Текст книги "Операционная система UNIX"

Автор книги: Андрей Робачевский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 39 страниц)

OSF/1

В 1988 году AT&T и Sun Microsystems заключили соглашение о сотрудничестве в области разработки будущих версий System V. В ответ на это ряд компаний, производящих компьютеры или имеющих отношение к вычислительной технике, включая IBM, DEC, Hewlett-Packard, создали организацию под названием Open Software Foundation (OSF), целью которой являлась разработка независимой от AT&T версии операционной системы. Результатом деятельности этой организации стала операционная система OSF/1. Хотя ряд коммерческих операционных систем связывают себя с этой ветвью, нельзя сказать, что OSF/1 явилась новым словом в мире UNIX. Скорее, это был политический шаг, призванный снизить доминирующую роль ряда фирм, занимавшихся разработкой UNIX System V.

Версии UNIX, использующие микроядро

Идея микроядра заключается в сведении к минимуму функций, выполняемых ядром операционной системы, и, соответственно, предоставляемых базовых услуг. При этом основные компоненты операционной системы являются модулями, работающими на базе микроядра. С одной стороны, такой подход делает микроядро более универсальным, позволяя конструировать специализированные операционные системы, а с другой, – упрощает настройку и конфигурирование.

Наиболее известны следующие версии микроядра:

□ Микроядро Mach, разработанное в университете Карнеги-Меллона. Сегодня Mach используется в системе OSF/1 фирмы DEC для серверов с процессорами Alpha, а также в операционной системе Workplace фирмы IBM.

□ Микроядро Chorus. На базе этого микроядра созданы системы Chorus/MiX V.3 и Chorus/MiX V.4, являющиеся "серверизацией" SVR3 и SVR4. При этом ядро UNIX разделено на множество серверов, выполняющихся под управлением микроядра, причем эти серверы могут находиться как на одном компьютере, так и быть распределены в сети.

Свободно распространяемая система UNIX

Достаточно дешевый PC и свободно распространяемая система UNIX делают эту систему сегодня доступной практически каждому.

Очень популярная версия UNIX для PC, называемая Minix, была разработана Энди Тэненбаумом (Andy Tanenbaum) как приложение к его книге по архитектуре UNIX. Книга Тэненбаума содержит полные листинги исходных текстов системы. Дополнительный набор дискет позволяет установить Minix даже на PC с процессором 8086 (если найдется такой компьютер).

В последнее время все большую популярность приобретает свободно распространяемая версия UNIX под названием Linux, разработанная исследователем университета Хельсинки Линусом Торвальдсом (Linus Torvalds). Разработанная "с нуля" для процессора Intel i386, сегодня она перенесена на ряд других аппаратных платформ, включая серверы Alpha фирмы DEC.

Основные стандарты

UNIX явилась первой действительно переносимой системой, и в этом одна из причин ее успеха.

Как в ранние, бесплатно распространяемые, исследовательские версии, так и в сегодняшние коммерческие и свободно распространяемые версии UNIX постоянно вносятся изменения. С одной стороны, это расширяет возможности системы, делает ее мощнее и надежнее, с другой – ведет к значительным различиям между существующими версиями, отсутствию канонического UNIX.

Чем больше появлялось версий UNIX (и особенно коммерческих), тем очевиднее становилась необходимость стандартизации системы. Наличие стандартов облегчает переносимость приложений и защищает как пользователей, так и производителей. В результате возникло несколько организаций, связанных со стандартизацией, и был разработан ряд стандартов, оказывающих влияние на развитие UNIX.

IEEE и POSIX

В 1980 году была создана инициативная группа под названием /usr/group с целью стандартизации программного интерфейса UNIX, т. е. формального определения услуг, предоставляемых операционной системой приложениям. Решение этой задачи упростило бы переносимость приложений между различными версиями UNIX. Такой стандарт был создан в 1984 году и использовался комитетом ANSI, отвечающим за стандартизацию языка С, при описании библиотек. Однако с ростом числа версий операционной системы эффективность стандарта уменьшилась, и через год, в 1985 году, был создан Portable Operating System Interface for Computing Environment, сокращенно POSIX (переносимый интерфейс операционной системы для вычислительной среды).

В 1988 году группой был разработан стандарт POSIX 1003.1-1988, который определил программный интерфейс приложений (Application Programming Interface, API). Этот стандарт нашел широкое применение во многих операционных системах, в том числе и с архитектурой, отличной от UNIX. Спустя два года стандарт был принят как стандарт IEEE 1003.1-1990. Заметим, что поскольку этот стандарт определяет интерфейс, а не конкретную реализацию, он не делает различия между системными вызовами и библиотечными функциями, называя все элементы программного интерфейса просто функциями.

Другими наиболее значительными стандартами POSIX, относящимися к UNIX, являются:

POSIX 1003.2-1992	Включает определение командного интерпретатора UNIX и набора утилит
POSIX 1003.1b-1993	Содержит дополнения, относящиеся к поддержке приложений реального времени
POSIX 1003.1c-1995	Включает определения «нитей» (threads) POSIX, известных также как pthreads

X/Open

В 1984 году ряд европейских компьютерных компаний сформировал некоммерческую организацию, получившую название X/Open. Название полностью отражает цель этой организации – разработку общего набора интерфейсов операционной системы, согласованного между различными производителями, и создание действительно открытых систем, для которых стоимость переносимости приложений как между различными версиями одной операционной системы, так и между системами различных производителей была бы минимальной.

Основной задачей организации X/Open являлось согласование и утверждение стандартов для создания общего программного интерфейса и программкой среды для приложений. В 1992 году появился документ, известный под названием X/Open Portability Guide версии 3 или XPG3, который включал POSIX 1003.1-1988 и стандарт на графическую систему X Window System, разработанную в Массачусетсском институте технологии.

В дальнейшем интерфейсы XPG3 были расширены, включив базовые API систем BSD и System V (SVID), в том числе и архитектуру STREAMS. В результате была выпущена спецификация, ранее известная как Spec 11/70, а в 1994 году получившая название XPG4.2.

В 1996 году объединение усилий X/Open и OSF привело к созданию консорциума The Open Group, продолжившего разработки в области открытых систем. В качестве примера можно привести такие направления, как дальнейшая разработка пользовательского интерфейса, Common Desktop Environment (CDE), и его сопряжение со спецификацией графической оболочки Motif. Другим примером является разработка стандартных интерфейсов для распределенной вычислительной среды Distributed Computing Environment (DCE), работа над которой была начата OSF.

SVID

Вскоре после выхода в свет в 1984 году версии SVR2, группа USG выпустила документ под названием System V Interface Definition, SVID, в котором описывались внешние интерфейсы UNIX версий System V. По существу, этот труд (в двух томах) определял соответствие операционной системы версии System V.

В дополнение к SVID был выпущен т.н. System V Verification Suite, SWS, – набор тестовых программ, позволяющих производителям получить ответ, достойна ли их система права носить имя System V.

С появлением SVR4 было выпущено новое издание SVID (уже в четырех томах) и, соответственно, новый SWS.

ANSI

В конце 1989 года Американским национальным институтом стандартов (American National Standards Institute, ANSI) был утвержден стандарт X3.159-1989 языка программирования С. Целью появления этого стандарта являлось улучшение переносимости программ, написанных на языке С, в различные операционные системы (не только UNIX). Стандарт определяет не только синтаксис и семантику языка, но и содержимое стандартной библиотеки.

Некоторые известные версии UNIX

Сегодня существуют десятки различных операционных систем, которые можно называть UNIX. В основном, это коммерческие версии, в которых создатели пытались как можно эффективнее решить вопросы реализации той или иной подсистемы. Во многих случаях, производитель операционной системы является и производителем аппаратной платформы, для которой эта система предназначена. В качестве примеров можно привести операционные системы SunOS и Solaris фирмы Sun Microsystems, HP-UX фирмы Hewlett-Packard, AIX фирмы IBM, IRIX фирмы Silicon Graphics. Вполне естественно, что производитель хочет сделать операционную систему привлекательнее, чем у конкурентов, и не только за счет лучшей производительности, но и за счет расширений и дополнительных возможностей, отсутствующих у других. С другой стороны, производитель желает, чтобы его операционная система оставалась открытой: сегодня закрытые корпоративные решения отпугивают потребителя. Понятно, что в такой ситуации единства и борьбы противоположностей вряд ли найдется система, которую можно назвать «чистой системой UNIX». Да и такое понятие сегодня вряд ли существует. По мнению некоторых разработчиков последней «чистой системой UNIX» являлась Седьмая редакция, сегодня же можно говорить только о наличии в операционной системе черт той или иной ветви – System V, BSD или OSF/1. Можно, например, сказать, что с точки зрения администрирования и набора утилит Digital UNIX представляет смесь System V и BSD UNIX, но с точки зрения интерфейсов и организации системы – это BSD.

Поэтому определение принадлежности конкретной операционной системы к той или иной генеалогической ветви носит весьма условный характер. С этой оговоркой в табл. 1 приведены несколько индикаторов (с точки зрения пользователя и администратора) принадлежности UNIX одной из двух основных ветвей.

Таблица 1. К какой генеалогической ветви принадлежит ваша система?

Имя ядра	/unix	/vmunix
Терминальная инициализация	/etc/inittab	/etc/ttys
Файлы инициализации системы	каталоги /etc/rc*.d	файлы /etc/rc.*
Конфигурация монтируемых файловых систем	/etc/mnttab	/etc/mtab
Обычный командный интерпретатор	sh(1), ksh(1)	csh(1)
«Родная» файловая система	S5 (размер блока: 512– 2048 байт), имена файлов <= 14 символов	UFS (размер блока: 4K–8K), имена файлов < 255 символов
Система печати	lp(1), lpstat(1), cancel(1)	lpr(1), lpq(1), lprm(1M) (lpd daemon)
Управление терминалами	terminfo(4)	termcap(4)
Отображение активности процессов	ps -ef	ps -aux

Ниже приведены краткие характеристики наиболее популярных версий UNIX.

AIX

Версия UNIX фирмы IBM на базе SVR2 со многими чертами SVR4, BSD и OSF/1. Собственная система администрации (SMIT).

HP-UX

Версия UNIX фирмы Hewlett-Packard. В 1996 году компания выпустила новые версии – HP-UX 10.10 и HP-UX 10.20, включающие поддержку симметричных многопроцессорных систем (SMP), файловых систем большого размера (до 128 Гбайт) и расширение виртуального адресного пространства прикладных процессов до 3,75 Гбайт. В середине 1997 года планируется выпустить полностью 64-разрядную версию операционной системы.

IRIX

Версия UNIX фирмы Silicon Graphics, предназначенная для аппаратной платформы этого производителя (MIPS). Ранние версии системы включали много черт BSD UNIX, однако современную систему IRIX (6.x) скорее можно отнести к ветви System V Release 4. Полностью 64-разрядная операционная система.

Digital UNIX

Версия системы OSF/1 фирмы Digital Equipment Corporation (DEC). В прошлом система называлась DEC OSF/1 и по сути являлась BSD UNIX. В то же время в ней есть много черт ветви System V. Полностью 64-разрядная операционная система, разработанная в первую очередь для аппаратной платформы Alpha, содержит все возможности, присущие современным UNIX, – DCE, CDE, современную файловую систему. Поддерживает большинство сетевых интерфейсов, включая Fast Ethernet и ATM.

SCO UNIX

В 1988 году компании Santa Cruz Operation (SCO), Microsoft и Interactive Systems завершили совместную разработку версии System V Release 3.2 для платформы Intel 386. В том же году SCO получила от AT&T лицензию на торговую марку и операционная система стала называться SCO UNIX System V/386. В 1995 году компания SCO выпустила версию системы под названием SCO OpenServer Release 5 (кодовое название Everest) – UNIX версии SVR3.2 со многими чертами SVR4. Новая версия системы поддерживает более 900 аппаратных платформ, включая мультипроцессорные вычислительные системы, и более 2000 периферийных устройств.

Solaris

Версия UNIX SVR4 фирмы Sun Microsystems. Версия 2.5.1 содержит компоненты ядра, использующие 64-разрядную аппаратную архитектуру. Поддерживает распространенные аппаратные платформы, в том числе SPARC, UltraSPARC, Intel 486, Pentium, Pentium Pro и PowerPC. В 1998 году планируется выпустить полностью 64-разрядную версию операционной системы.

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.