ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Год за годом происходит эволюция структуры и возможностей операцион­ных систем. В последнее время в состав новых операционных систем и новых версий уже существующих операционных систем вошли некоторые структурные элементы, которые внесли большие изменения в природу этих систем. Совре­менные операционные системы отвечают требованиям постоянно развивающего­ся аппаратного и программного обеспечения. Они способны управлять работой многопроцессорных систем, работающих быстрее обычных машин, высокоскоро­стных сетевых приспособлений и разнообразных запоминающих устройств, чис­ло которых постоянно увеличивается. Из приложений, оказавших влияние на устройство операционных систем, следует отметить мультимедийные приложе­ния, средства доступа к Internet, а также модель клиент/сервер.

Неуклонный рост требований к операционным системам приводит не только к улучшению их архитектуры, но и к возникновению новых способов их органи­зации. В экспериментальных и коммерческих операционных системах были оп­робованы самые разнообразные подходы и структурные элементы, большинство из которых можно объединить в следующие категории.

• Архитектура микроядра.

• Многопоточность.

• Симметричная многопроцессорность.

• Распределенные операционные системы.

• Объектно-ориентированный дизайн.

Отличительной особенностью большинства операционных систем на сего­дняшний день является большое монолитное ядро. Ядро операционной системы обеспечивает большинство ее возможностей, включая планирование, работу с файловой системой, сетевые функции, работу драйверов различных устройств, управление памятью и многие другие. Обычно монолитное ядро реализуется как единый процесс, все элементы которого используют одно и то же адресное про­странство. В архитектуре микроядра ядру отводится лишь несколько самых важных функций, в число которых входят работа с адресными пространствами, обеспечение взаимодействия между процессами (interprocess communication — IPC) и основное планирование. Работу других сервисов операционной системы обеспечивают процессы, которые иногда называют серверами. Эти процессы за­пускаются в пользовательском режиме и микроядро работает с ними так же, как и с другими приложениями. Такой подход позволяет разделить задачу разработ­ки операционной системы на разработку ядра и разработку сервера. Серверы можно настраивать для требований конкретных приложений или среды. Выде­ление в структуре системы микроядра упрощает реализацию системы, обеспечи­вает ее гибкость, а также хорошо вписывается в распределенную среду. Факти­чески микроядро взаимодействует с локальным и удаленным сервером по одной и той же схеме, что упрощает построение распределенных систем.

Многопоточность (multithreading) — это технология, при которой процесс, выполняющий приложение, разделяется на несколько одновременно выполняе­мых потоков. Ниже приведены основные различия между потоком и процессом.

• Поток. Диспетчеризуемая единица работы, включающая контекст процессо­ра (куда входит содержимое программного счетчика и указателя вершины
стека), а также свою собственную область стека (для организации вызова
подпрограмм и хранения локальных данных). Команды потока выполняют­
ся последовательно; поток может быть прерван при переключении процес­сора на обработку другого потока4.Процесс. Набор из одного или нескольких потоков, а также связанных с этими потоками системных ресурсов (таких, как область памяти, в которую
входят код и данные, открытые файлы, различные устройства). Эта кон­цепция очень близка концепции выполняющейся программы. Разбивая
приложение на несколько потоков, программист получает все преимущества
модульности приложения и возможность управления связанными с прило­жением временными событиями.

Многопоточность оказывается весьма полезной для приложений, выпол­няющих несколько независимых заданий, которые не требуют последовательного исполнения. В качестве примера такого приложения можно привести сервер ба­зы данных, который одновременно принимает и обрабатывает несколько запро­сов клиентов. Если в пределах одного и того же процесса обрабатываются не­сколько потоков, то при переключении между различными потоками непроизво­дительный расход ресурсов процессора меньше, чем при переключении между разными процессами. Кроме того, потоки полезны при описанном в последующих главах структурировании процессов, которые являются частью ядра опера­ционной системы.

До недавнего времени все персональные компьютеры, рассчитанные на одного пользователя, и рабочие станции содержали один виртуальный микропро­цессор общего назначения. В результате постоянного повышения требований к производительности и понижения стоимости микропроцессоров производители перешли к выпуску компьютеров с несколькими процессорами. Для повышения эффективности и надежности используется технология симметричной многопро­цессорности (symmetric multiprocessing — SMP). Этот термин относится к архи­тектуре аппаратного обеспечения компьютера, а также к образу действий опера­ционной системы, соответствующему этой архитектурной особенности. Симмет­ричную многопроцессорность можно определить как автономную компьютерную систему со следующими характеристиками.

1. В системе имеется несколько процессоров.

2. Эти процессоры, соединенные между собой коммуникационной шиной или
какой-нибудь другой схемой, совместно используют одну и ту же основную
память и одни и те же устройства ввода-вывода.

3. Все процессоры могут выполнять одни и те же функции (отсюда название
симметричная обработка).

Операционная система, работающая в системе с симметричной многопро­цессорностью, распределяет процессы или потоки между всеми процессорами. У многопроцессорных систем есть несколько потенциальных преимуществ по срав­нению с однопроцессорными, в число которых входят следующие.

• Производительность. Если задание, которое должен выполнить компьютер,
можно организовать так, что какие-то части этого задания будут выпол­няться параллельно, это приведет к повышению производительности по
сравнению с однопроцессорной системой с процессором того же типа. Сформулированное выше положение проиллюстрировано на рис. 2.12. В много­
задачном режиме в один и тот же момент времени может выполняться
только один процесс, тогда как остальные процессы вынуждены ожидать
своей очереди. В многопроцессорной системе могут выполняться одновременно несколько процессов, причем каждый из них будет работать на от­
дельном процессоре.

• Надежность.При симметричной мультипроцессорной обработке отказ одного из процессоров не приведет к остановке машины, потому что все процессоры могут выполнять одни и те же функции. После такого сбоя система
продолжит свою работу, хотя производительность ее несколько снизится.

• Наращивание. Добавляя в систему дополнительные процессоры, пользователь может повысить ее производительность.

• Масштабируемость. Производители могут предлагать свои продукты в раз­личных, различающихся ценой и производительностью, конфигурациях,
предназначенных для работы с разным количеством процессоров.

Важно отметить, что перечисленные выше преимущества являются скорее потенциальными, чем гарантированными. Чтобы надлежащим образом реализо­вать потенциал, заключенный в многопроцессорных вычислительных системах, операционная система должна предоставлять адекватный набор инструментов и возможностей

.

Рис. 2.12. Многозадачность и многопроцессорность

Часто можно встретить совместное обсуждение многопоточности и многопроцессорности, однако эти два понятия являются независимыми. Многопоточность — полезная концепция для структурирования процессов приложений и ядра даже на машине с одним процессором. С другой стороны, многопроцессор­ная система может обладать преимуществами по сравнению с однопроцессорной, даже если процессы не разделены на несколько потоков, потому что в такой сис­теме можно запустить несколько процессов одновременно. Однако обе эти воз­можности хорошо согласуются между собой, а их совместное использование мо­жет дать заметный эффект.

Заманчивой особенностью многопроцессорных систем является то, что наличие нескольких процессоров прозрачно для пользователя —за распреде­ление потоков между процессорами и за синхронизацию разных процессов отвечает операционная система. В этой книге рассматриваются механизмы планирования и синхронизации, которые используются, чтобы все процессы и процессоры были видны пользователю в виде единой системы. Другая за­дача более высокого уровня — представление в виде единой системы класте­ра из нескольких отдельных компьютеров. В этом случае мы имеем дело с набором компьютеров, каждый из которых обладает своей собственной ос­новной и вторичной памятью и своими модулями ввода-вывода. Распреде­ленная операционная система создает видимость единого пространства ос­новной и вторичной памяти, а также единой файловой системы. Хотя попу­лярность кластеров неуклонно возрастает и на рынке появляется все больше кластерных продуктов, современные распределенные операционные системы все еще отстают в развитии от одно- и многопроцессорных систем. С подоб­ными системами вы познакомитесь в шестой части книги.

Одним из последних новшеств в устройстве операционных систем стало использование объектно-ориентированных технологий. Объектно-ориентированный дизайн помогает навести порядок в процессе добавления к основному небольшому ядру дополнительных модулей. На уровне операционной системы объектно-ориентированная структура позволяет программистам настраивать операционную систему, не нарушая ее целостности. Кроме того, этот подход облегчает разработку распределенных инст­рументов и полноценных распределенных операционных систем.