Деревянко А.С., Солощук М.Н. Операционные системы. Часть II. Обзор операционных систем
Подождите немного. Документ загружается.
211
одному" (хотя иногда – под другими названиями), другие OS-объекты
совершенно не связаны с объектами MI, некоторые OS/400-объекты
представляют собой интеграцию MI-объектов. Примеры OS/400-объектов:
программа, документ, таблица, файл, команда, профиль пользователя,
библиотека (объект, содержащий другие объекты), папка (объект,
содержащий другие объекты и папки). Примеры MI-объектов: программа
(то же, что и в ОС), модуль, пространство данных, индекс, очередь,
профиль пользователя (то же, что и в ОС), контекст (библиотека – в ОС).
Следует отметить, что объекты нижнего уровня – объекты MI –
доступны как для приложений, так и для OS/400 только через
специальные команды MI и не могут обрабатываться каким-либо иным
образом, минуя эти команды. Аналогично объекты OS/400 доступны для
приложений только через системные вызовы.
Общие свойства системных объектов перечисляются ниже.
1. Объект, как правило, имеет имя. Объект может не иметь имени,
если он не используется никем, кроме ОС.
2. Объект должен быть явным образом создан командой MI CREATE.
Команда ссылается на созданный пользователем шаблон
(template) объекта, который содержит атрибуты и значения
объекта.
3. Объект может быть постоянным или временным – этот атрибут
объекта определяется при его создании. Постоянные объекты
сохраняются в системе до их явного уничтожения (командой MI
DELETE). Временные сохраняются не дольше, чем до
перезагрузки системы. При явном уничтожении объекта
занимаемое ими адресное пространство очищается, но не
освобождается, сохраняется также заголовок объекта, в котором,
однако, делается пометка "уничтоженный". Это позволяет
корректно обрабатывать ошибочные обращения к уже удаленным
212
объектам. Освобождение пространства и уничтожение заголовка
происходит при перезагрузке системы.
4. Адресация к объектам производится через системные указатели.
Управление правами доступа к объекту выполняется ниже уровня
MI (подробно рассматривается далее).
5. Временные объекты могут помещаться в "группы доступа".
"Группа доступа" – системный объект, который позволяет
связывать объекты различного типа и осуществлять к ним
совместный доступ.
6. Атрибуты объекта могут быть "материализованы", то есть,
скопированы в доступную область.
Объектам выделяется пространство, в котором располагаются
данные и указатели. Внутреннее представление объекта занимает один
или несколько сегментов памяти и включает в себя:
• заголовок объекта, содержащий его атрибуты
(постоянный/временный, имя и тип объекта, описание
занимаемого объектом пространства, ссылки на профили
создателя и владельца, временные отметки и т.п.);
• функциональную часть, содержащую данные объекта, зависящие
от его типа – это могут быть структуры данных, программные
коды и т.п.; единственный тип MI-объекта – "пространство" – не
имеет функциональной части;
• область данных, содержащую пользовательские данные, она
используется, как рабочая область при манипуляциях с объектом.
Функциональная часть объекта полностью инкапсулирована. Доступ
к содержимому функциональной части возможен только через объектно-
ориентированные команды MI (команды материализации), в которых
объект адресуется "системным указателем". Доступ к содержимому
области данных возможен непосредственный, через "указатель
213
пространства" или "указатель данных". Область данных объекта может
содержать любые данные, в том числе и системные указатели на другие
объекты.
Следует отдельно упомянуть системный объект, называемый
"машинный индекс", внутреннюю структуру которого составляет двоичное
дерево. Такие объекты составляют основу всех системных таблиц и
каталогов микроядра и ОС, а также входят в состав объектов встроенной
реляционной базы данных (DB2 for AS/400). Именно это обстоятельство
позволяет нам утверждать, что система управления базой данных в AS/400
глубоко интегрирована в систему: она использует те же средства, что и ОС
и даже микроядро.
Системный указатель, адресующий объект, может быть
"разрешенным" (resolved) или "неразрешенным" (unresolved).
Неразрешенный системный указатель содержит символьную
идентификацию объекта. Разрешенный системный указатель
представляет собой 16-байтную структуру данных, в состав которой
входит прямой адрес объекта в пространстве одноуровневой памяти.
Оперировать с объектами можно только, используя разрешенный
системный указатель. Для доступа к объекту системный указатель должен
быть разрешен, что обеспечивается командой MI RESOLVE, схема
действия которой показана на рисунке 11.3. Эта инструкция преобразует
символьный указатель в разрешенную форму. Выполнение разрешения
включает в себя:
• поиск объекта по имени;
• проверка соответствия типа запрашиваемого доступа типу
объекта;
• проверка (по пользовательскому профилю) прав доступа данного
пользователя к данному объекту;
• проверка захвата объекта другим процессом.
214
Рисунок 11.3 Разрешение системного указателя
11.3. Управление памятью
Одноуровневая модель памяти AS/400 описана в разделе 3.8 части I.
Все управление памятью расположено ниже уровня MI и обеспечивается
не ОС, а "виртуальным оборудованием" – микроядром SLIC. Механизмы,
одноуровневой модели памяти, таким образом, реализуются на аппаратном
и самом низком программном уровне и являются прозрачными не только
для процессов пользователей, но и для ОС. Интерфейс же управления
памятью (или то, что ему здесь соответствует) используется одинаковым
образом и процессами пользователей, и OS/400. Виртуальная память
выделяется сегментами (в старых моделях размер сегмента составлял 64
Кбайт, в новых – 16 Мбайт). Любой объект занимает целое число
сегментов. Запрос на выделение памяти приводит к созданию нового
объекта "область данных". Для совместимости с другими ОС в последних
версиях системы добавлена возможность выделения для процесса
отдельного частного адресного пространства размером до 1 Тбайт. Всего
возможно создавать до миллиона терабайтных адресных пространств.
Некоторые аппаратные средства процессора PowerPC поддерживают
защиту памяти в одноуровневой модели. Во-первых, дескриптор страницы,
как и во многих других процессорах, содержит бит защиты от записи и бит
пользователь/система. Эти биты защищают страницы, занятые
215
системными объектами. Еще один механизм аппаратной защиты включен
в процессор Power PC специально для AS/400. В системе различаются
несколько типов указателей, из которых для нас представляют интерес
прежде всего "системные указатели" и "указатели памяти". Последние
являются указателями в привычном для нас смысле, они могут
модифицироваться, например, операциями адресной арифметики, но
только в пределах установленного диапазона для объекта "область
памяти". Системные указатели представляют адреса объектов. Их создание
и работа с ними возможны только специальными командами MI. Процесс
не должен модифицировать системные указатели, но если системные
указатели расположены в области данных, то они не застрахованы от
модификации их процессом. Механизм ярлыков контролирует
модификацию системных указателей. Ярлыком (tag) является
дополнительный бит, связанный с каждым машинным словом и
индицирующий модификацию этого слова. В качестве ярлыка
используется один из битов корректирующего кода для каждого 64-
разрядного слова. Доработки, внесенные в процессор Power PC для
адаптации его к AS/400, в значительной степени состояли во включении в
систему команд процессора команд, работающих с tag-битом. Эти
команды, однако, недоступны на уровне MI, следовательно, tag-бит для
уровня OS/400 и приложений прозрачен. При корректных (через
инструкции MI) операциях с системным указателем в составе
соответствующих инструкций MI выполняются команды,
устанавливающие tag-биты указателя в 1, любые другие команды
модификации данных сбрасывают tag-биты в 0. При использовании
данных в качестве системных указателей проверяются ярлыки двух 64-
битных слов, составляющих системный указатель, если хотя бы один из
них сброшен, генерируется прерывание-ловушка. Таким образом,
описанный механизм не защищает системные указатель от изменений, но
216
предотвращает неправильное использование системных указателей. При
вытеснении страницы на внешнюю память ярлыки всех слов страницы
группируются в отдельную структуру, которая записывается в заголовок
сектора на дисковой памяти.
11.4. Программы и процессы
Подготовка программ в системе AS/400 также имеет некоторые
интересные особенности, представленные на рисунке 11.4. в несколько
упрощенном виде.
Рисунок 11.4 Подготовка программ в системе AS/400
Компилятор языка высокого уровня (C, PL/1 и т.д.) выполняет
трансляцию исходного текста в промежуточный W-код, общий для всех
блочных языков. Над промежуточным кодом выполняется системно-
независимая оптимизация, а затем программа транслируется в MI-
представление, называемое программным шаблоном. Программный
шаблон является частью объекта "программа" (это объект как MI, так и
OS/400). При запуске программы на выполнение происходит обращение к
217
SLIC. SLIC проверяет наличие в программном объекте кодовой части и,
если таковая отсутствует, выполняет трансляцию шаблона в систему
команд конкретного процессора. Транслятор во внутримашинное
представление, выполняющий также и машинно-зависимую оптимизацию,
входит, таким образом, в состав SLIC. Программные коды сохраняются в
составе программного объекта, и при последующих запусках на той же
вычислительной системе трансляция не выполняется. Поскольку объект
"программа" инкапсулирован, составные части объекта (шаблон и коды)
доступны только через определенные для объекта операции. Для объекта
"программа" не существуют операции "читать" и "писать", что исключает
возможность модификации программного кода, например, вирусом. При
переносе программного объекта в другую вычислительную систему
переносимой частью является программный шаблон. При первом запуске
на новой системе SLIC определяет, что программные коды не
соответствуют новой платформе и перетранслирует шаблон. Поскольку
при такой трансляции выполняется аппаратно-зависимая оптимизация,
внутреннее представление получается максимально эффективным именно
для той модели процессора, на которой оно будет выполняться. Такое
свойство системы позволило ее разработчикам при резкой смене
архитектуры процессора не только сохранить все имеющиеся на текущий
момент приложения, но и обеспечить без дополнительных затрат их
полноценный перевод на 64-разрядную архитектуру. В целях экономии
пространства программный шаблон может быть удален из состава
программного объекта, но это ограничит переносимость программы на
другие платформы.
Схема подготовки программ для AS/400, показанная на рисунке 11.4,
как мы отметили, неполная. На самом деле выходе транслятора-
оптимизатора трансляции получается объект "модуль". Этот объект затем
обрабатывается компоновщиком, также входящим в состав SLIC, и
218
результатом является кодовая часть объекта-программы. В системе
различаются "программы", имеющие единственную входную точку, и
"системные программы", наборы процедур, используемые как библиотеки
статической или динамической компоновки. В языке MI имеется два вида
команд вызова: "вызов процедуры" и "вызов программы". Первый
используется для обращения к модулям, включенным компоновщиком в
состав программного объекта и статически привязанным к программе.
Второй – устанавливает связь с другими модулями динамически, при
выполнении вызова. Проблемы размещения здесь не возникает, поскольку
динамически подключаемые модули, как и все прочие объекты уже
размещены в одноуровневом адресном пространстве. Проблема прав
доступа решается на общесистемном уровне защиты объектов.
Единицей работы в системе является процесс или задача. В системе
различаются четыре состояния задач: "подвешенность" (задача начинается
или завершается), готовность, исполнение, ожидание. Блок контекста
задачи представляется весьма масштабной структурой данной, которая
обрабатывается исключительно микроядром. С каждой задачей связан
Блок диспетчеризации задачи. Блоки диспетчеризации всех задач, готовых
к выполнению, объединены в очередь диспетчеризации задач и
упорядочены в ней по приоритетам. Первый Блок диспетчеризации (или
первые n блоков в n-процессорной конфигурации) относится к активной
(исполняемой) задаче. Приоритеты задач перевычисляются динамически
по оригинальному алгоритму "планировщика с оценкой задержки",
который позволяет оптимизировать загрузку в многопроцессорных
конфигурациях. Допускается, однако, и выполнение задач вне порядка их
приоритетов. Наиболее важной составляющей процесса является так
называемая группа активизации, которая, прежде всего, предоставляет
процессу ресурсы памяти – статическую память, стек, кучу. По умолчанию
процесс имеет две группы активизации – системную и пользовательскую.
219
Понятием более высокого уровня является задание. Задание – единица
работы с точки зрения пользователя, выполняемая одним или несколькими
процессами. Задания выполняются в подсистемах, каждая их которых
представляет собой предопределенную среду, предназначенную для
выполнения в ней однотипных заданий (например, пакетных,
интерактивных и т.д.). Подсистеме выделяется некоторый набор ресурсов,
таким образом, подсистемы полностью изолированы друг от друга.
Интересно рассмотреть, как в AS/400 поддерживается работа с
нитями. Теоретически можно было бы обеспечить выполнение нитей в
составе процесса, выделяя каждой нити свою группу активизации. Однако
такая структура нитей повлекла бы за собой необходимость слишком
серьезных изменений в микроядре. Для обеспечения совместимости со
стандартами разработчики прибегли к паллиативе. Нить представляется в
виде отдельной задачи, которая разделяет с другими задачами-нитями
одну и ту же группу активизации. Для обеспечения требования быстрого
создания нитей в системе при загрузке создается пул "пустых" задач – с
уже выделенными для них блоками контекста и некоторыми наиболее
общими ресурсами. При необходимости запуска задачи-нити из этого пула
выбирается пустая задача и формируются ее индивидуальные ресурсы.
Такое решение нельзя не признать остроумным, однако, сами
разработчики признают его недостаточно эффективным и рассматривают
только как временную меру до реализации поддержки нитей в микроядре.
11.5. Постоянные объекты и ввод-вывод
Взаимодействие между процессами в AS/400 обеспечивается через
очереди сообщений, передачу которых обеспечивает SLIC. Очереди
поддерживаются "классическими" семафорами.
220
Как мы отметили выше, одноуровневая модель памяти замещает
понятие "файл" понятием "постоянный объект". (Собственно "файлами" в
AS/400 называются файлы встроенной СУБД.) Базовая логическая
структура хранения объектов в AS/400 – двухуровневая: объекты
размещаются в библиотеках. Для идентификации объекта следует указать
имя библиотеки, имя объекта и тип объекта (объекты разного типа могут
иметь одинаковые имена). Единственная системная библиотека – QSYS –
может включать в себя другие библиотеки. Для обеспечения функций
продукта Office Vision в AS/400 был включен тип объекта "папка" –
контейнерный объект с неограниченным уровнем вложенности. Этот
объект послужил также основой продукта PC Support/400,
обеспечивающего хранение в AS/400 файлов ПЭВМ, работающих под
управлением MS DOS или OS/2. В дальнейшем для обеспечения полного
набора клиент/серверных возможностей с широким разнообразием типов
клиентов был создан новый продукт – Client Access/400 и
Интегрированная файловая система IFS (Integrated file system). IFS
позволяет представить структуру хранения всех объектов в AS/400 в виде
иерархической файловой системы клиента (MS DOS, OS/2, Windows, Unix,
Nowell, NFS и т.д.). При этом подкаталоги верхнего уровня соответствуют
различным файловым системам клиентов. В основе IFS лежит базовая
двухуровневая система хранения, которая является подмножеством любой
иерархической файловой системы, верхние уровни над ней строятся при
помощи объектов-папок.
Неотъемлемой частью архитектуры AS/400 являются процессоры
ввода-вывода. Взаимодействие приложения с процессором ввода-вывода
происходит через механизм обмена сообщениями, поддерживаемый SLIC.
Данные могут передаваться как в составе сообщения, так и выбираться
процессором ввода-вывода непосредственно из оперативной памяти.
Сообщение – запрос ввода-вывода проходит через ряд последовательных