Особенности архитектуры семейства ОС UNIX

UNIX является примером исключительно удачной реализации простой мульти­программной и многопользовательской операционной системы. В своё время она проектировалась как инструментальная система для разработки программ­ного обеспечения. Своей уникальностью система UNIX обязана во многом тому обстоятельству, что она была, по сути, создана всего двумя разработчиками1, причём создававшие её люди делали систему для себя, и первое время её исполь­зовали на мини-ЭВМ с очень скромными вычислительными ресурсами. По этой причине UNIX, прежде всего, обладает простым, но очень мощным командным языком и независимой от устройств файловой системой. Поскольку при созда­нии этой ОС использовался язык высокого уровня, на котором пишутся не толь­ко системные, но и прикладные программы (речь идет о языке С), то система и приложения, выполняющиеся в ней, получились легко переносимыми (мобиль­ными). Компилятор с языка С для всех оттранслированных программ дает реен­терабельный и разделяемый код, что позволяет эффективно использовать имею­щиеся в системе ресурсы.

Первой целью при разработке этой системы было стремление сохранить просто­ту и обойтись минимальным количеством функций. Все реальные сложности ос­тавлялись пользовательским программам.

Второй целью была общность. Одни и те же методы и механизмы должны были использоваться во многих случаях. Поэтому общность в UNIX-системах проявляется во многих аспектах, и в частности:

¨ обращения к файлам, устройствам ввода/вывода и буферам межпроцессных сообщений выполняются с помощью одних и тех же примитивов;

¨ одни и те же механизмы именования, присвоения альтернативных имен и за­щиты от несанкционированного доступа применяются к файлам с данными и директориями и устройствам;

¨ одни и те же механизмы работают в отношении программно и аппаратно ини­циируемых прерываний.

Наконец, третья цель заключалась в создании операционной среды, в которой большие задачи можно было бы решать, комбинируя существующие небольшие программы, а не разрабатывая программы заново.

Важным, хотя и простым с позиций его реализации, является тот факт, что сис­тема UNIX предоставляет пользователям возможность направить выход одной программы непосредственно на вход другой (речь идет о программных каналах (pipe). См. об этом ниже и в разделе «Конвейеры и очереди сообщений», гла­ва 6). В результате большие программные системы можно создавать путём ком­позиции имеющихся небольших программ, а не путём написания новых, что в большинстве случаев упрощает задачу. UNIX-системы существуют уже 30 лет, и к настоящему времени имеется чрезвычайно большой набор легко переноси­мых из системы в систему отлично отлаженных и проверенных временем прило­жений.

UNIX-системы поставляются с большим набором системных и прикладных программ, включающим редакторы текстов, программируемые интерпретаторы командного языка, компиляторы с нескольких популярных языков программирования, включая С, C++, ассемблер, PERL, FORTRAN и многие другие, компоновщики (редакторы межпрограммных связей), отладчики, многочисленные библиотеки системных и пользовательских программ, средства сортировки и ве­дения баз данных, многочисленные административные и обслуживающие про­граммы. Для абсолютного большинства этих программ имеется документация, включающая в себя такие важные документы, как исходные (как правило, снаб­женные хорошими комментариями) тексты программ. Кроме этого, описание и документация в большей части доступны пользователю непосредственно за эк­раном в интерактивном режиме. Используется иерархическая файловая система с полной защитой, работа со съёмными томами, обеспечивается независимость от устройств.

Центральной частью системы UNIX является ядро (kernel).

Основные понятия системы UNIX

Одним из достоинств ОС UNIX является то, что система базируется на небольшом числе понятий; рассмотрим их вкратце. Необходимо заметить, что настоя­щий учебник не претендует на полноценное изложение основ работы в системе UNIX и детальное описание её архитектуры. На эту тему имеется достаточное количество специальной литературы, например отличная монография А. М. Робачевского [70]. Тем не менее, исходя из учебного плана и нашего опыта препо­давания системного программного обеспечения, мы считаем полезным изложить здесь минимальный набор основных понятий, который часто помогает студен­там погрузиться в мир UNIX, отличающийся от привычного всем окружения Windows.

Виртуальная машина

Система UNIX – многопользовательская. Каждому пользователю после регист­рации (входа в систему) предоставляется виртуальный компьютер, в котором есть все необходимые ресурсы: процессор (процессорное время выделяется на основе «карусельной» диспетчеризации (RR – round robin) и с использованием динамических приоритетов с тем, чтобы обеспечить равенство в обслуживании), память, устройства, файлы. Текущее состояние такого виртуального компьюте­ра, предоставляемого пользователю, называется образом. Можно сказать, что процесс – это выполнение образа. Образ состоит из:

¨ образа памяти;

¨ значений общих регистров процессора;

¨ состояния открытых файлов;

¨ текущего директория (каталога файлов) и другой информации.

Образ процесса во время его выполнения размещается в основной памяти. В ста­рых версиях системы UNIX образ мог быть выгружен (откачан) на диск, если ка­кому-либо более приоритетному процессу потребуется место в основной памяти. В современных реализациях, поддерживающих, как правило, страничный механизм виртуальной памяти, прежде всего выгружаются неиспользуемые страницы.

Образ памяти делится на три логических сегмента:

¨ сегмент реентерабельных процедур (начинается с нулевого адреса в виртуальном адресном пространстве процесса);

¨ сегмент данных (располагается следом за сегментом процедур и может расти в сторону больших адресов);

¨ сегмент стека (начинается со старшего адреса и растет в сторону младших ад­ресов по мере занесения в него информации при вызовах подпрограмм и при прерываниях).

Пользователь

Мы уже отмечали, что с самого начала ОС UNIX замышлялась как интерактив­ная многопользовательская система. Другими словами, UNIX предназначен для мультитерминальной работы. Чтобы начать работать, человек должен «войти» в систему, введя со свободного терминала свое учётное имя (account name) и, возможно, пароль (password). Человек, зарегистрированный в учётных файлах системы и, следовательно, имеющий учётную запись (account), называется зарегистрированным пользователем системы. Регистрацию новых пользователей обычно выполняет администратор системы. Пользователь не может изменить своё учётное имя, но может установить и/или изменить свой пароль. Пароли хранятся в отдельном файле в закодированном виде.

Все пользователи ОС UNIX явно или неявно работают с файлами. Файловая система ОС UNIX имеет древовидную структуру [70]. Промежуточными узлами дерева являются каталоги со ссылками на другие каталоги или файлы, а листья дерева соответствуют файлам или пустым каталогам. Каждому зарегистрирован­ному пользователю соответствует некоторый каталог файловой системы, который называется «домашним» (home) каталогом пользователя. При входе в систему пользователь получает неограниченный доступ к своему домашнему каталогу и всем каталогам и файлам, содержащимся в нём. Пользователь может создавать, удалять и модифицировать каталоги и файлы, содержащиеся в домашнем ката­логе. Потенциально возможен доступ и ко всем другим файлам, однако он может быть ограничен, если пользователь не имеет достаточных привилегий.