Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 3.3] ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 241

системы под названием Linux, увековечив в этом

слове свое имя, и призвал всех желающих принять

участие в доводке свободно распространяемой

системы до конкурентоспособного состояния. На

его призыв откликнулись множество доброволь-

цев, эта огромная армия программистов, работаю-

щая через интернет, быстро вывела Linux на пере-

довые позиции. В списке участников разработки

ядра Linux 440 имен – но это только часть общего

списка. Они пишут 50 тыс. строк нового или мо-

дифицированного кода в месяц. И это только ядро

– библиотеками, утилитами и приложениями зани-

маются другие команды. После того как ведущие

производители прикладного программного обеспе-

чения – IBM, Oracle, SAP и др. – признали новичка и объявили о выпус-

ке соответствующих версий своих программ, доля Linux на рынке кор-

поративных серверных ОС стала быстро расти, достигнув к 2000 году

27%. А по Web-серверам эта доля, по некоторым оценкам, приближает-

ся к 50%.

Современные версии Linux позволяют обеспечить стабильное

функционирование широкого круга компьютерных систем – от пере-

носных и настольных компьютеров до серверов масштаба крупного

предприятия и некоторых видов суперкомпьютеров. Во многих случаях

они стали реальной альтернативой как системам семейства Microsoft

Windows, так и коммерческим ОС Unix.

Хотя Linux можно получить бесплатно, на этой операционной сис-

теме можно делать большие деньги. Ряд компаний производит свобод-

ные версии (дистрибутивы) Linux для использования на различных ви-

дах компьютеров и предлагает коммерческую поддержку их пользова-

телям. Наиболее известные из таких компаний – американская Red Hat

(Красная Шапочка) и немецкая SuSE. А лидеры компьютеростроения

IBM и HP, устанавливая Linux в производимые серверы, заработали в

2002 году на «бесплатной» ОС 3,5 млрд долларов доходов.

По оценке экспертов, скорость распространения Linux будет сохра-

няться не один год, к 2006–2008 годам она вполне может стать самой

популярной серверной ОС. В печати то и дело появляются сообщения о

проектах перехода на Linux целых корпораций, городов и даже стран,

озабоченных зависимостью от корпорации Microsoft. Похоже, в бли-

Линус Торвальдс

(р. 1971)

242 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

жайшие годы мы станем свидетелями очередной войны операционных

систем, подобной той, которая разыгралась между OS/2 и Windows в

начале 1990-х годов, только в значительно более крупных масштабах.

При этом война может перекинуться с серверных платформ на рабочие

станции, свидетельством этому является появление в 2002 году дистри-

бутива Linux под названием Lindows 3.0, само название которого гово-

рит о притязаниях на рынок потребительских ОС.

В нашем обзоре мы коснулись двух основ-

ных классов операционных систем – пакет-

ных и с разделением времени. Однако суще-

ствует еще один важный класс –

системы реального времени. По сво-

ему устройству и назначению они похожи на системы с разделением

времени, так как занимаются одновременным обслуживанием несколь-

ких приложений, однако имеют одну принципиально важную особен-

ность – гарантированное время отклика на запросы приложений. В

обычной многозадачной ОС пользователь, сидящий за экраном дисплея

и нажавший на нужную клавишу, может подождать долю секунды, пока

предыдущее приложение не отработает свой квант времени. Если же

компьютер управляет быстропротекающим технологическим процес-

сом, где доля секунды может оказаться решающей, такое промедление

недопустимо.

Системы реального времени начали создаваться еще в 60-е годы,

когда большие и мини-ЭВМ стали встраиваться в автоматизированные

системы противовоздушной и противоракетной обороны, а также в сис-

темы управления технологическими процессами.

После появления микропроцессоров роль таких систем стала неук-

лонно повышаться, так как микропроцессорные системы проникли бук-

вально во все сферы человеческой деятельности – от бытовой электро-

ники до космических кораблей. Требования к времени отклика в неко-

торых программно-аппаратных комплексах, например устройствах па-

кетной коммутации в компьютерных сетях, о которых мы будем гово-

рить в следующей главе, чрезвычайно велики, допустимая задержка

может измеряться микросекундами. Кроме того, промышленные ОС

реального времени должны иметь очень высокую надежность, способ-

ность самовосстанавливаться после сбоев и т.д. Современные ОС этого

класса, как правило, представляют собой некоторые версии Unix, дора-

ботанные в соответствии со спецификой реального времени; для повы-

Замечание об ОС

реального времени

§ 3.4] СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ 243

шения надежности ядро системы вместе с критическими приложениями

часто размещается в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).

Программирование задач для систем реального времени имеет ряд

особенностей, для этого используются специфические языки и системы

программирования, например Ада.

§ 3.4. Системы управления базами данных

Понятия база данных – БД (database – DB) и СУБД

(Database Management System – DBMS) появились в

компьютерном мире в середине 1960-х годов, когда

ЭВМ начали активно использоваться в управлении и

программисты стали переходить от решения отдельных задач к ком-

плексной автоматизации управления, увязывая все задачи в единое це-

лое общей целью.

Раньше приходилось вводить и выводить одни и те же данные по

многу раз. Например, при управлении предприятием персональные све-

дения используются в задачах кадрового учета, начисления зарплаты,

оперативного планирования и т.д. Естественно ввести эти данные один

раз, создав базу данных, и предоставив всем прикладным программам

право черпать необходимые сведения из этой базы.

Преимущества нового подхода:

• однократный ввод данных, что приводит к резкому сокращению

затрат труда;

• независимость программ от данных, что дает возможность неза-

висимо менять те и другие. Допустим, в базе персональных

данных появилось поле «гражданство» и исчезла графа «нацио-

нальность». Раньше пришлось бы переписывать все прикладные

программы под новую структуру данных, при наличии СУБД

этого делать не нужно, изменятся только программы, непосред-

ственно работающие с этими полями;

• сокращение затрат на программирование. Поскольку многие

операции с данными являются стандартными (ввод, контроль,

поиск, защита и т.д.), то вместо того, чтобы программировать их

каждый раз, всю работу с данными выносят в одну большую и

сложную программу – СУБД.

Предпосылки

появления

БД и СУБД

244 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

Хорошая СУБД должна обеспечить выполнение ря-

да базовых функций.

Описание логической структуры базы данных. Для описания

данных в любой СУБД имеется специальный язык описания данных –

ЯОД (Data Description Language – DDL). При этом описание данных

возможно с двух точек зрения:

• с точки зрения администратора базы данных, владеющего всей

информацией о всех данных, хранящихся в системе. Это описа-

ние называется схемой БД;

• с точки зрения некоторой конкретной задачи, решаемой над

СУБД и нуждающейся только в части данных. Такое описание

называется подсхемой БД.

Манипулирование данными, то есть выполнение всех операций

с данными – ввод, проверка правильности, выборка, составление отче-

тов. Для описания операций с данными в СУБД имеется язык манипу-

лирования данными

– ЯМД (Data Manipulating Language – DML).

Этот язык может быть реализован в двух вариантах:

• в виде расширения базового языка программирования (Кобола,

Паскаля, Си) набором библиотечных функций;

• в виде самостоятельного ЯМД, который в этом случае называ-

ется языком запросов.

Программа

СУБД

База данных

Наборы данных

Программа

. . .

Взаимодействие программ с данными при независимой работе

и при использовании СУБД

Функции СУБД

§ 3.4] СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ 245

Обеспечение целостности БД (database integrity). Целостность (не-

противоречивость) данных – это способность данных правильно отра-

жать объект. Нарушения целостности могут быть из-за ошибок челове-

ка (например, где-то сменили название объекта, а где-то забыли) или

из-за машинных сбоев. Обеспечение целостности данных дается доро-

гой ценой. В частности, для защиты от машинных сбоев в хороших

СУБД ведутся журналы учета всех обращений, по которым можно вос-

становить данные при авариях.

Обеспечение многопользовательского доступа (multiuser access).

Иногда с одной БД одновременно работают сотни и тысячи пользовате-

лей, например, в системах резервирования билетов, крупных банках.

СУБД должна навести порядок в многочисленных обращениях, обеспе-

чить в этих тяжелых условиях сохранение целостности БД.

Защита данных от несанкционированного доступа. Могут защи-

щаться отдельные поля, записи, блоки данных, для чего используются

разнообразные ключи, пароли, шифры и т.п.

Из сказанного ясно, что СУБД представляет со-

бой чрезвычайно сложную программную систе-

му, сравнимую по сложности с ОС или даже пре-

вышающую ее. Разработка новой крупной СУБД

– событие, а новой концепции – эпохальное событие, при этом СУБД

относятся к долгоживущим продуктам, время их жизни около 15 лет.

Несмотря на кажущееся разнообразие, основных типов (архитек-

турных концепций) всего три: иерархическая, сетевая и реляционная.

Иерархические СУБД появились раньше других, они основаны на

простейшей структуре данных в виде дерева, в котором каждый дочер-

ний элемент данных имеет

только одного родителя.

Первая крупная иерархиче-

ская СУБД под названием

IMS – Information Manage-

ment System – была создана

фирмой IBM для системы

IBM 360 в 1968 году в рамках

проекта полета человека на

Луну «Аполлон», за долгие

годы эксплуатации она с

лихвой окупила вложенные в ее разработку громадные деньги.

Основные типы

и история

развития СУБД

Университет

Факультет

информатики

Физический

факультет

Группа

1401

Группа

1402

Иванов Петров Сидоров

Иерархическая модель данных

246 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

Сетевые СУБД, в отличие от иерархических, сначала были сконст-

руированы на бумаге. Рабочая группа по языкам обработки данных

CODASYL (та самая, кото-

рая в 1960 году предложила

Кобол) с 1965 года работала

над теоретическим проек-

том СУБД, основанном на

более гибкой сетевой моде-

ли данных, в которой до-

черний элемент может

иметь более одного родите-

ля. Предложения CODASYL

были опубликованы в

1971 году, затем появились

промышленные реализации,

например Integrated Database Management System – IDMS фирмы

Cullinet Software, Inc. или Adabas фирмы Software AG.

Реляционные СУБД опираются на еще более прочный теоретиче-

ский фундамент. В их основе лежит простое и интуитивно понятное

представление сложной схемы данных в виде совокупности плоских

таблиц, каждая из которых отображает отношение (relation) между объ-

ектами.

Реляционная модель данных была предложена в 1970 году сотруд-

ником IBM Эдгаром Коддом (Codd, Edgar F.; р. 1923), в настоящее вре-

мя она считается классической. Для описания реляционного подхода

используется простой и в то же время мощный математический аппа-

рат, опирающийся на теорию множеств и математическую логику. В

частности, строго доказано, что любую операцию над данными можно

разложить на последовательность простейших манипуляций над табли-

Университет

Факультет

информатики

Клуб

туристов

Группа

1401

Иванов

Петров

Сидоров

Сетевая модель данных

Иванов 1401

Петров 1401

Сидоров 1401

Трофимов 1402

...

Фамилия Группа

1401 Информатики Сидоров

1402 Информатики Михайлов

501 Физический Самойлов

...

Группа Факультет Староста

ГРУППЫ

Клуб Член клуба

Туристов Сидоров

Туристов Пяткин

Водников Ломакин

...

КЛУБЫСТУДЕНТЫ

Реляционная модель данных

§ 3.4] СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ 247

цами (выборка строк, выборка столбцов,

слияние таблиц, агрегирование строк).

Для описания этих манипуляций Дональд

Чемберлен (Chamberlin, Donald) и Рэй

Бойс (Boyce, Ray) в 1974 году предложили

язык запросов SEQUEL, который впо-

следствии был доработан и переименован

в SQL – Structured Query Language.

Несмотря на теоретическую прорабо-

танность, реляционные системы далеко не

сразу получили широкое распростране-

ние, долгое время считалось невозмож-

ным добиться эффективной реализации

таких систем. Первое масштабное вопло-

щение реляционной модели удалась все той же IBM в эксперименталь-

ной СУБД System R, разрабатываемой в 1975–1979 годах. Это был ги-

гантский успех, реляционные СУБД стали

реальностью. После успешного завершения

работ по созданию прототипа системы и

получения экспериментальных результатов

ее использования фирмой IBM был запущен

полномасштабный проект промышленной

реляционной СУБД. В 1983 году система,

получившая название DB2, поступила в

продажу, с тех пор в течение многих лет она

успешно функционирует на всех фирмен-

ных аппаратных платформах: S/390, AS/400,

PowerPC, есть реализация и для платформы

Wintel.

Проект System R, опубликованный Чемберленом с соавторами в но-

ябре 1976 года в журнале «IBM Journal of Research and Development»,

вдохновил сразу несколько групп разработчиков. Одна из них, возглав-

ляемая Ларри Эллисоном (Ellison, Lawrence; р. 1944), решила создать

собственную фирму для создания реляционной СУБД, характерными

чертами которой были бы переносимость на разные платформы и со-

вместимость с языком SQL. Фирму назвали Relation Software

Incorporated, а систему – Oracle. Версия 2 (первая в продажу не постав-

лялась) была создана в 1979 году для ЭВМ PDP-11, впоследствии сис-

тема постоянно совершенствовалась и адаптировалась для различных

Автор реляционной

модели данных Эдгар Кодд

(р. 1923)

Автор языка SQL

Дон Чемберлен

248 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

платформ, в 90-е годы она заняла лидирующее положение на рынке ре-

ляционных СУБД. Фирма, переименованная в Oracle, к концу века пре-

вратилась в одну из крупнейших софтверных компаний мира, а ее пре-

зидент Ларри Эллисон в 2002 году занял 4-е место в списке богатейших

людей планеты (состояние 21,9 млрд долларов).

Постепенное накопление опыта организации реляционных баз дан-

ных и управления ими привели к тому, что уже в середине 80-х годов

реляционные системы практически вытеснили с мирового рынка ран-

ние иерархические и сетевые СУБД. Вслед за IBM и Oracle на рынок

вышли фирмы Informix (в 2001 году куплена IBM), SyBase, Ingres, раз-

работавшие одноименные системы и зарабатывающие на них громад-

ные деньги. Не упустила своего шанса и Microsoft, предложившая реля-

ционную СУБД под названием MS SQL Server. Промышленные СУБД

способны обрабатывать реляционные таблицы с миллионами строк, они

являются весьма дорогостоящими продуктами, масштаб цен измеряется

десятками и сотнями тысяч долларов. Объем рынка промышленных

СУБД составил в 2002 году около 10 млрд долларов, причем более 80%

его занимают три системы – Oracle, IBM DB2, MS SQL Server.

Полномасштабные СУБД требуют для своей

работы большие компьютерные мощности, по-

этому они, как правило, устанавливаются на

серверах и обслуживают сразу целые предприятия или их подразделе-

ния. Когда появились персональные компьютеры, возник соблазн реа-

лизовать на них СУБД, но ресурсов явно не хватало. Тогда на рынке

появились мини-СУБД типа dBASE, о которой мы будем говорить да-

Штаб-квартира компании Oracle

в Силиконовой долине

Замечание о

настольных СУБД

§ 3.5] ПАКЕТЫ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ 249

лее. По своей сути они являлись поделками, способными по упрощен-

ным процедурам манипулировать таблицами с сотней-другой строк.

Однако со временем персональные компьютеры стали мощнее, на рын-

ке стали пользоваться спросом дешевые настольные системы типа

Microsoft Access или Borland Paradox, позволяющие создавать личные

базы данных небольшого размера. Система MS Access, в частности,

входит в профессиональную версию популярного офисного набора про-

грамм MS Office.

§ 3.5. Пакеты прикладных программ для

персональных компьютеров

Итак, в конце 70-х годов произошла микропро-

цессорная революция. Вместо баснословно до-

рогих и громоздких вычислительных систем

стали продаваться по доступным ценам ком-

пактные персональные компьютеры практически с теми же возможно-

стями. В результате на них стали решать не только научные задачи, но

и заниматься такими несерьезными делами, как печатание документов

или рисование картинок.

На рынок хлынули пакеты прикладных программ (ППП). Раньше

типовых программ были десятки – ОС, СУБД, компиляторы, сейчас –

тысячи, но разница эта не только количественная, она носит принципи-

альный характер. Дело в том, что ППП в 80-е годы превратились в мас-

совый продукт потребительского спроса. Они рассчитаны не на про-

фессионалов, а на рядовых клерков, школьников, домохозяек. Поэтому

в них важны не только и не столько качество самих алгоритмов, сколь-

ко простота, удобный интерфейс, красивое название, яркая упаковка,

привлекательная реклама. Короче говоря, программы превратились в

товар, коммерческий успех на этом рынке обеспечен не столько талант-

ливым программистам, сколько умелым предпринимателям.

Иногда качества программиста и бизнесмена удачно сочетаются в

одном человеке; классические примеры – основатель Microsoft Билл

Гейтс, ставший в конце века самым богатым человеком на планете с

личным состоянием более 50 млрд долларов, или глава Oracle Ларри

Эллисон, о котором мы только что говорили. Однако чаще всего успеха

добивались фирмы, образованные парами программист – коммерсант. В

Программы

как товар

массового спроса

250 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

романтическое время конца 70-х – начала 80-х годов в одночасье рож-

дались и расцветали программистские компании, сделавшие себе имя и

состояние на одном удачном пакете, наиболее яркие примеры мы рас-

смотрим чуть позже.

Классификация ППП для персональных компьютеров весьма за-

труднительна, слишком разнообразен выбор предлагаемых товаров. В

каталогах обычно выделяют 10–20 классов прикладных программ об-

щего назначения. В нашем кратком обзоре мы рассмотрим историю

создания и логику развития наиболее популярных пакетов: программы

обработки текстов, электронные таблицы, настольные СУБД, интегри-

рованные системы.

Попытки применить ЭВМ для обработки текстов были

задолго до появления персональных компьютеров. Мы

уже говорили о сенсационной демонстрации Дугласа

Энгельбарта в 1968 году, когда он показывал возможности изобретен-

ной им мыши на примере редактирования текста. В начале 70-х годов,

когда большое распространение получили мини-ЭВМ, целые компании,

например Wang, специализировались на производстве компьютеров и

программ, специально предназначенных для ведения делопроизводства

в крупных офисах. Однако это были узкопрофессиональные системы,

не предназначенные для широкой публики, массовое распространение

системы обработки текстов получили только после появления персо-

нальных компьютеров.

«Электрический карандаш» Шрейера. Идея превратить ПК в

электронную пишущую машинку реализовалась сразу же после выпус-

ка первых «Альтаиров». В 1975 году кинорежиссер из Нью-Йорка

Майкл Шрейер (Shrayer, Michael) уехал в Калифорнию, купил «Альта-

ир», подключил к нему телевизор и клавиатуру и написал простой тек-

стовый редактор под названием «Электрический карандаш». Впослед-

ствии аналогичную программу он написал и для других компьютеров,

всего им было сделано 78 вариантов редактора. Шрейер пытался прода-

вать свой пакет, но вскоре ему это надоело, так как в душе он был про-

граммистом, а не бизнесменом.

WordStar. В 1978 году за разработку текстового редактора взялся

Сеймур Рубенштейн (Rubenstein, Seymour), руководивший отделом

продаж в фирме IMSAI, которая производила компьютеры, очень по-

хожие на Altair. Он подошел к делу по-новому. Прежде чем создавать

Обработка

текстов