый машинном языком.

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть все эти сложности. Конечный пользователь обычно не интересуется деталями устройства аппаратного обеспечения компьютера. Компьютер ему видится как набор приложений. Приложение может быть написано программистом на каком-либо языке программирования.

Для упрощения этой работы программист использует набор системных программ, некоторые из которых называются утилитами. С их помощью реализуются часто применяемые функции, которые помогают работать с файлами, управлять устройствами ввода-вывода и т.п.

Программист использует эти средства при разработке программ, а приложения во время выполнения обращаются к утилитам для выполнения определенных функций. Наиболее важной из системных программ является операционная система , которая освобождает программиста от необходимости глубокого знания устройства компьютера и представляет ему удобный интерфейс для его использования. Операционная система выступает в роли посредника, облегчая программисту, пользователям и программным приложениям доступ к различным службам и возможностям компьютера [4].

Таким образом, операционная система – это набор программ, контролирующих работу прикладных программ и системных приложений и исполняющих роль интерфейса между пользователями, программистами, прикладными программами, системными приложениями и аппаратным обеспечением компьютера.

Образно можно сказать, что аппаратура компьютера предоставляет «сырую» вычислительную мощность , а задача операционной системы заключается в том, чтобы сделать использование этой вычислительной мощности доступным и по возможности удобным для пользователя. Программист может не знать детали управления конкретными ресурсами (например, диском) компьютера и должен обращаться к операционной системе с соответствующими вызовами, чтобы получить от нее необходимые сервисы и функции. Этот набор сервисов и функций и представляет собой операционную среду, в которой выполняются прикладные программы.

Таким образом, операционная среда – это программная среда, образуемая операционной системой и определяющая интерфейс прикладного программирования ( API ) как множество системных функций и сервисов (системных вызовов), которые предоставляются прикладным программам. Операционная среда может включать несколько интерфейсов прикладного программирования. Кроме основной операционной среды, называемой естественной ( native ), могут быть организованы путем эмуляции (моделирования) дополнительные программные среды, позволяющие выполнять приложения, которые рассчитаны на другие операционные системы и даже другие компьютеры.

Еще одно важное понятие, связанное с операционной системой, относится к реализации пользовательских интерфейсов. Как правило, любая операционная система обеспечивает удобную работу пользователя за счет средств пользовательского интерфейса. Эти средства могут быть неотъемлемой частью операционной среды (например, графический интерфейс Windows или текстовый интерфейс командной строки MS DOS ), а могут быть реализованы отдельной системной программой – оболочкой операционной системы (например, Norton Commander для MS DOS ). В общем случае под оболочкой операционной системы понимается часть операционной среды, определяющая интерфейс пользователя, его реализацию (текстовый, графический и т.п.), командные и сервисные возможности пользователя по управлению прикладными программами и компьютером.

Перейдем к рассмотрению эволюции операционных систем.

Источник: intuit.ru

Программы ОС

Основные программы ОС постоянно (резидентно) занимают в оперативной памяти (ОП) объем, установленный при конфигурировании системы. Остальные части операционной системы по мере необходимости вызываются из внешней памяти на МД.

Операционная система обеспечивает осуществление в вычислительной системе следующих процессов:

• • обработки задач;
• • работы системы в режиме диалога и квантования времени;
• • работы системы в реальном масштабе времени в составе многопроцессорных и многомашинных комплексов;
• • связи оператора с системой;
• • протоколирования хода выполнения вычислительных работ;
• • обработки данных, поступающих по каналам связи;
• • функционирования устройств ввода-вывода;
• • использования широкого набора средств отладки и тестирования программ;
• • планирования прохождения задач в соответствии с их приоритетами;
• • ведения учета и контроля за использованием данных, программ и ресурсов ЭВМ.

Основные компоненты операционных систем — управляющие и обрабатывающие программы. Управляющие программы управляют работой вычислительной системы, обеспечивая в первую очередь автоматическую смену заданий для поддержания непрерывного режима работы ЭВМ при переходе от одной программы к другой без вмешательства оператора.

Управляющая программа определяет порядок выполнения обрабатывающих программ и обеспечивает необходимым набором услуг для их выполнения. Основные функции управляющей программы: последовательное или приоритетное выполнение каждой работы (управление задачами); хранение, поиск и обслуживание данных независимо от их организации и способа хранения (управление данными).

Программы управления задачами считывают входные потоки задач, обрабатывают их в зависимости от приоритета, инициируют одновременное выполнение нескольких заданий; вызывают процедуры; ведут системный журнал.

Программы управления данными обеспечивают способы организации, идентификации, хранения, каталогизации и выборки обрабатываемых данных. Эти программы управляют вводом-выводом данных с различной организацией, объединением записей в блоки и разделением блоков на записи, обработкой меток томов и наборов данных.

Программы управления восстановлением после сбоя обрабатывают прерывания от систем контроля, регистрируют сбои в процессоре и внешних устройствах, формируют записи о сбое в журнале, анализируют возможность завершения затронутой сбоем задачи и переводят систему в состояние ожидания, если завершение задачи невозможно.

Конфигурация системы. Прикладная программа в операционных системах может получить от ОС в процессе своей работы характеристики конкретной реализации системы, в среде которой она функционирует: имя, версию и редакцию операционной системы, тип и технические характеристики компьютера. В ОС обычно имеются средства локализации, позволяющие настроить систему на конкретное национальное (местное) представление данных: представление десятичных дробей, денежных величин, даты и времени.

Операционные системы предоставляют программе пользователя возможность узнать текущие дату и время. За начало отсчета, например, в MS DOS, принята дата 1 января 1980 г. 0 часов 0 минут 0 секунд по Гринвичу, в Unix — 1 января 1970 г. Системы предоставляют возможность измерения временных интервалов короче 1 секунды с помощью специальных системных вызовов. ОС может переводить дату и время из внутреннего числового представления в символьное (пригодное к выводу, например, на терминал); местное время — во время по Гринвичу и наоборот; предоставлять информацию о часовом поясе, летнем и зимнем времени.

Источник: studref.com

Введение в операционные системы

Привет, Хабр! Хочу представить вашему вниманию серию статей-переводов одной интересной на мой взгляд литературы — OSTEP. В этом материале рассматривается достаточно глубоко работа unix-подобных операционных систем, а именно — работа с процессами, различными планировщиками, памятью и прочиими подобными компонентами, которые составляют современную ОС. Оригинал всех материалов вы можете посмотреть вот тут. Прошу учесть, что перевод выполнен непрофессионально (достаточно вольно), но надеюсь общий смысл я сохранил.

• оригинал: pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Homework/homework.html
• оригинал: github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code
• моя личная адаптация: github.com/bykvaadm/OS/tree/master/ostep
• Часть 3: Введение в планировщик

• Часть 1: Intro
• Часть 2: Абстрация: процесс
• Часть 3: Введение в API процессов
• Часть 4: Введение в планировщик
• Часть 5: Планировщик MLFQ

Рассмотрим наиболее фундаментальную абстракцию, которую ОС предоставляет пользователям: процесс. Определение процесса довольно-таки просто — это работающая программа. Программа сама по себе является безжизненной вещью, располагающейся на диске — это набор инструкций и возможно каких-то статических данных, ожидающих момента запуска. Именно ОС берет эти байты и запускает их, преобразую программу во что-то полезное.
Чаще всего пользователи хотят запускать более одной программы одновременно, например вы можете запустить на вашем ноутбуке браузер, игру, медиаплеер, текстовый редактор и тому подобное. Фактически типичная система может запускать десятки и сотни процессов одновременно. Этот факт делает систему более простой в использовании, вам никогда не приходится беспокоиться о том, свободен ли CPU, вы просто запускаете программы.

Отсюда вытекает проблема: как обеспечить иллюзию множества CPU? Как ОС создать иллюзию практически бесконечного количества CPU, даже если у вас всего один физический CPU?

ОС создает эту иллюзию посредством виртуализации CPU. Запуская один процесс, затем останавливая его, запуская другой процесс и так далее, ОС может поддерживать иллюзию того, что существует множество виртуальных CPU, хотя фактически это будет один или несколько физических процессоров. Такая техника называется разделение ресурсов CPU по времени. Эта техника позволяет пользователям запускать столько одновременных процессов, сколько они пожелают. Ценою такого решения является производительность – поскольку если CPU делят несколько процессов, каждый процесс будет обрабатываться медленнее.
Для воплощения виртуализации CPU, а особенно для того чтобы делать это хорошо, ОС нуждается и в низкоуровневой и в высокоуровневой поддержке. Низкоуровневая поддержка называется механизмами — это низкоуровневые методы или протоколы, которые реализуют нужную часть функционала. Пример такого функционала — контекстное переключение, которое дает ОС возможность останавливать одну программу и запускать на процессоре другую программу. Такое разделение по времени реализовано во всех современных ОС.
На вершине этих механизмов располагается некоторая логика, заложенная в ОС, в форме “политик”. Политика — это некоторый алгоритм принятия решения операционной системой. Такие политики, например, решают, какую программу надо запускать (из списка команд) в первую очередь. Так, например, данную задачу решит политика, называющаяся планировщик (scheduling policy) и при выборе решения будет руководствоваться такими данными как: история запуска (какая программа была запущена дольше всех за последнюю минут), какую нагрузку осуществляет данный процесс (какие типы программ были запущены), метрики производительности (оптимизирована ли система для интерактивного взаимодействия или для пропускной способности) и так далее.

Абстракция: процесс

Абстракция работающей программы, выполняемая операционной системой это то, что мы называем процесс. Как уже было сказано ранее процесс – это просто работающая программа, в любой моментальный промежуток времени. Программа с помощью которой мы можем получить суммарную информацию с различных ресурсов системы, и к которым обращается или которые эта программа затрагивает в процессе своего выполнения.
Для понимания составляющих процесса нужно понимать состояния системы: что программа может считывать или изменять во время своей работы. В любой момент времени нужно понимать, какие элементы системы важны для выполнения программы.
Одним из очевидных элементов состояния системы, которые включает в себя процесс — это память. Инструкции располагаются в памяти. Данные, которые программа читает или пишет также, располагаются в памяти. Таким образом, память, которую процесс может адресовать (так называемое адресное пространство) является частью процесса.
Также частью состояния системы являются регистры. Множество инструкций направлено на то, чтобы изменить значение регистров или прочитать их значение и таким образом регистры тоже становятся важной частью работы процесса.
Следует отметить, что состояние машины формируется также из некоторых специальных регистров. Например, IP — instruction pointer — указатель на инструкцию, которую программа исполняет в текущий момент. Еще есть stack pointer и связанный с ним frame pointer, которые используются для управления: параметрами функций, локальными переменными и адресами возврата.
Наконец, программы часто обращаются к ПЗУ (постоянному запоминающему устройству). Такая информация о “I/O” (вводе-выводе) должна включать в себя список файлов, открытых процессом в данный момент.

Process API

Для того чтобы улучшить понимания работы процесса изучим примеры системных вызовов, которые должны быть включены в любой интерфейс операционной системы. Эти API в том или ином виде доступны на любой ОС.

● Create (создание): В ОС должен входить какой либо метод, позволяющий создавать новый процессы. Когда вы вводите команду в терминал или запускаете приложение через двойной клик по иконке, посылается обращение к ОС для создания нового процесса и последующего запуска указанной программы.
● Удаление: Раз есть интерфейс для создания процесса, ОС также должна предоставлять возможность для принудительного удаления процесса. Большинство программ естественно будут запущены и завершены сами по себе по мере их выполнения. В противном случае пользователь хотел бы иметь возможность убить их и таким образом интерфейс для остановки процесса будет не лишним.
● Wait (ожидание): Иногда полезно дождаться завершения процесса, поэтому обеспечиваются некоторые интерфейсы предоставляющие возможностью ожидания.
● Misc Control (разное управление): Кроме убийства и ожидания процесса еще существуют другие разнообразные контролирующие методы. Например большинство ОС предоставляют возможность заморозки процесса (остановка его выполнения на некоторый период) и последующее возобновление (продолжение исполнения)
● Status (состояние): Существуют различные интерфейсы для получения некоторой информации он статусе процесса, такие как продолжительность его работы или в каком состоянии он сейчас находится.

Создание процесса: детали

Одна из интересных вещей — как же именно программы трансформируются в процессы. Особенно, как ОС поднимает и запускает программу. Как конкретно создается процесс.
В первую очередь ОС должна загрузить код программы и статические данные в память (в адресное пространство процесса). Программы обычно располагаются на диске или твердотельном накопителе в некотором исполняемом формате. Таким образом, процесс загрузки программы и статических данных в память требует от ОС возможности прочитать эти байты с диска и расположить их где-то в памяти.

В ранних ОС процесс загрузки выполнялся нетерпеливо (eagerly), то есть это значит что код загружался в память целиком до того как программа запускалась. Современные ОС делают это лениво (lazily), то есть загружая кусочки кода или данных только тогда, когда они требуются программе во время ее выполнения.

После того как код и статические данные загружены в память ОС нужно выполнить еще несколько вещей перед тем как запустить процесс. Некоторое количество памяти должно быть выделено под стек. Программы используют стек для локальных переменных, параметров функций и адресов возврата. ОС выделяет эту память и отдает ее процессу. Стек также может выделяться с некоторыми аргументами, конкретно она заполняет параметры функции main(), например массивом argc и argv.

Операционная система может также выделять некоторое количество памяти под кучу (heap) программы. Куча используется программами для явно запрашиваемых динамически выделенных данных. Программы запрашивают это пространство, вызывая функцию malloc() и явно очищает, вызывая функцию free(). Куча нужна для таких структур данных как: связанные листы, таблицы хэшей, деревья и другие.

По началу под кучу выделяется маленькое количество памяти, но со временем в процессе работы программы куча может запросить большее количество памяти, через библиотечный API вызов malloc(). Операционная система вовлечена в процесс выделения большего количества памяти для того, чтобы помочь в удовлетворении этих вызовов.

Операционная система также будет выполнять задачи инициализации, в частности те, которые относятся к вводу-выводу. Например, в системах UNIX каждый процесс по умолчанию имеет 3 открытых файловых дескриптора, для стандартного потока ввода, вывода и ошибок. Эти дескрипторы позволяют программам считывать ввод из терминала, а также выводить информацию на экран.

Таким образом, загружая код и статические данные в память, создавая и инициализируя стек, а также выполняя другую работу, относящуюся к выполнению задач ввода-вывода, ОС подготавливает площадку для выполнения процесса. В конце концов, остается последняя задача: запустить на исполнение программу через ее точку ввода, называемую функцией main(). Переходя к выполнению функции main(), ОС передает управление CPU вновь созданному процессу, таким образом, программа начинает исполняться.

Состояние процесса

Теперь, когда у нас есть некоторое понимание, что такое процесс и как он создается, перечислим состояния процесса, в которых он может находиться. В самой простой форме процесс может находиться в одном из этих состояний:
● Running. В запущенном состоянии процесс выполняется на процессоре. Это значит, что происходит выполнение инструкций.
● Ready. В состоянии готовности процесс готов запуститься, но по каким-то причинам ОС не исполняет его в заданный момент времени.
● Blocked. В заблокированном состоянии процесс выполняет какие-то операции, которые не дают ему быть готовым к исполнению до тех пор, пока не произойдет какое-либо событие. Один из обычных примеров — когда процесс инициализирует операцию IO, он становится заблокированным и таким образом какой-то другой процесс может использовать процессор.

Представить себе эти состояния можно в виде графа. Как мы можем видеть на картинке, состояние процесса может меняться между RUNNING и READY на усмотрение ОС. Когда состояние процесса меняется с READY, на RUNNING это означает, что процесс был запланирован. В обратную сторону — снят с планировки. В момент, когда процесс становится BLOCKED, например, инициализирую операцию IO, ОС будет держать его в этом состоянии до наступления некоторого события, например завершение IO. в этот момент переход в состояние READY и возможно моментально в состояние RUNNING, если так решит ОС.
Давайте взглянем на пример того, как два процесса проходят через эти состояния. Для начала представим, что оба процесса запущены, и каждый использует только CPU. В этом случае, их состояния будут выглядеть следующим образом.

В следующем примере первый процесс через некоторое время работы запрашивает IO и переходит в состояние BLOCKED, предоставляя другому процессу возможность запуска (РИС 1.4). ОС видит, что процесс 0 не использует CPU и запускает процесс 1. Во время выполнения процесса 1 — IO завершается и статус процесса 0 меняется на READY. Наконец процесс 1 завершился, а по его окончание процесс 0 запускается, исполняется и заканчивает свою работу.

Структура данных

ОС сама является программой, и также как и любая другая программа имеет некоторые ключевые структуры данных, которые отслеживают разнообразные релевантные куски информации. Для отслеживания состояния каждого процесса в ОС будет поддерживаться некоторый process list для всех процессов в состоянии READY и некоторую дополнительную информацию для отслеживания процессов, которые выполняются в текущий момент. Также, ОС должна отслеживать и заблокированные процессы. После завершения IO, ОС обязана пробудить нужный процесс и перевести его в состояние готовности к запуску.

Так, например, ОС должна сохранить состояние регистров процессора. В момент остановки процесса состояние регистров сохраняется в адресном пространстве процесса, а в момент продолжения его работы — восстановить значения регистров и таким образом продолжить выполнения этого процесса.

Кроме состояний ready, blocked, running существуют еще некоторые другие состояния. Иногда в момент создания процесс может иметь состояние INIT. Наконец процесс может быть помещен состояние FINAL, когда он уже завершился, но информация о нем еще не вычищена. В UNIX системах такое состояние называется процесс-зомби.

Это состояние полезно для случаев когда родительский процесс хочет узнать код возврата потомка, например, обычно 0 сигнализирует об успешном завершении, а 1 об ошибочном, однако программисты могут делать дополнительные коды вывода, сигнализируя о разных проблемах. При завершении процесс-родитель делает последний системный вызов, например wait(), чтобы дождаться завершения работы процесса-потомка и просигнализировать ОС о том, что можно очистить любые данные, связанные с завершенным процессом.

Ключевые моменты лекции:

● Процесс — главная абстракция работающей программы в ОС. В любой момент времени процесс может быть описан по его состоянию: содержимое памяти в его адресном пространстве, содержимое регистров процессора, включая instruction pointer и stack pointer также информацией о IO, например открытыми файлами, которые считываются или записываются.
● Process API состоит из вызовов, которые программы могут делать в отношении процессов. Обычно это вызовы создания, удаления или другие.
● Процесс находится в одном из множества состояний, включая running, ready, blocked. Различные события, такие как планировка, исключение из планировки или ожидания могут переводить состояние процесса из одного в другое.
● Process list содержит информацию обо всех процессах в системе. Каждая запись в ней называется process control block, которая в реальности является структурой, которая содержит всю необходимую информацию о конкретном процессе.

• перевод с английского
• операционные системы
• linux

• Системное администрирование
• Системное программирование
• *nix
• C
• Инженерные системы

Источник: habr.com