Операционные системы. Процессы и потоки

Термин System Software (системное программное обеспечение) означает программы и комплексы программ, являющиеся общими для всех, кто совместно использует технические средства компьютера, и применяемые как для автоматизации разработки (создания) новых программ, так и для организации выполнения программ уже существующих. С этой точки зрения программное обеспечение может быть разделено на следующие пять групп:

1 Операционные системы (ОС).

2 Системы управления файлами (СУФ).

3 Интерфейсные оболочки для взаимодействия пользователя с ОС и программные среды.

4 Системы программирования.

5 Утилиты.

1. Под операционной системой (ОС) обычно понимают комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой - предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надёжных вычислений. Любой из компонентов прикладного программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС.

Видно, что ни один из компонентов программного обеспечения, за исключением самой ОС, не имеет непосредственного доступа к аппаратуре компьютера. Даже пользователи взаимодействуют со своими программами через интерфейс ОС. Любые их команды, прежде чем попасть в прикладную программу, сначала проходят через ОС.

Основными функциями, которые выполняют ОС, являются следующие:

♦ приём от пользователя (или от оператора системы) заданий или команд, сформулированных на соответствующем языке - в виде директив (команд) оператора или в виде указаний (своеобразных команд) с помощью соответствующего манипулятора (например, с помощью «мыши»), - и их обработка;

♦ приём исполнение программных запросов на запуск, приостановку, остановку других программ;

♦ загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ;

♦ инициация программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу);

♦ идентификация всех программ и данных;

♦ обеспечение работы систем управления файлами (СУФ) и/или системы управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего программного обеспечения;

♦ обеспечение режима мультипрограммирования, то есть выполнения двух или более программ на одном процессоре, создающее видимость их одновременного исполнения;

♦ обеспечение функций по организации и управлению всеми операциями ввода/вывода;

♦ удовлетворение жёстким ограничениям на время ответа в режиме реального

времени (характерно для соответствующих ОС);

♦ распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация

виртуальной памяти;

♦ планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стратегией и дисциплинами обслуживания;

♦ организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами;

♦ защита одной программы от влияния другой; обеспечение сохранности данных;

♦ предоставление услуг на случай частичного сбоя системы;

♦ обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы.

2 Назначение системы управления файлами - организация более удобного доступа к данным, организованным как файлы. Именно благодаря системе управления файлами вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нём. Как правило, все современные ОС имеют соответствующие системы управления файлами. Однако выделение этого вида системного программного обеспечения в отдельную категорию представляется целесообразным, поскольку ряд ОС позволяет работать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно). В этом случае говорят о монтируемых файловых системах (дополнительную систему управления файлами можно установить), и в этом смысле они самостоятельны. термин операционная среда означает соответствующий интерфейс, необходимый программам для обращения к ОС с целью получить определённый сервис (обслуживание, выполнение соответствующего запроса) - выполнить операцию ввода/вывода, получить или освободить участок памяти и т. д.

3 Система программирования представлена такими компонентами, как транслятор с соответствующего языка, библиотеки подпрограмм, редакторы, компоновщики и отладчики. Не бывает самостоятельных (оторванных от ОС) систем программирования.

Под утилитами понимают специальные системные программы, с помощью которых можно как обслуживать саму операционную систему, так и подготавливать для работы носители данных, выполнять перекодирование данных, осуществлять оптимизацию размещения данных на носителе и производить некоторые другие работы, связанные с обслуживанием вычислительной системы.

Понятия вычислительного процесса и Ресурса

Понятие «вычислительный процесс» (или просто - «процесс») является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Последовательный процесс (иногда называемый «задачей») - это выполнение отдельной программы с её данными на последовательном процессоре. Концептуально процессор рассматривается в двух аспектах: во-первых, он является носителем данных и, во-вторых, он (одновременно) выполняет операции, связанные с их обработкой.

Процессами могут быть редактирование какого-либо текста, трансляция исходной программы, её компоновка, исполнение. Определение концепции процесса преследует цель выработать механизмы распределения и управления ресурсами. Понятие ресурса, так же как и понятие процесса, является, пожалуй, основным при рассмотрении операционных систем.

Термин ресурс обычно применяется по отношению к повторно используемым, относительно стабильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности. Другими словами, ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы.

Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов могут их использовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (в течение некоторого интервала времени процессы используют ресурс попеременно), а могут быть и неделимыми. (рис.)

Рисунок 1.1

В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного завершения предыдущей. Поскольку эти первые вычислительные системы были построены в соответствии с принципами, изложенными в известной работе Яноша Джон фон Неймана, все подсистемы и устройства компьютера управлялись исключительно центральным процессором. Центральный процессор осуществлял и выполнение вычислений, и управление операциями ввода/вывода данных. Соответственно, пока осуществлялся обмен данными между

оперативной памятью и внешними устройствами, процессор не мог выполнять вычисления. Введение в состав вычислительной машины специальных контроллеров позволило совместить во времени (распараллелить) операции вывода полученных данных и последующие вычисления на центральном процессоре. Однако все равно процессор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь завершения очередной операции ввода/вывода. Поэтому было предложено организовать так называемый мультипрограммный (мультизадачный) режим работы вычислительной системы. Суть его заключается в том, что пока одна программа (один вычислительный процесс или задача, как мы теперь говорим) ожидает завершения очередной операции ввода/вывода, другая программа (а точнее, другая задача) может быть поставлена на решение (рис. 1.2). Из рис. 1.2, на котором в качестве примера изображена такая гипотетическая

ситуация, видно, что благодаря совмещению во времени выполнения двух программ общее время выполнения двух задач получается меньше, чем если бы мы выполняли их по очереди (запуск одной только после полного завершения другой). Из этого же рисунка видно, что время выполнения каждой задачи в общем случае становится больше, чем если бы мы выполняли каждую из них как единственную.

При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем если бы он выполнялся в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счёт дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса).

Рис. 1.2. Пример выполнения двух программ: а - однопрограммный режим; б - мультипрограммный режим Как мы уже отмечали, операционная система поддерживает мультипрограммирование (многопроцессность) и старается эффективно использовать ресурсы путём организации к ним очередей запросов, составляемых тем или иным способом. Это требование достигается поддерживанием в памяти более одного процесса, ожидающего процессор, и более одного процесса, готового использовать другие ресурсы, как только последние станут доступными. Общая схема выделения ресурсов происходит в режиме супервизора — привилегированный режим работы процессора, как правило, используемый для выполнения ядра операционной системы. В данном режиме работы процессора доступны привилегированные операции, как то операции ввода-вывода к периферийным устройствам, изменение параметров защиты памяти, настроек виртуальной памяти, системных параметров и прочих параметров конфигурации. Как правило, в режиме супервизора или вообще не действуют ограничения защиты памяти или же они могут быть произвольным образом изменены, поэтому код, работающий в данном режиме, как правило, имеет полный доступ ко всем системным ресурсам (адресное пространство, регистры конфигурации процессора и т. п.). Во многих типах процессоров это наиболее привилегированный режим из всех доступных режимов.

Известно одно исключение из данного правила: у некоторых современных процессоров может присутствовать ещё более привилегированный режим гипервизора, как правило, используемый с целью виртуализации то есть обеспечения параллельной работы сразу нескольких операционных систем на одном процессоре. В этом случае настройки, сделанные из режима гипервизора могут вносить некоторые ограничения на прямой доступ к системным ресурсам и периферии из режима супервизора с целью предоставить гипервизору возможность арбитража и разграничения доступа к системным ресурсам и периферии незаметно для работающих параллельно операционных систем.

При необходимости использовать какой-либо ресурс (оперативную память, устройство ввода/вывода, массив данных и т. п.) задача обращается к супервизору операционной системы - её центральному управляющему модулю, который может состоять из нескольких модулей, например: супервизор ввода/вывода, супервизор прерываний, супервизор программ, диспетчер задач и т. д. - посредством специальных вызовов (команд, директив) и сообщает о своём требовании. При этом указывается вид ресурса и, если надо, его объём (например, количество адресуемых ячеек оперативной памяти, количество дорожек или секторов на системном диске, устройство печати и объём выводимых данных и т. п.). Директива обращения к операционной системе передаёт ей управление, переводя процессор в привилегированный режим работы, если такой существует. Не все вычислительные комплексы имеют два (и более) режима работы: привилегированный (режим супервизора), пользовательский, режим эмуляции какого-нибудь другого компьютера и т. д.

Ресурс может быть выделен задаче, обратившейся к супервизору с соответствующим запросом, если: он свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому же ресурсу; текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использование ресурсов; ресурс используется задачей низшего приоритета и может быть временно отобран (разделяемый ресурс).

Получив запрос, операционная система либо удовлетворяет его и возвращает управление задаче, выдавшей данный запрос, либо, если ресурс занят, ставит задачу в очередь к ресурсу, переводя её в состояние ожидания (блокируя). очередь к ресурсу может быть организована несколькими способами, но чаще всего это осуществляется с помощью списковой структуры.

Если обобщать и рассматривать не только обычные ОС общего назначения, но и, например, ОС реального времени, то можно сказать, что процесс может находиться в активном и пассивном (не активном) состоянии. В активном состоянии процесс может участвовать в конкуренции за использование ресурсов вычислительной системы, а в пассивном - он только известен системе, но в конкуренции не участвует (хотя его существование в системе и сопряжено с предоставлением ему оперативной и/или внешней памяти). В свою очередь, активный процесс может быть в одном из следующих состояний:

♦ выполнения - все затребованные процессом ресурсы выделены. В этом состоянии в каждый момент времени может находиться только один процесс, если речь идёт об однопроцессорной вычислительной системе;

♦ готовности к выполнению - ресурсы могут быть предоставлены, тогда процесс перейдёт в состояние выполнения;

♦ блокирования или ожидания - затребованные ресурсы не могут быть предоставлены, или не завершена операция ввода/вывода.

В большинстве операционных систем последнее состояние, в свою очередь, подразделяется на множество состояний ожидания, соответствующих определенному виду ресурса, из-за отсутствия которого процесс переходит в заблокированное состояние.

Для того чтобы операционная система могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится специальная

информационная структура, называемая дескриптором процесса (описателем задачи, блоком управления задачей). В общем случае дескриптор процесса содержит следующую информацию: ♦идентификатор процесса (так называемый PID - process identificator);

♦тип (или класс) процесса, который определяет для супервизора некоторые правила предоставления ресурсов;

♦приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ресурсы. В рамках одного класса процессов в первую очередь обслуживаются более приоритетные процессы;

переменную состояния, которая определяет, в каком состоянии находится процесс (готов к работе, в состоянии выполнения, ожидание устройства ввода/вывода и т. д.);

защищённую область памяти (или адрес такой зоны), в которой хранятся текущие значения регистров процессора, если процесс прерывается, не закончив работы. Эта информация называется контекстом задачи;

♦информацию о ресурсах, которыми процесс владеет и/или имеет право пользоваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных операциях ввода/вывода и т. п.); место (или его адрес) для организации общения с другими процессами;

параметры времени запуска (момент времени, когда процесс должен активизироваться, и периодичность этой процедуры);

в случае отсутствия системы управления файлами - адрес задачи на диске в её исходном состоянии и адрес на диске, куда она выгружается из оперативной памяти, если её вытесняет другая (для диск-резидентных задач, которые постоянно находятся во внешней памяти на системном магнитном диске и загружаются в оперативную память только на время выполнения).

Процессы и треды

Понятие процесса было введено для реализации идей мультипрограммирования. Напомним, в свое время различали термины «мультизадачность» и «мультипрограммирование». Таким образом, для реализации «мультизадачности» в её исходном толковании необходимо было тоже ввести соответствующую сущность. Такой сущностью и стали так называемые «легковесные» процессы, или, как их теперь преимущественно называют, - потоки или треды (нити). Рассмотрим эти понятия подробнее.

Когда говорят о процессах (process), то тем самым хотят отметить, что операционная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы - файлы, окна, семафоры и т. д. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы вычислительной системы, конкурируют друг с другом. В общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принадлежать даже разным

пользователям, разделяющим одну вычислительную систему. Другими словами, в случае процессов ОС считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно ОС берет на себя роль арбитра в конкуренции между процессами по поводу ресурсов.

Однако желательно иметь ещё и возможность задействовать внутренний параллелизм, который может быть в самих процессах. Такой внутренний параллелизм встречается достаточно часто и его использование позволяет ускорить их решение. Потребность в потоках (threads) возникла ещё на однопроцессорных вычислительных системах, поскольку они позволяют организовать вычисления более эффективно. Для использования достоинств многопроцессорных систем с общей памятью треды уже просто необходимы, так как позволяют не только реально ускорить выполнение тех задач, которые допускают их естественное распараллеливание, но и загрузить процессорные элементы работой, чтобы они не простаивали. Заметим, однако, что желательно, чтобы можно было уменьшить взаимодействие тредов между собой, ибо ускорение от одновременного выполнения параллельных потоков может быть сведено к минимуму из-за задержек синхронизации и обмена данными.

Каждый тред выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счётчик и стек. Треды, как и процессы, могут порождать треды-потомки, поскольку любой процесс состоит, по крайней мере, из одного треда. Подобно традиционным процессам (то есть процессам, состоящим из одного треда), каждый тред может находится в одном из активных состояний. Пока один тред заблокирован (или просто находится в очереди готовых к исполнению задач), другой тред того же процесса может выполняться. Треды разделяют процессорное время так же, как это делают обычные процессы, в соответствии с различными вариантами диспетчеризации. Как мы уже знаем, все треды имеют одно и то же виртуальное адресное пространство своего процесса. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый тред может иметь доступ к каждому виртуальному адресу, один тред может использовать стек другого треда. Между потоками нет полной защиты, так как это, во- первых, невозможно, а во-вторых, не нужно. Все потоки одного процесса всегда решают общую задачу одного пользователя, и механизм потоков используется здесь для более быстрого решения задачи путем её распараллеливания. При этом программисту очень важно получить в свое распоряжение удобные средства организации взаимодействия частей одной программы. Повторим, что кроме разделения адресного пространства, все треды разделяют также набор открытых файлов, используют общие устройства, выделенные процессу, имеют одни и те же наборы сигналов, семафоры и т. п. А что у тредов будет их собственным? Собственными являются программный счетчик, стек, рабочие регистры процессора, потоки-потомки, состояние.

Потоки хорошо работают, когда они независимы. Но они начинают работать непродуктивно, если вынуждены часто синхронизироваться для доступа к общим ресурсам. Блокировка и критические секции отнюдь не увеличивают скорость работы системы, хотя без использования этих механизмов взаимодействующие вычисления организовывать нельзя.

Не возлагайте на поток несколько функций. Сложные функциональные отношения затрудняют понимание общей структуры приложения, его алгоритм. Чем проще и менее многозначна каждая из рассматриваемых ситуаций, тем больше вероятность, что ошибок удастся избежать.

Независимые и взаимодействующие вычислительные процессы

Основной особенностью мультипрограммных операционных систем является то, что в их среде параллельно развивается несколько (последовательных) вычислительных процессов. С точки зрения внешнего наблюдателя эти последовательные вычислительные процессы, выполняются одновременно, мы будем использовать термин «параллельно». При этом под параллельными понимаются не только процессы, одновременно развивающиеся на различных процессорах, каналах и устройствах ввода/вывода, но и те последовательные процессы, которые разделяют центральный процессор и хотя бы частично перекрываются во времени. Любая мультипрограммная операционная система вместе с параллельно выполняющимися в ней задачами пользователей может быть логически описана как совокупность последовательных процессов, которые, с одной стороны, состязаются за использование ресурсов, переходя из одного состояния в другое, а с другой - действуют почти независимо друг от друга, но образуют систему вследствие установления всевозможного рода связей между ними (путем пересылки сообщений и синхронизирующих сигналов).

Итак, параллельными мы будем называть такие последовательные вычислительные процессы, которые одновременно находятся в каком-либо активном состоянии. Два параллельных процесса могут быть независимыми (independing processes) либо взаимодействующими (cooperating processes).

Независимыми являются процессы, множества переменных которых не пересекаются. Под переменными в этом случае понимают файлы данных, а также области оперативной памяти, сопоставленные определённым в программе и промежуточным переменным. Независимые процессы не влияют на результаты работы друг друга, так как не могут изменить значения переменных другого независимого процесса. Они могут только явиться причиной задержек исполнения других процессов, так как вынуждены разделять ресурсы системы.

Взаимодействующие процессы совместно используют некоторые (общие) переменные, и выполнение одного процесса может повлиять на выполнение другого.

Многие ресурсы вычислительной системы могут совместно использоваться несколькими процессами, но в каждый момент времени к разделяемому ресурсу может иметь доступ только один процесс. Ресурсы, которые не допускают одновременного использования несколькими процессами, называются критическими.

Если нескольким вычислительным процессам необходимо пользоваться критическим ресурсом в режиме разделения, им следует синхронизировать свои действия таким образом, чтобы ресурс всегда находился в распоряжении не более чем одного из процессов. Если один процесс пользуется в данный момент критическим ресурсом, то все остальные процессы, которым нужен этот ресурс, должны получить отказ и ждать, пока он не освободится. Если в операционной системе не предусмотрена защита от одновременного доступа процессов к критическим ресурсам, в ней могут возникать ошибки, которые трудно обнаружить и исправить. Основной причиной возникновения этих ошибок является то, что процессы в мультипрограммных операционных системах развиваются с различными скоростями, а относительные скорости развития каждого из взаимодействующих процессов неизвестны и не подвластны ни одному из них. Более того, на их скорости могут влиять решения планировщиков, касающиеся других процессов, с которыми ни одна из этих программ не взаимодействует. Кроме того, содержание одного процесса и скорость его исполнения обычно неизвестны другому процессу. Поэтому влияние, которое оказывают друг на друга взаимодействующие процессы, не всегда предсказуемо и воспроизводимо.

Взаимодействовать могут либо конкурирующие процессы, либо процессы, совместно выполняющие общую работу. Конкурирующие процессы, на первый взгляд, действуют относительно независимо, но они имеют доступ к общим переменным.

Процессы, выполняющие общую совместную работу таким образом, что результаты вычислений одного процесса в явном виде передаются другому, то есть их работа построена именно на обмене данными, называются сотрудничающими.

Взаимодействие сотрудничающих процессов удобно всего рассматривать в схеме «производитель - потребитель» (producer - consumer) или, как часто говорят - «поставщик - потребитель».

Рис. 1.3. Пример конкурирующих процессов

В качестве примера рассмотрим работу двух процессов Р1 и Р2 с общей переменной X. Пусть оба процесса асинхронно, независимо один от другого, изменяют (например, увеличивают) значение переменной X, считывая её значение в локальную область памяти Ri, при этом каждый процесс выполняет некоторые последовательности операций во времени (рис. 1.3).

Здесь мы рассмотрим не все операторы каждого из процессов, а только те, в которых осуществляется работа с общей переменной X. Каждому из операторов мы присвоили некоторый условный номер. Поскольку при мультипрограммировании процессы могут иметь различные скорости исполнения, то может иметь место любая последовательность выполнения операций во времени.

Чтобы предотвратить некорректное исполнение конкурирующих процессов вследствие нерегламентированного доступа к разделяемым переменным, необходимо ввести механизм взаимного исключения, который не позволит двум процессам одновременно обращаться к разделяемым переменным.

Кроме реализации в операционной системе средств, организующих взаимное исключение и тем самым регулирующих доступ процессов к критическим ресурсам, в ней должны быть предусмотрены средства, синхронизирующие работу взаимодействующих процессов. Другими словами, процессы должны обращаться к неким средствам не только ради синхронизации с целью взаимного исключения, но и чтобы обмениваться данными.

Допустим, что «поставщик» - это процесс, который отправляет порции информации (сообщения) другому процессу, имя которого «потребитель». Например, процесс пользователя, порождающий строки для вывода, может выступать как «поставщик», а процесс, который выводит эти строки на печать, - как «потребитель». Один из методов, применяемых при реализации передачи сообщений, состоит в том, что заводится пул (это совокупность однородных, динамически распределяемых объектов, например, блоков памяти одинаковой длины) свободных буферов, каждый из которых может содержать одно сообщение (длина сообщения может быть произвольной, но ограниченной).

В этом случае между процессами «поставщик» и «потребитель» будем иметь очередь заполненных буферов, содержащих сообщения. Когда «поставщик» хочет послать очередное сообщение, он добавляет в конец этой очереди ещё один буфер. «Потребитель», чтобы получить сообщение, забирает из очереди буфер, который стоит в её начале. Такое решение, хотя и кажется тривиальным, требует, чтобы «поставщик» и «потребитель» синхронизировали свои действия. Например, они должны следить за количеством свободных и заполненных буферов. «Поставщик»

может передавать сообщения только до тех пор, пока имеются свободные буферы. Аналогично, «потребитель» может получать сообщения только если очередь не пуста. Ясно, что для учёта заполненных и свободных буферов нужны разделяемые переменные, поэтому для сотрудничающих процессов, как и для конкурирующих, тоже возникает необходимость во взаимном исключении.

Таким образом, до окончания обращения одной задачи к общим переменным следует исключить возможность обращения к ним другой задачи. Эта ситуация и называется взаимным исключением. Другими словами, при организации различного рода взаимодействующих процессов приходится организовывать взаимное исключение и решать проблему корректного доступа к общим переменным (критическим ресурсам). Те места в программах, в которых происходит обращение к критическим ресурсам, называются критическими секциями или критическими интервалами (Critical Section - CS). Решение этой проблемы заключается в организации такого доступа к критическому ресурсу» когда только одному процессу разрешается

входить в критическую секцию. Данная задача только на первый взгляд кажется простой, ибо критическая секция, вообще говоря, не является последовательностью операторов программы, а является процессом, то есть последовательностью действий, которые выполняются этими операторами. Другими словами, несколько процессов, которые выполняются по одной и той же программе, могут выполнять критические интервалы, базирующиеся на одной и той же последовательности операторов программы.

Когда какой-либо процесс находится в своём критическом интервале, другие процессы могут, конечно, продолжать своё исполнение, но без входа в их критические секции. Взаимное исключение необходимо только в том случае, когда процессы обращаются к разделяемым, общим данным. Если же они выполняют операции, которые не приводят к конфликтным ситуациям, они должны иметь возможность работать параллельно. Когда процесс выходит из своего критического интервала, то одному из остальных процессов, ожидающих входа в свои критические секции, должно быть разрешено продолжить работу (если в этот момент действительно есть процесс в состоянии ожидания входа в свой критический интервал).

Обеспечение взаимоисключения является одной из ключевых проблем параллельного программирования. При этом можно перечислить следующие требования к критическим секциям:

♦ в любой момент времени только один процесс должен находиться в своей критической секции;

♦ ни один процесс не должен находиться в своей критической секции бесконечно долго;

♦ ни один процесс не должен ждать бесконечно долго входа в свой критический интервал, в

частности:

• никакой процесс, бесконечно долго находящийся вне своей критической секции (что допустимо), не должен задерживать выполнение других процессов, ожидающих входа в свои критические секции. Другими словами, процесс, работающий вне своей критической секции, не должен блокировать критическую секцию другого процесса;

• если два процесса хотят войти в свои критические интервалы, то принятие решения о том, кто первым войдет в критическую секцию, не должно откладываться бесконечно долго;

♦ если процесс, находящийся в своём критическом интервале, завершается либо естественным, либо аварийным путем, то режим взаимоисключения должен быть отменён, с тем чтобы другие процессы получили возможность входить в свои критические секции.

Было предложено несколько способов решения этой проблемы - программные и аппаратные; частные, низкоуровневые и глобальные, высокоуровневые; предусматривающие свободное взаимодействие между процессами и требующие строгого соблюдения жёстких протоколов.

Тема 2

Прерывания.

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Таким образом, прерывание - это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через неё - к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

Идея прерываний была предложена в середине 50-х годов и можно без преувеличения сказать, что она внесла наиболее весомый вклад в развитие вычислительной техники. Основная цель введения прерываний - реализация асинхронного режима работы и распараллеливание работы отдельных устройств вычислительного комплекса.

Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Структуры систем прерывания (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность - прерывание непременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Механизм обработки прерываний независимо от архитектуры вычислительной системы включает следующие элементы:

1. Установление факта прерывания (прием сигнала на прерывание) и идентификация прерывания (в операционных системах иногда осуществляется повторно, на шаге 4).

2. Запоминание состояния прерванного процесса. Состояние процесса определяется, прежде всего, значением счетчика команд (адресом следующей команды, который, например, в i80x86 определяется регистрами CS и IP - указателем команды, содержимым регистров процессора и может включать также спецификацию режима (например, режим пользовательский или привилегированный) и другую информацию.

3. Управление аппаратно передаётся подпрограмме обработки прерывания. В простейшем случае в счётчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры - информация из слова состояния. В более развитых процессорах, например в том же i80286 и последующих 32-битовых микропроцессорах, начиная с i80386, осуществляется достаточно сложная процедура определения начального адреса соответствующей подпрограммы обработки прерывания и не менее сложная процедура инициализации рабочих регистров процессора.

4. Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спасти на шаге 2 с помощью действий аппаратуры. В некоторых вычислительных системах предусматривается запоминание довольно большого объёма информации о состоянии прерванного процесса.

5. Обработка прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограммой, которой было передано управление на шаге 3, но в ОС чаще всего она реализуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы.

6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу (этап, обратный шагу 4).

7. Возврат в прерванную программу.

Шаги 1-3 реализуются аппаратно, а шаги 4-7 - программно. На рис. 1.4 показано, что при возникновении запроса на прерывание естественный ход вычислений нарушается и управление передаётся программе обработки возникшего прерывания. При этом средствами аппаратуры сохраняется (как правило, с помощью механизмов стековой памяти) адрес той команды, с которой

следует продолжить выполнение прерванной программы. После выполнения программы обработки прерывания управление возвращается прерванной ранее программе посредством занесения в указатель команд сохранённого адреса команды. Однако такая схема используется только в самых простых программных средах. В мультипрограммных операционных системах обработка прерываний происходит по более сложным схемам, о чём будет более подробно написано ниже.

Подпрограмма обработки прерывания

Отключение прерываний, сохранение контекста прерванной программы, установка режима работы системы прерываний

Собственно тело программы обработки прерывания

Восстановление контекста прерванной ранее программы, установка прежнего режима работы системы прерываний

Рис. 1.4. Обработка прерывания Итак, главные функции механизма прерываний: ♦распознавание или классификация прерываний; ♦передача управления соответственно обработчику прерываний; ♦корректное возвращение к прерванной программе. Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выполняться как можно быстрей. Одним из быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного

возвращения к прерванной программе перед передачей управления обработчику прерываний содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом, либо в системном стеке - system stack.

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние (синхронные).

Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса, например:

прерывания от таймера; ♦прерывания от внешних устройств (прерывания по вводу/выводу); прерывания по нарушению питания;

прерывания с пульта оператора вычислительной системы; прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы. Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются следующие запросы на прерывания:

при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещённый или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации механизмов виртуальной памяти); при наличии в поле кода операции незадействованной двоичной комбинации; при делении на нуль;

при переполнении или исчезновении порядка;

при обнаружении ошибок чётности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Могут ещё существовать прерывания при обращении к супервизору ОС - в некоторых компьютерах часть команд может использовать только ОС, а не пользователи. Соответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, и пользовательские программы выполняются в режиме, в котором эти привилегированные команды не исполняются. При попытке использовать команду, запрещённую в данном режиме, происходит внутреннее прерывание и управление передаётся супервизору ОС. К привилегированным командам относятся и команды переключения режима работа центрального процессора.

Наконец, существуют собственно программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей команде прерывания, то есть по этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычное прерывание. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд.

Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом процессоре; они могут возникать одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания. Очевидно, что прерывания от схем контроля процессора должны обладать наивысшим приоритетом (если аппаратура работает неправильно, то не имеет смысла продолжать обработку информации). На рис.1.5 изображен обычный порядок (приоритеты) обработки прерываний в зависимости от типа прерываний. Учет

приоритета может быть встроен в технические средства, а также определяться операционной системой, то есть кроме аппаратно реализованных приоритетов прерывания большинство вычислительных машин и комплексов допускают программно-аппаратное управление порядком обработки сигналов прерывания. Второй способ, дополняя первый, позволяет применять различные дисциплины обслуживания прерываний.

Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерывания. Программное управление этими средствами (существуют специальные команда для управления работой системы прерываний) позволяет операционной системе регулировать обработку сигналов прерывания, заставляя процессор обрабатывать их сразу по приходу, откладывать их обработку на некоторое время или полностью игнорировать. Обычно операция прерывания выполняется только после завершения выполнения текущей команды. Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке им (как уже отмечалось) присваиваются приоритеты. Сигнал с более высоким приоритетом обрабатывается в первую очередь, обработка остальных сигналов прерывания откладывается.

Рис. 1.5. Распределение прерываний по уровням приоритета Программное управление специальными регистрами маски (маскирование сигналов прерывания) позволяет реализовать различные дисциплины обслуживания:

• с относительными приоритетами, то есть обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высокими приоритетами. После окончания обслуживания данного запроса обслуживается запрос с наивысшим приоритетом. Для организации такой дисциплины необходимо в программе обслуживания данного запроса наложить маски на все остальные сигналы прерывания или просто отключить систему прерываний;

• с абсолютными приоритетами, то есть всегда обслуживается прерывание с наивысшим приоритетом. Для реализации этого режима необходимо на время обработки прерывания замаскировать все запросы с более низким приоритетом. При этом возможно многоуровневое прерывание, то есть прерывание программ обработки прерываний. Число уровней прерывания в этом режиме изменяется и зависит от приоритета запроса;

• по принципу стека, или, как иногда говорят, по дисциплине LCFS (last come first served - последним пришёл - первым обслужен), то есть запросы с более низким приоритетом могут прерывать обработку прерывания с более высоким приоритетом. Дли этого необходимо не накладывать маски ни на один сигнал прерывания и не выключать систему прерываний. Следует особо отметить, что для правильной реализации последних двух дисциплин нужно обеспечить полное маскирование системы прерываний при выполнении шагов 1-4 и 6-7. Это необходимо для того, чтобы не потерять запрос и правильно его обслужить. Многоуровневое прерывание должно происходить на этапе собственно обработки прерывания, а не на этапе перехода с одного процесса на другой. Управление ходом выполнения задач со стороны ОС заключается в организации реакций на прерывания, в организации обмена информацией (данными и программами), предоставлении необходимых ресурсов, в динамике выполнения задачи и в организации сервиса. Причины прерываний определяет ОС (модуль, который называют супервизором прерываний), она же и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и в данной ситуации. Поэтому в состав любой ОС реального времени прежде всего входят программы управления системой прерываний, контроля состояний задач и событий, синхронизации задач, средства распределения памяти и управления ею, а уже потом средства организации данных (с помощью файловых систем и т. д.). Следует, однако, заметить, что современная ОС реального времени должна вносить в аппаратно-программный комплекс нечто большее, нежели просто обеспечение быстрой реакции на прерывания.

Как мы уже знаем, при появлении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и, если прерывания разрешены, управление передаётся на соответствующую подпрограмму обработки. Из рис.1.4 видно, что в подпрограмме обработки прерывания имеются две служебные секции. Это - первая секция, в которой осуществляется сохранение контекста прерванной задачи, который не смог быть сохранен на 2-м шаге, и последняя, заключительная секция, в которой, наоборот, осуществляется восстановление контекста. Для того чтобы система прерываний не среагировала повторно на сигнал запроса на прерывание, она обычно автоматически «закрывает» (отключает) прерывания, поэтому необходимо потом в подпрограмме обработки прерываний вновь включать систему прерываний. Установка рассмотренных режимов обработки прерываний (с относительными и абсолютными приоритетами, и по правилу LCFS) осуществляется в конце первой секции подпрограммы обработки. Таким образом, на время выполнения центральной секции (в случае работы в режимах с абсолютными приоритетами и по дисциплине LCFS) прерывания разрешены. На время работы заключительной секции подпрограммы обработки система прерываний должна быть отключена и после восстановления контекста вновь включена. Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерываний, во многих операционных системах первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный программный модуль, называемый супервизором прерываний.

Супервизор прерываний прежде всего сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерываемого вычисли тельного процесса. Далее он определяет ту подпрограмму, которая должна выполнить действия, связанные с обслуживанием настоящего (текущего) запроса на прерывание. Наконец, перед тем как передать управление этой подпрограмме, супервизор прерываний устанавливает необходимый режим обработки прерывания. После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление вновь передаётся супервизору, на этот раз уже на тот модуль, который занимается диспетчеризацией задач. И уже диспетчер задач, в свою очередь, в соответствии с принятым режимом распределения процессорного времени (между выполняющимися процессами) восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор. Рассмотренная нами схема проиллюстрирована на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Обработка прерывания при участии супервизоров ОС

Как мы видим из рис. 1.6, здесь нет непосредственного возврата в прерванную ранее программу непосредственно из самой подпрограммы обработки прерывания. Для прямого непосредственного возврата достаточно адрес возврата сохранить в стеке, что и делает аппаратура процессора. При этом стек легко обеспечивает возможность возврата в случае вложенных прерываний, поскольку он всегда реализует дисциплину LCFS (last come - first served).

Однако если бы контекст процессов сохранялся просто в стеке, как это обычно реализуется аппаратурой, а не в описанных выше дескрипторах задач, то у нас не было бы возможности гибко подходить к выбору той задачи, которой нужно передать процессор после завершения работы подпрограммы обработки прерывания.

Естественно, что это только общий принцип. В конкретных процессорах и в конкретных ОС могут существовать некоторые отступления от рассмотренной схемы и/или дополнения к ней. Например, в современных процессорах часто имеются специальные аппаратные возможности для сохранения контекста прерываемого процесса непосредственно в его дескрипторе, то есть дескриптор процесса (по крайней мере, его часть) становится структурой данных, которую поддерживает аппаратура.

Для полного понимания принципов создания и механизмов реализации рассматриваемых далее современных ОС необходимо знать архитектуру персональных компьютеров и, в частности, особенности системы прерывания.

Тема 3

Файловая система NTFS (New Technology File System)

В название файловой системы NTFS входят слова «New Technology», то есть «новая технология». Действительно, NTFS содержит ряд значительных усовершенствований и изменений, существенно отличающих её от других файловых систем. С точки зрения пользователей, файлы по-прежнему хранятся в каталогах (часто называемых «папками» или фолдерами1 в среде Windows). Однако в NTFS в отличие от FAT работа на дисках большого объёма происходит намного эффективнее; имеются средства для ограничения в доступе к файлам и каталогам, введены механизмы, существенно повышающие надёжность файловой системы, сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секторов и/или кластеров.

Основные возможности файловой системы NTFS При проектировании системы NTFS особое внимание было уделено следующим характеристикам:

• надёжность. Высокопроизводительные компьютеры и системы совместного пользования (серверы) должны обладать повышенной надёжностью, которая является ключевым элементом структуры и поведения NTFS. Одним из способов увеличения надёжности является введение механизма транзакций, при котором осуществляется журналирование файловых операций. При журналировании файловых операций система управления файлами фиксирует в специальном служебном файле происходящие изменения. В начале операции, связанной с изменением файловой структуры, делается соответствующая пометка. Если во время операций над файлами происходит какой-нибудь сбой, то упомянутая отметка о начале операции остается указанной как незавершенная. При выполнении процедуры проверки целостности файловой системы после перезагрузки машины эти незавершенные операции будут отменены и файлы будут приведены к исходному состоянию. Если же операция изменения данных в файлах завершается нормальным образом, то в этом самом служебном файле поддержки журналирования операция отмечается как завершенная;

• расширенная функциональность. NTFS проектировалась с учётом возможного расширения. В ней были воплощены многие дополнительные возможности - усовершенствованная отказоустойчивость, эмуляция других файловых систем, мощная модель безопасности, параллельная обработка потоков данных и создание файловых атрибутов, определяемых пользователем;

• поддержка POSIX2. Поскольку правительство США требовало, чтобы все закупаемые им системы хотя бы в минимальной степени соответствовали стандарту POSIX, такая возможность была предусмотрена и в NTFS. К числу базовых средств файловой системы POSIX относится необязательное использование имён файлов с учётом регистра, хранение времени последнего обращения к файлу и механизм так называемых «жёстких ссылок» - альтернативных имен, позволяющих ссылаться на один и тот же файл по двум и более именам;

• гибкость. Модель распределения дискового пространства в NTFS отличается чрезвычайной гибкостью. Размер кластера может изменяться от 512 байт до 64 Кбайт; он представляет собой число, кратное внутреннему кванту распределения дискового пространства. NTFS также

поддерживает длинные имена файлов, набор символов Unicode и альтернативные имена формата 8.3 для совместимости с FAT.

NTFS превосходно справляется с обработкой больших массивов данных и достаточно хорошо проявляет себя при работе с томами объёмом от 300-400 Мбайт и выше. Максимально возможные размеры тома (и размеры файла) составляют 16 Экзабайт (один экзабайт равен 2^А64, или приблизительно 16 000 млрд гигабайт).

Количество файлов в корневом и некорневом каталогах не ограничено. Поскольку в основу структуры каталогов NTFS заложена эффективная структура данных, называемая «бинарным деревом», время поиска файлов в NTFS (в отличие от систем на базе FAT) не связано линейной зависимостью с их количеством.

Система NTFS также обладает определенными средствами самовосстановления. NTFS поддерживает различные механизмы проверки целостности системы, включая ведение журналов транзакций, позволяющих воспроизвести файловые операции записи по специальному системному журналу.

Файловая система NTFS поддерживает объектную модель безопасности NT и рассматривает все тома, каталоги и файлы как самостоятельные объекты. NTFS обеспечивает безопасность на уровне файлов; это означает, что права доступа к томам, каталогам и файлам могут зависеть от учётной записи пользователя и тех групп, к которым он принадлежит. Каждый раз, когда пользователь обращается к объекту файловой системы, его права доступа проверяются по списку разрешений данного объекта. Если пользователь обладает достаточным уровнем прав, его запрос удовлетворяется; в противном случае запрос отклоняется. Эта модель безопасности применяется как при локальной регистрации пользователей на компьютерах с NT, так и при удалённых сетевых запросах.

Наконец, помимо огромных размеров томов и файлов, система NTFS также обладает встроенными средствами сжатия, которые можно применять к отдельным файлам, целым каталогам и даже томам (и впоследствии отменять или назначать их по своему усмотрению).

Рассмотрим структуру файловой системы NTFS. Одним из основных понятий, используемых при работе с NTFS, является понятие тома (volume). Возможно также создание отказоустойчивого тома, занимающего несколько разделов, то есть использование RAID-технологии. Как и многие другие системы, NTFS делит всё полезное дисковое пространство тома на кластеры - блоки данных, адресуемые как единицы данных. NTFS поддерживает размеры кластеров от 512 байт до 64 Кбайт; стандартом же считается кластер размером 2 или 4 Кбайт.

Всё дисковое пространство в NTFS делится на две неравные части. Первые 12 % диска отводятся под так называемую MFT-зону - пространство, которое может занимать, увеличиваясь в размере, главный служебный метафайл MFT (master file table) - это специальный файл, главная системная структура данных, которая и позволяет определять местонахождение всех остальных файлов диска, в том числе и себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера, и каждая запись соответствует какому-либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая строго фиксированное положение. Копия этих же 16 записей хранится в середине тома для надёжности, поскольку они очень важны. Остальные части MFT-файла могут располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска - восстановить его положение можно с помощью его самого, «зацепившись» за самую основу - за первый элемент MFT.

Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) по возможности не фрагментировался при своем росте. Остальные 88 % тома представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Упомянутые первые 16 файлов NTFS (метафайлы) носят служебный характер; каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Метафайлы находятся в корневом каталоге NTFS-тома. Все они начинаются с символа имени «$», хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. Размер файловых записей MFT для тома - минимум 512 байт и максимум 4 Кбайт - определяется во время форматирования тома.

В таблице приведены основные известные метафайлы и их назначение. Таким образом, можно узнать, например, сколько операционная система тратит на каталогизацию тома, посмотрев размер файла $MFT.

Итак, все файлы тома упоминаются в MFT. В этой структуре хранится вся информация о файлах, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов и т. д. - всё это хранится в соответствующей записи. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используется несколько записей, причем не обязательно идущих подряд. Файлы могут иметь не очень большой размер. Тогда применяется довольно удачное решение: данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT. Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего «физического» воплощения в основной файловой области - все данные такого файла хранятся в одном месте, в MFT. Файл в томе с NTFS идентифицируется так называемой файловой ссылкой (File Reference), которая представляется как 64-разрядное число. Файловая ссылка состоит из номера файла, который соответствует позиции его файловой записи в MFT, и номера последовательности. Последний увеличивается всякий раз, когда данная позиция в MFT используется повторно, что позволяет файловой системе NTFS выполнять внутренние проверки целостности. Каждый файл в NTFS представлен с помощью потоков (streams), то есть у него нет как таковых «просто данных», а есть «потоки». Для правильного понимания потока достаточно указать, что один из потоков и носит привычный нам смысл - данные файла. Но большинство атрибутов файла - это тоже потоки. Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT, а всё остальное, включая и его потоки, - опционально. Данный подход может эффектив- но использоваться - например, файлу можно «прилепить» ещё один поток, записав в него любые данные. В Windows таким образом записана информация об авторе и содержании файла (одна из закладок в свойствах файла, просматриваемых, например, из проводника). Интересно, что эти дополнительные потоки не видны стандартными средствами работы с файлами: наблюдаемый размер файла - это лишь размер основного потока, который содержит традиционные данные. Можно, к примеру, иметь файл нулевой длины, при стирании которого освободится 1 Гбайт свободного места - просто потому, что какая-нибудь хитрая программа или технология «прилепила» к нему дополнительный поток (альтернативные данные) такого большого размера. Но на самом деле в настоящее время потоки практически не используются, так что опасаться подобных ситуаций не следует, хотя гипотетически они возможны. Так, на идее подмены потока основан один из новейших вирусов, который был не так давно создан для распроных или несколько имен. Обязательными для каждого файла в томе NTFS являются атрибут стандартной информации, атрибут имени файла, атрибут дескриптора защиты и атрибут данных. Остальные атрибуты могут встречаться при необходимости.

Просто необходимо иметь в виду, что файл в NTFS - это более глубокое понятие, чем можно себе представить, просматривая каталоги диска. Стандартные же атрибуты для файлов и каталогов в томе NTFS имеют фиксированные имена и коды типа.

Системный атрибут	Описание атрибута
Стандартная инфор­мация о файле	Традиционные атрибуты Read Only, Hidden, Archive, System, отметки времени, включая время создания или госледней модификации, число каталогов, ссылающихся на файл
Список атрибутов	Список атрибутов, из которых состоит файл, и файловая ссылка на файловую запись и MFT, в которой расположен каждый из атрибутов. Последний используется, если файлу необходимо более одной записи в MFT
Имя файла	Имя файла в символах Unicode. Файл может иметь несколько атрибутов - имён файла, подобно тому как это имеет место в UNIX-Системах. Это случается, когда имеется связь POSIX с данным файлом или если у файла
Дескриптор защиты	Структура данных защиты [ACLJ, предохраняющая файл от несанкционированного доступа. Атрибут «дескриптор защиты» определяет, кто владелец файла и кто имеет доступ к нему
Данные	Собственно данные файла, его содержимое. В NTFS уфайла поумолчанию есть один безымянный атрибут данных, и он может иметь дополнительные именованные атрибуты данных. Укаталога нет атрибута данных по умолчанию, но он может иметь необязательные именованные атрибуты данных
Корень индекса, раз­мещение индекса, битовая карта {только для каталогов)	Атрибуты, используемые для индексов имён файлов в больших каталогах
Расширенные атрибу­ты HPFS	Атрибуты, используемые для реализации расширенных атрибутов HPFS для подсистемы OS/2 и OS/2-кгиентов файл-серверов Windows NT

Атрибуты файла в записях MFT расположены в порядке возрастания числовых значений кодов типа, причем некоторые типы атрибутов могут встречаться в записи более одного раза. Имя файла в NTFS, в отличие от файловых систем FAT и HPFS, может содержать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данное представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65 535 разных символов. Максимальная длина имени файла в NTFS - 255 символов. Большой вклад в эффективность файловой системы вносит организация каталога. Каталог в NTFS представляет собой специальный файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделён на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Главный каталог диска - корневой - ничем не отличается от обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.

Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево, подобно тому, как это организовано в HPFS. Кстати, при создании файловой системы NTFS разработчики решили использовать максимально возможное количество эффективных решений из HPFS. К сожалению, не было взято на вооружение разбиение всего дискового пространства на зоны, в каждой из которых хранилась бы информация об имеющихся свободных кластерах. В результате отказа от этого подхода и введения механизма транзакций скорость работы файловой системы NTFS существенно ниже скорости работы системы HPFS.

Итак, как нам теперь известно, бинарное дерево каталога располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Бинарное дерево способно дать ответ на вопрос: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя - выше или ниже? Мы начинаем с такого вопроса к среднему элементу, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Если представить, что файлы отсортированы по алфавиту, то ответ на вопрос осуществляется очевидным способом - сравнением начальных букв. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента.

Заметим, что добавлять файл в каталог в виде дерева не намного труднее, чем в линейный каталог системы FAT. Это сопоставимые по времени операции. Для того чтобы добавить новый файл в каталог, нужно сначала убедиться, что файла с таким именем там ещё нет. Поэтому в системе FAT с линейной организацией записей каталога у нас появляются трудности не только с поиском файла. И это с лихвой компенсирует саму простоту добавления файла в каталог. Возможности файловой системы NTFS по ограничению доступа к файлам и каталогам

Рассмотрим основные возможности, связанные как с организацией различных прав доступа к файлам и каталогам при использовании сетевого доступа, так и локальные ограничения на файлы и каталоги. NTFS рассматривает каталоги (папки) и файлы как разнотипные объекты и ведёт отдельные (хотя и перекрывающиеся) списки прав доступа для каждого типа [36]. Ниже перечислены права NTFS, назначаемые папкам (соответствующие права для файлов приведены ниже): ♦нет доступа (no access) (Noiic)(hct): ♦полный доступ (full control) (А11)(А11) (все)(все); ♦право чтения (read) (RX)(RX) (чтение)(чтение);

♦право добавления (add) (WX)(not specified) (запись/выполнение не указано);

♦право добавления и чтения (add&read) (RWX)(RX) (чтение/запись/выполнение) (чтение/выполнение);

♦право просмотра (list) (RX)(not specified) (чтение/выполнение)(не указано);

♦право изменения (change) (RWXD)(RWXD) (чтение/запись/ выполнение/ удаление) (чтение/запись/выполнение/удаление).

Обратите внимание на два выражения в скобках, указанные после имени права доступа. Первое выражение относится к самой папке, а второе - ко всем файлам, которые могут быть созданы внутри неё. Например, при полном доступе для папки разрешаются любые действия, однако пользователь с полным доступом к папке также будет обладать полным правом доступа ко всем созданным в ней файлам (если только права доступа к файлу не были изменены его владельцем или администратором). Другими словами, в NTFS файлы и папки по умолчанию наследуют права доступа, установленные для их

родительской папки, однако эти права могут быть изменены любым пользователем, которому разрешено изменять права доступа для соответствующих объектов NTFS. Файлы в NTFS могут обладать следующими правами: ♦полный доступ (full control) (All) (все); ♦нет доступа (no access) (None) (нет);

♦право изменения (change) (RWXD) (чтение/запись/выполнение/удаление); ♦право чтения (read) (RX) (чтение/выполнение).

Для прав доступа NTFS, как и для прав общих каталогов, действует принцип поглощения. Исключение составляет право «нет доступа», отменяющее действие всех остальных прав. При сетевом подключении пользователей права NTFS могут вступить в конфликт с правами общих каталогов. В такой ситуации применяется право доступа с наиболее жесткими ограничениями. У многих возникают проблемы с пониманием получаемых при сетевом доступе ограничений. Однако здесь можно легко разобраться, если помнить, что при доступе по сети к каталогам и файлам, располагающихся на томах с NTFS, у нас получаются задействованны

Дата добавления: 2014-01-05