Geum.ru

Уровни рассмотрения ос

Вид материалаДокументы

Содержание


Проблемы семафоров
Ядро операционной системы
Типы архитектур ядер операционных систем Монолитное ядро
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6

Проблемы семафоров


Во-первых, пользователь может сделать «утечку семафора», вызвав enter() и забыв вызвать leave(). Реже встречаются ошибки, когда пользователь дважды вызывает leave().

Во-вторых, семафоры чреваты взаимной блокировкой потоков. В частности, опасен такой код:

Поток 1:

semaphore1.enter();

semaphore2.enter();

...

semaphore2.leave();

semaphore1.leave();

Поток 2:

semaphore2.enter();

semaphore1.enter();

...

semaphore1.leave();

semaphore2.leave();

В-третьих, остаётся проблема синхронизации процедур самого семафора. Например, возможна следующая ситуация: два процесса ждут освобождения семафора. После того, как семафор освободился, первый процесс «узнаёт» об этом, но не успевает увеличить счётчик, как управление передаётся второму процессу. Второй процесс тоже узнаёт об освобождении семафора, увеличивает счётчик и входит в защищённый участок кода. Тут управление передаётся первому процессу, тот ещё раз увеличивает счётчик и тоже входит в защищённый участок кода. В итоге имеем превышение разрешённого числа процессов.

Данная проблема не имеет алгоритмического решения. Она разрешается либо размещением процедуры ожидания в критической секции, в которой не разрешается переключение с процесса на процесс, либо программистскими приёмами наподобие осуществления проверки флага и его увеличения с помощью одной машинной команды.

Фьютекс (англ. futex, сокращение от англ. fast userspace mutex) — в программировании способ реализации семафоров и мютексов POSIX в Linux. Впервые введены в ядро с версии 2.5.7 (development); выработана стабильная семантика с 2.5.40; включаются в стабильные версии серии 2.6.x (stable).

Разработаны Уберту Франке (Hubertus Franke) (из исследовательского центра IBM им. Томаса Ватсона), сотрудниками технологического центра IBM по Linux Мэттью Кирквудом (Matthew Kirkwood) и Расти Расселом, а также разработчиком в компании Red Hat Инго Молнаром (Ingo Molnar).

Фьютекс представляет собой выровненное целое в общей памяти (для нескольких процессоров). Это целое может быть увеличено или уменьшено на единицу за одну ассемблерную инструкцию. Процессы, «завязанные» на этот фьютекс, ждут, когда это значение станет положительным. Все операции с фьютексами практически полностью проводятся в пользовательском пространстве, соответствующие функции ядра задействуются лишь в ограниченном наборе спорных случаев. Это позволяет повысить эффективность использования синхронизирующих примитивов, поскольку большинство операций не используют арбитраж, а значит и избежать использование относительно дорогостоящих системных вызовов (англ. system call).

Ядро операционной системы


Ядро́ — центральная часть операционной системы, обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, оперативная память, внешнее оборудование. Обычно предоставляет сервисы файловой системы.

Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимым для его работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счет использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа ее реализации.

Типы архитектур ядер операционных систем

Монолитное ядро


Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве.

Старые монолитные ядра требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие части функции ядра.

Достоинства: Скорость работы, упрощённая разработка модулей, богатство предоставляемых возможностей и функций, поддержка большого количества разнообразного оборудования.[источник?]

Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы. Такая структура операционной системы называется монолитным ядром (monolithic kernel). Монолитное ядро представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Таким образом, монолитное ядро — это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур. Для монолитной операционной системы ядро совпадает со всей системой.

Во многих операционных системах с монолитным ядром сборка ядра, то есть его компиляция, осуществляется отдельно для каждого компьютера, на который устанавливается операционная система. При этом можно выбрать список оборудования и программных протоколов, поддержка которых будет включена в ядро. Так как ядро является единой программой, перекомпиляция — это единственный способ добавить в него новые компоненты или исключить неиспользуемые. Следует отметить, что присутствие в ядре лишних компонентов крайне нежелательно, так как ядро всегда полностью располагается в оперативной памяти. Кроме того, исключение ненужных компонентов повышает надежность операционной системы в целом.

Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство Unix-систем.

В монолитном ядре выделяются вкрапления сервисных процедур, соответствующих системным вызовам. Сервисные процедуры выполняются в привилегированном режиме, тогда как пользовательские программы — в непривилегированном. Для перехода с одного уровня привилегий на другой иногда может использоваться главная сервисная программа, определяющая, какой именно системный вызов был сделан, корректность входных данных для этого вызова и передающая управление соответствующей сервисной процедуре с переходом в привилегированный режим работы.

Данный тип архитектуры ядер имеет преимущества. В частности, монолитное ядро более производительно, чем микроядро, поскольку состоит не из множества разрозненных процессов, «общающихся» между собой через механизм посылки сообщений, а работает в одном адресном пространстве, кроме того нет необходимости осуществлять переключения между процессами-сервисами.

Примером монолитного ядра является Linux, имеющее, кроме того, архитектуру модульного ядра. Оно оптимизировано для более высокой производительности с минимальными контекстными переключениями. Такая архитектура упрощает поддержку кода ядра для разработчиков, но требует перекомпиляции ядра при добавлении новых устройств. Следует отметить, что описанные здесь различия являются «классическими», на практике монолитные ядра могут поддерживать модульность (что зачастую и происходит), а микроядра могут требовать перекомпиляции.


Примеры: Традиционные ядра UNIX(такие как BSD), Linux; ядро MS-DOS.