Книга «Внутреннее устройство Windows. 7-е изд»

С момента выхода предыдущего издания этой книги операционная система Windows прошла длинный путь обновлений и концептуальных изменений, результатом которых стала новая стабильная архитектура ядра Windows 10.

Книга «Внутреннее устройство Windows» создана для профессионалов, желающих разобраться во внутренней жизни основных компонентов Windows 10. Опираясь на эту информацию, разработчикам будет проще находить правильные проектные решения, создавая приложения для платформы Windows, и решать сложные проблемы, связанные с их эксплуатацией. Системные администраторы, зная, что находится у операционной системы «под капотом», смогут разобраться с поведением системы и быстрее решать задачи повышения производительности и диагностики сбоев. Специалистам по безопасности пригодится информация о борьбе с уязвимостями операционной системы.

Динамика списков страниц

На рис. 5.37 показана диаграмма состояний переходов страничных блоков. Для простоты на ней не представлен список измененных, но не подлежащих записи страниц.

Страничные блоки перемещаются между страничными списками следующими способами.

1. Когда диспетчеру памяти для обслуживания ошибки страницы, связанной с требованием обнуленной страницы (обращение к странице, которая определена как полностью заполненная нулями, или к закрытой подтвержденной странице пользовательского режима, к которой еще не было обращений), нужна страница, заполненная нулями, сначала предпринимается попытка получить эту страницу из списка таких страниц. Если список пуст, страница берется из списка свободных страниц и заполняется нулями. Если пуст и список свободных страниц, происходит обращение к списку ожидающих страниц, и заполняется нулями страница из этого списка.

2. Одна из причин востребованности страниц, заполненных нулями, заключается в выполнении различных требований безопасности — например, общих критериев (Common Criteria). Большинство положений общих критериев указывает на то, что процессы пользовательского режима должны получать обнуленные страничные блоки, чтобы они не могли прочитать содержимое памяти предыдущих процессов. Поэтому диспетчер памяти предоставляет процессам пользовательского режима обнуленные страничные блоки, если только страница не была считана из резервного хранилища. В таком случае диспетчер памяти использует необнуленные страничные блоки, инициализируя их данными с диска или с удаленного хранилища. Список страниц, заполненных нулями, пополняется из списка свободных страниц системным программным потоком, который называется потоком обнуления страниц (zero page thread), — это поток 0 в процессе System. Поток обнуления страниц ждет сигнала на работу от объекта шлюза. Когда в списке свободных имеется восемь и более страниц, шлюз подает сигнал. Но поток обнуления страниц запускается, только если хотя бы у одного процессора нет других выполняемых потоков, поскольку поток обнуления страниц запускается с приоритетом 0, а наименьший приоритет, который может быть установлен для пользовательского потока, равен 1.

ПРИМЕЧАНИЕ Когда память в результате выделения физической страницы драйвером, вызывающим функцию MmAllocatePagesForMdl или MmAllocatePagesForMdlEx, должна быть заполнена нулями Windows-приложением, вызывающим функцию AllocateUserPhysicalPages или AllocateUserPhysicalPagesNuma, или когда приложение выделяет большие страницы, диспетчер памяти обнуляет память, используя высокопроизводительную функцию под названием MiZeroInParallel, которая отображает более крупные области, чем поток обнуления страниц, обнуляющий только одну страницу за раз. Кроме того, на мультипроцессорных системах диспетчер памяти создает дополнительный системный поток для обнуления в параллельном режиме (а на NUMA-платформах это делается в стиле, оптимизированном под технологию NUMA).

3. Когда диспетчеру памяти не нужна страница, заполненная нулями, он сначала обращается к списку свободных страниц. Если этот список пуст, он переходит к списку обнуленных страниц. Если и список обнуленных страниц пуст, он переходит к списку ожидающих страниц. Перед тем как диспетчер памяти сможет воспользоваться страничным блоком из списка ожидающих страниц, он должен сначала вернуться и удалить ссылку из недостоверной PTE-записи (или из прототипной PTE-записи), которая все еще указывает на страничный блок. Поскольку в записях базы данных PFN-номеров содержатся обратные указатели на предыдущую страницу пользовательской таблицы страниц (или на страницу пула прототипной PTE-записи для общих страниц), диспетчер памяти может быстро найти PTE-запись и внести в нее соответствующее изменение.

4. Когда процесс должен отказаться от страницы из своего рабочего набора (либо потому, что он ссылается на новую страницу и его рабочий набор заполнен, либо потому, что диспетчер памяти урезал его рабочий набор), страница переходит в список ожидающих, если она оставалась нетронутой (неизмененной), или в список измененных страниц, если страница была изменена, находясь в физической памяти.

5. Когда процесс завершает работу, все закрытые страницы переходят в список свободных страниц. Кроме того, если при закрытии последней ссылки на раздел, поддерживаемый страничным файлом, в разделе не осталось отображенных представлений, страницы этого раздела также попадают в список свободных страниц.

ЭКСПЕРИМЕНТ: ПРОСМОТР СПИСКОВ СВОБОДНЫХ И ОБНУЛЕННЫХ СТРАНИЦ

За освобождением закрытых страниц при завершении работы процесса можно наблюдать в окне System Information (Системная информация) программы Process Explorer. Сначала нужно создать процесс с большим количеством закрытых страниц в его рабочем наборе. Мы уже делали это в одном из предыдущих экспериментов с помощью утилиты TestLimit:

Ключ –d заставляет TestLimit не только выделить память в качестве закрытой и подтвержденной, но и «прикоснуться» к ней, т. е. обратиться к этой памяти. Это приводит к выделению физической памяти и присвоению ее процессу, чтобы освободить область закрытой подтвержденной виртуальной памяти. Если в системе имеется достаточный объем доступной оперативной памяти, для процесса в оперативной памяти будет выделено целых 1500 Мбайт. Теперь этот процесс будет ждать, пока вы не заставите его завершить или прервать работу (возможно, с комбинацией клавиш Ctrl+C в его командном окне). Выполните следующие действия.

1. Откройте Process Explorer.

2. Выберите команду ViewSystem Information и перейдите на вкладку Memory.

3. Понаблюдайте за размерами списков свободных (Free) и обнуленных (Zeroed) страниц.

4. Завершите или прервите процесс TestLimit.

Возможно, вам удастся увидеть, что список свободных страниц кратковременно увеличился в размере. Мы говорим «возможно», потому что поток обнуления страниц «проснется», как только в списке обнуленных страниц останется всего восемь записей, и отработает очень быстро. Process Explorer обновляет это окно только раз в секунду, и похоже, что остальные страницы уже успевают обнулиться и попасть в список обнуленных страниц, пока нам удалось «поймать» это состояние. Если вам удалось заметить временное увеличение списка свободных страниц, то вслед за этим вы увидите, что его размер упадет до нуля, а в списке обнуленных страниц произойдет соответствующее увеличение. Если же момент будет упущен, вы просто увидите увеличение списка обнуленных страниц.

ЭКСПЕРИМЕНТ: ПРОСМОТР СПИСКОВ ИЗМЕНЕННЫХ И ОЖИДАЮЩИХ СТРАНИЦ

За перемещением страниц из рабочего набора процесса в список измененных страниц и затем в список ожидающих страниц можно понаблюдать при помощи программ VMMap и RAMMap из пакета Sysinternals или в отладчике ядра. Выполните следующие действия.

1.Запустите программу RAMMap и понаблюдайте за спокойным состоянием системы. В данном случае это система x86 с 3 Гбайт оперативной памяти. Столбцы в окне отражают различные состояния страниц (см. рис. 5.37). Некоторые столбцы, которые не имеют значения для данного эксперимента, для удобства были сужены.

2. У системы имеется около 420 Мбайт свободной оперативной памяти (складывающейся из свободных и обнуленных страниц). Около 580 Мбайт фигурирует в списке ожидающих страниц (следовательно, часть из них «доступна», но, скорее всего, содержит данные, ранее утраченные процессами или используемые при супервыборке). Около 830 Мбайт активны, будучи отображенными непосредственно на виртуальные адреса через достоверные записи таблицы страниц.

3. Каждая строка далее разбивается в соответствии с состояниями страниц по использованию или происхождению (закрытые страницы процесса, отображаемый файл и т. д.). Например, на данный момент из активных 830 Мбайт около 400 Мбайт обусловлено выделением закрытых страниц процесса.

4. Теперь, как и в предыдущем эксперименте, воспользуйтесь утилитой TestLimit, чтобы создать процесс с большим количеством страниц в рабочем наборе. Здесь опять мы используем ключ –d, чтобы заставить TestLimit сделать запись в каждую страницу, но на этот раз без ограничения, чтобы создать как можно больше закрытых измененных страниц:

5. Теперь программа TestLimit создала 1975 областей выделения по 1 Мбайт каждая. Для обновления экрана в программе RAMMap нужно воспользоваться командой FileRefresh для обновления экрана, поскольку самостоятельно программа RAMMap этого не делает (из-за больших затрат на выполнение этой операции).

6. Как видите, активно свыше 2,8 Гбайт, из которых 2,4 Гбайт находятся в строке закрытых страниц процесса (строка Process Private). Это результат выделения памяти и доступа к ней со стороны процесса TestLimit. Также обратите внимание на то, что списки ожидающих (Standby), обнуленных (Zeroed) и свободных (Free) страниц теперь стали намного меньше. Большая часть памяти, выделенной программе TestLimit, взята из страниц, фигурировавших в этих списках.

7. Далее с помощью RAMMap нужно оценить выделение физических страниц процесса. Перейдите на вкладку Physical Pages и установите фильтр, находящийся в нижней части столбца Process, присвоив ему значение Testlimit.exe. В следующем окне показаны все физические страницы, являющиеся частью рабочего набора процесса.

8. Нам нужно идентифицировать физическую страницу, задействованную в выделении физического адресного пространства, которое было выполнено с помощью ключа –d при запуске программы TestLimit. RAMMap не дает никаких указаний на то, какие виртуальные области были выделены благодаря вызову из RAMMap функции VirtualAlloc. Но мы можем получить ценную подсказку на этот счет с помощью программы VMMap. Вызвав VMMap для
того же процесса, мы получим следующий результат (см. рис. на с. 535 вверху).

9. В нижней части выводимой информации находятся сотни выделенных областей для закрытых данных процесса, каждая из которых имеет размер 1 Мбайт при 1 Мбайт подтвержденной памяти. Это соответствует размеру памяти, выделенной программой TestLimit. В предыдущей копии экрана подсвечен первый из таких вариантов распределения. Заметьте, что его начальный виртуальный адрес равен 0x310000.

10. Теперь вернемся к информации о физической памяти, выводимой на экран программой RAMMap. Перестройте столбцы так, чтобы хорошо был виден столбец Virtual Address. Щелкните на нем, чтобы отсортировать строки по этому значению, и вы сможете найти нужный виртуальный адрес (см. рисунок на с. 535 внизу).

11. Здесь показано, что виртуальная страница, начинающаяся с адреса 0x310000, в данный момент отображена на физический адрес 0x212D1000. С ключом -d программа TestLimit записывает в первые байты каждой выделенной области свое имя. Это можно продемонстрировать с помощью команды !dc локального отладчика ядра (dc — сокращение от «display characters», т. е. вывод символов по физическому адресу):

12. Если промедлить, попытка может завершиться неудачей — страница может быть уже удалена из рабочего набора. В последней фазе эксперимента мы покажем, что данные остаются неизменными (по крайней мере, на какое-то время) после того, как рабочий набор процесса сократится, а страница переместится сначала в список измененных, а затем — ожидающих страниц.

13. Выбрав в программе VMMap процесс TestLimit, откройте меню View и выберите команду Empty Working Set, чтобы сократить рабочий набор процесса до минимума. Теперь в окне VMMap должна выводиться следующая информация:

14. Обратите внимание на то, что линейка Working Set (Рабочий набор) практически пуста. В средней части для процесса показано, что общий размер рабочего набора равен всего лишь 4 Кбайт, причем почти все его пространство занято таблицами страниц. Теперь вернитесь в RAMMap. На вкладке Use Counts видно, что количество активных страниц существенно сократилось, а большое количество страниц находится в списке измененных и существенное количество страниц — в списке ожидающих.

15. Данные на вкладке Processes программы RAMMap подтверждают, что большинство этих страниц появилось в данных списках из-за процесса TestLimit.

Для Хаброжителей скидка 20% по купону — Windows

Разбираемся, как работают операционные системы

Linux, Windows, Mac OS? Зачем они нужны? Понимание того, как работают операционные системы, поможет создавать качественные приложения.

Есть несколько причин, почему программистам стоит знать, как работают операционные системы. Одна из них – чтобы понимать, как работают программы. Представьте: вы пишете код, который кажется рабочим, но программа тормозит. Что делать? Можно попробовать разобраться с ограничениями операционной системы, но вы ведь не умеете!

Если стремитесь построить карьеру программиста, стоит понять, как работают операционные системы. Например, можно изучить курс «Введение в операционные системы» от Georgia Tech. В нем рассказывается, как работают ОС: механизмы работы, параллельное программирование (потоки и синхронизация), взаимодействие между процессами, распределённые ОС.

Осветим 10 наиболее важных принципов, о которых говорилось в курсе Udacity, и разберемся, как же работают операционные системы.

Что такое операционная система

Это первое, о чем нужно задуматься, если вы решили разобраться, как работают операционные системы. ОС представляют собой набор программного обеспечения. Это ПО управляет компьютерным оборудованием и предоставляет техническую базу для программ. А ещё они управляют вычислительными ресурсами и обеспечивают защиту. Главное, что у них есть, – это доступ к управлению компонентами компьютера.

Файловая система, планировщик и драйверы – всё это основные инструменты работы ОС.

Существует три ключевых элемента операционной системы:

1. Абстракции (процессы, потоки, файлы, сокеты, память).
2. Механизмы (создание, управление, открытие, запись, распределение).
3. Реализации (алгоритмы LRU, EDF).

Кроме того, есть два основных принципа проектирования операционных систем:

1. Максимальная гибкость: отделение механизмов от конкретных реализаций.
2. Ориентация на пользователей: на каких устройствах будет работать ОС, что нужно пользователю, каковы требования к производительности.

Теперь подробнее разберём глобальные концепции, которые помогут сформировать понимание того, как работают операционные системы.

Процессы и управление

Процесс – не что иное, как исполнение программы. Так как программа записана в виде последовательности действий в текстовый файл, процессом она становится только при запуске.

Загруженная в память программа может быть условно разделена на четыре части: стек, кучу, контекст и данные.

• Stack: стек процесса содержит временные данные, такие как параметры метода, адрес возврата и локальные переменные.
• Heap: это динамически распределяемая память процесса времени его выполнения.
• Text: хранит состояние регистров, состояние программного счетчика, режим работы процессора, незавершенные операции ввода-вывода, информацию о выполненных системных вызовах.
• Data: раздел содержит глобальные и статические переменные.

Когда процесс выполняется, он проходит через разные состояния. Эти этапы могут различаться в разных операционных системах.

Общая картина выглядит так:

• Start: начальное состояние при создании процесса.
• Ready: процесс ожидает исполнения на процессоре. В течение работы процессор может переключаться между процессами, переводя одни в режим готовности, другие – в режим исполнения.
• Running: выполнение инструкций.
• Wait: процесс переходит в состояние ожидания. Например, ждёт ввода данных или получения доступа к файлу.
• Terminated: как только процесс завершится, он перейдёт в это состояние и будет ожидать удаления.

Немного терпения: мы уже близки к пониманию того, как работают операционные системы 😉

Блок управления процессов (Process Control Block) – это структура данных, поддерживаемая операционной системой для каждого процесса. PCB имеет идентификатор PID. Именно PCB хранит всю информацию, необходимую для отслеживания процесса.

• Process ID: идентификатор каждого из процессов в ОС.
• State: текущее состояние процесса.
• Privileges: разрешения доступа к системным ресурсам.
• Pointer: указатель на родительский процесс.
• Priority: приоритет процесса и другая информация, которая требуется для планирования процесса.
• Program Counter: указатель на адрес следующей команды, которая должна быть выполнена.
• CPU registers: регистры процессора, необходимые для состояния исполнения.
• Accounting Information: уровень нагрузки на процессор, статистика и другие данные.
• I/O Information: список ресурсов, использующих чтение и запись.

Потоки и параллелизм

Поток (нить, thread) – это ход исполнения программы. Он также имеет свой program counter, переменные, стек.

Потоки одной программы могут работать с одними данными, а взаимодействовать между собой через код.

Поток – это легковесный процесс. Вместе они обеспечивают производительность приложений и ОС за счет параллелизма на уровне программы.

Каждый поток относится к какому-то процессу и не может существовать без него. Сегодня потоки широко применяются в работе серверов и многопроцессорных устройств с общей памятью.

Чем хороши потоки:

• Они минимизируют время переключения контекста (процессора).
• Их использование обеспечивает параллелизм процесса.
• Они эффективно общаются между собой.
• Потоки позволяют использовать многопроцессорные архитектуры в большем масштабе.

Потоки имеют два уровня реализации:

• Пользовательский уровень, то есть потоки, управляемые приложениями;
• Уровень ядра, то есть потоки, управляемые ядром операционной системы.

В первом случае ядро ​​управления потоками ничего не знает о существовании потоков вообще. А библиотека потоков просто содержит код для создания и уничтожения потоков, а также передачи сообщений и данных между ними для планирования выполнения потоков и сохранения (восстановления) контекстов потоков.

Во втором случае ядро выполняет создание потоков, а ещё планирование и управление в пространстве ядра. Заметим, что потоки ядра обычно медленнее, чем потоки пользователей.

Планирование

Планировщик – это часть менеджера процессов, которая ответственна за переключение между процессами и выбор очереди по какой-либо стратегии.

ОС поддерживает все блоки управления процессом (PCB) в очередях планирования процесса:

• Очередь задач (job queue) поддерживает все процессы в системе.
• Очередь ожидания (ready queue) хранит информацию обо всех процессах, находящихся в основной памяти в состоянии ожидания. В эту очередь попадают и новые процессы.
• Очереди из устройств (device queue) – это процессы, заблокированные из-за недоступности устройств ввода-вывода.

ОС может использовать разные методы реализации для управления очередями (FIFO, Round Robin, Priority). Планировщик ОС определяет, когда и как перемещать процессы между готовыми и запущенными очередями (могут иметь только одну запись на ядро ​​процессора в системе). На приведенной выше диаграмме он был объединен с процессором.

Модели состояния делятся на активные и неактивные:

• Активные: при создании нового процесса он переходит в класс активных.
• Неактивные: процессы, которые не выполняются, а ждут завершения других процессов. Каждая запись в очереди является указателем на конкретный процесс. Очередь реализуется с использованием связанного списка. Использование диспетчера заключается в следующем: когда процесс прерывается, то переносится в очередь ожидания. Если процесс завершен или отменен – он отменяется вовсе.

Переключение контекста – это механизм сохранения (в PCB) и восстановления контекста процессора с ранее запущенного промежутка времени. При использовании этого метода, коммутатор контекста позволяет использовать один процессор для нескольких действий одновременно. Кстати, контекстное переключение является неотъемлемой частью многозадачной операционной системы.

Когда планировщик переключает процессор с одного процесса на другой, состояние из текущего запущенного процесса сохраняется в блоке управления. Затем состояние для следующего процесса загружается из своего PCB в регистры процессора. Только потом второй процесс может быть запущен.

При переключении следующая информация сохраняется для последующего использования: счетчик программы, информация планировщика, значение регистра базы и лимита, используемый в настоящее время регистр, измененное состояние, информация о состоянии ввода и вывода, учетная информация.

Управление памятью

Ещё одна важная часть – та, что отвечает за все операции по управлению первичной памятью. Существует менеджер памяти, который обрабатывает все запросы на получение памяти и высвобождение. Он же следит за каждым участком памяти, независимо от того, занят он или свободен. И он же решает, какой процесс и когда получит этот ресурс.

Адресное пространство процесса – набор логических адресов, к которым программа обращается в коде. Например, если используется 32-битная адресация, то допустимые значения варьируются от 0 до 0x7fffffff, то есть 2 Гб виртуальной памяти.

Операционная система заботится о том, чтобы сопоставить логические адреса с физическими во время выделения памяти программе. Нужно также знать, что существует три типа адресов, используемых в программе до и после выделения памяти:

• Символьные адреса: или по-другому адреса, используемые в исходном коде. Имена переменных, константы и метки инструкций являются основными элементами символического адресного пространства.
• Относительные адреса: компилятор преобразует символические адреса в относительные адреса.
• Физические адреса: загрузчик генерирует эти адреса в момент загрузки программы в основную память.

Виртуальные и физические адреса одинаковы как в процессе загрузки, так и во время компиляции. Но они начинают различаться во время исполнения.

Набор всех логических адресов, которые создала программа, называется логическим адресным пространством. Набор всех физических адресов, соответствующих этим логическим адресам, называется физическим адресным пространством.

Хотите разобраться подробнее в том, как работают операционные системы? Посмотрите соответствующие книги в нашем Телеграм-канале.

Межпроцессорное взаимодействие

Существует два типа процессов: независимые и взаимодействующие. На независимые не оказывается влияние процессов сторонних, в отличие от взаимодействующих.

Можно подумать, что процессы, которые работают независимо, выполняются эффективнее, но зачастую это не так. Использование кооперации может повысить скорость вычислений, удобство и модульность программ.

Межпроцессная коммуникация (IPC) – это механизм, который позволяет процессам взаимодействовать друг с другом и синхронизировать действия. Связь между этими процессами может рассматриваться как сотрудничество.

Процессы могут взаимодействовать двумя способами: через общую память или через передачу сообщений.

Метод использования общей памяти

Допустим, есть два процесса: исполнитель (производитель) и потребитель. Один производит некоторый товар, а второй его потребляет. Эти два процесса имеют общее пространство или ячейку памяти, известную как «буфер». Там хранится элемент, созданный исполнителем, оттуда же потребитель получает этот элемент.

Однако у этих версий есть как минимум две значимые проблемы: первая известна как проблема безграничного буфера: исполнитель может продолжать создавать элементы без ограничений на размер буфера. Вторая заключается в том, что исполнитель, заполнив буфер, переходит в режим ожидания.

В задаче с ограниченным буфером у исполнителя и потребителя будет общая память. Если общее количество произведенных товаров равно размеру буфера, то исполнитель будет ждать их потребления.

Аналогично потребитель сначала проверит наличие товара, и если ни один элемент не будет доступен, придётся ждать его освобождения.

Метод анализа сообщений

С помощью этого метода процессы взаимодействуют друг с другом без использования общей памяти. Допустим, есть два процесса, p1 и p2, которые хотят взаимодействовать друг с другом. Они работают следующим образом:

• Устанавливается связь (если её ещё не существует).
• Начинается обмен сообщениями с помощью базовых примитивов. Нам нужно как минимум два примитива – отправить (сообщение, пункт назначения) или получить (сообщение).

Размер сообщения может быть фиксированным или переменным. Проектировщикам ОС проще работать с сообщениями фиксированного размера, а программистам – переменного. Стандартное сообщение состоит из двух частей – заголовка и тела.

Управление вводом и выводом

Одной из важнейших задач операционной системы является управление различными устройствами ввода и вывода вроде мыши, клавиатуры, дисководов, etc.

Система ввода и вывода принимает запрос приложения на ввод или вывод данных, а затем отправляет его на соответствующее физическое устройство. После возвращает приложению полученный ответ. Устройства ввода и вывода можно разделить на две категории:

• Блочные: то есть устройства, с которыми драйверы связываются, отправляя целые блоки данных. Например, жесткие диски, USB-камеры, Disk-On-Key.
• Символьные: те устройства, с которыми драйвер связывается, отправляя и получая одиночные символы (байты или октеты). Например, последовательные порты, параллельные порты, звуковые карты и так далее.

ЦПУ должен иметь способ передачи информации на устройство ввода-вывода и обратно. И есть три способа сделать это:

Особые, неуниверсальные инструкции процессора, внедренные специально для контроля устройств ввода-вывода. Они позволяют отправлять данные на устройство и считывать их оттуда.

1. Входы и выходы с отображением памяти

Когда используется ввод-вывод с отображением памяти, одно и то же адресное пространство разделяется памятью и устройствами ввода-вывода. Устройство подключается непосредственно к ячейкам памяти так, чтобы можно было передавать блок данных без применения ЦПУ.

1. Прямой доступ к памяти (DMA)

Медленные устройства, такие как клавиатуры, генерируют прерывания ЦПУ после передачи каждого байта. Если бы быстрые устройства работали похожим образом, то ОС бы тратила большую часть времени впустую, на обработку этих прерываний. Поэтому для снижения нагрузки обычно используется прямой доступ к памяти (DMA).

Это означает, что ЦПУ предоставляет модулю ввода и вывода полномочия для чтения или записи в память. Сам модуль управляет обменом данными между основной памятью и устройством ввода-вывода. ЦПУ участвует в начале и конце передачи, а прерывается только после полной передачи блока.

Организация прямого доступа к памяти требует специального оборудования, называемого контроллером DMA (DMAC). Он управляет передачей данных и доступом к системной шине. Контроллеры запрограммированы с указателями источника и места назначения, счетчиками для отслеживания количества переданных байтов и прочими настройками.

Виртуализация

Технология, которая позволяет создавать несколько сред или выделенных ресурсов из единой физической аппаратной системы называется виртуализация

Программное обеспечение, гипервизор, напрямую подключается к этой аппаратной системе и позволяет разбить ее на отдельные, безопасные среды – виртуальные машины. По идее, гипервизор должен аппаратные ресурсы между виртуальными машинами так, чтобы процессы выполнялись быстрее.

Физическая машина с гипервизором называется хостом, а виртуальные машины, которые используют ресурсы данного хоста – гостями. Для них ангаром ресурсов являются процессор, память, хранилище. Для получения доступа к этим ресурсам операторы управляют виртуальными экземплярами.

В идеале, все связанные виртуальные машины управляются с помощью единой веб-консоли управления виртуализацией. Она нужна, чтобы ускорять работу. Виртуализация позволяет определить, сколько вычислительной мощности и памяти выделять виртуальным машинам. Кроме того, так как виртуальные машины технически не связаны между собой, это повышает безопасность сред.

Проще говоря, виртуализация создает дополнительные мощности для выполнения процессов.

Типы виртуализации

1. Данные: позволяет компаниям обеспечивать вычислительные мощности для объединения данных из нескольких источников, размещения новых источников и преобразования данных в соответствии с потребностями пользователя.
2. Рабочий стол: легко спутать с виртуализацией операционной системы. Виртуализация рабочего стола позволяет центральному администратору одновременно развёртывать смоделированные среды на сотнях физических машин. Виртуальные системы позволяют администраторам выполнять массовые конфигурации, обновления и проверки безопасности на всех устройствах сразу.
3. Серверы: программная имитация с помощью специального ПО аппаратного обеспечения компьютера: процессор, память, жесткий диск, и т. д. На такой виртуальный компьютер можно установить операционную систему, и она будет на нем работать точно так же, как и на простом, «железном» компьютере. Самое интересное достоинство этой технологии – это возможность запуска нескольких виртуальных компьютеров внутри одного физического. При этом, все виртуальные компьютеры могут работать независимо друг от друга.
   Сервер – компьютер, спроектированный под выполнение большого объема специфических задач. Виртуализация сервера позволит ему выполнять больше этих специальных задач, а также разделить функционал на разные компоненты.
4. ОС: это способ одновременного запуска Linux и Windows-сред. Преимущество в том, что это уменьшает затраты на оборудование, повышает безопасность и экономит время на обслуживании.
5. Сетевые функции: разделяет ключевые функции сети (например, службы каталогов, общий доступ к файлам и IP-конфигурацию) для распределения между средами. Виртуальные сети сокращают количество физических компонентов: коммутаторов, маршрутизаторов, серверов, кабелей.

Система файловой дистрибуции

Распределенная файловая система – это клиентское или клиент-серверное приложение, которое позволяет получать и обрабатывать данные. Они хранятся на сервере, как если бы они находились на персональном компьютере. Когда пользователь запрашивает файл, сервер отправляет ему копию запрашиваемого файла, который кэшируется на компьютере пользователя во время обработки данных, а затем возвращается на сервер.

Бывает так, что за одними и теми же данными одновременно обращаются сразу несколько пользователей. Для этих целей сервер должен иметь механизм организации обновлений, чтобы клиент всегда получал самую актуальную версию данных. Распределенные файловые системы обычно используют репликацию файлов или баз данных для защиты от сбоев.

Сетевая файловая система Sun Microsystems (NFS), Novell NetWare, распределенная файловая система Microsoft и DFS от IBM являются примерами распределенных файловых систем.

Распределенная общая память

Распределенная общая память (DSM) – это компонент управления ресурсами распределенной операционной системы. В DSM доступ к данным осуществляется из общего пространства, аналогично способу доступа к виртуальной памяти. Данные перемещаются между дополнительной и основной памятью, а также между разными узлами. Изменения прав собственности происходят, когда данные перемещаются с одного узла на другой.

Преимущества распределенной общей памяти:

• Программистам можно не беспокоиться о передаче памяти между машинами, потому что перемещение данных можно скрыть;
• Можно передавать сложные структуры по ссылке, упрощая разработку алгоритмов для распределенных приложений;
• Это дешевле, чем многопроцессорные системы и может быть реализовано с использованием обычного оборудования;
• Можно использовать неограниченное количество узлов;
• Программы, написанные для мультипроцессоров с общей памятью, могут быть запущены в системах DSM.

Облачные вычисления

Всё больше процессов переходит в облако. По сути, облачные вычисления – это своего рода аутсорсинг компьютерных программ. Используя облачные вычисления, пользователи могут получать доступ к программному обеспечению и приложениям из любого места. Это означает, что им не нужно беспокоиться о таких вещах, как хранение данных и питание компьютера.

Традиционные бизнес-приложения всегда были очень сложными, дорогими в обслуживании – нужна команда экспертов для установки, настройки, тестирования, запуска, защиты и обновления. Это одна из причин, почему стартапы проигрывают корпорациям.

Используя облачные вычисления, вы передаёте ответственность за аппаратное и программное обеспечение опытным специалистам, таким как Salesforce и AWS. Вы платите только за то, что вам нужно, апгрейд платежного плана производится автоматически по мере ваших потребностей, а масштабирование системы протекает без особых сложностей.

Приложения на базе облачных вычислений могут работать эффективнее, дольше и стоить дешевле. Уже сейчас компании используют облачные приложения для множества приложений, таких как управление отношениями с клиентами (CRM), HR, учет и так далее.

Итоги

В заключение хочется ещё раз вернуться к тому, зачем вообще разбираться в том как работают операционные системы. Операционная система – это «мозг», который управляет входными, обрабатываемыми и выходными данными. Все остальные компоненты также взаимодействуют с операционной системой. Понимание того, как работают операционные системы, прояснит некоторые детали и в других компьютерных науках, ведь взаимодействие с ними организуется именно средствами ОС.

Разобрались, как работают операционные системы? Вот ещё несколько интересных статей на тему:

Источник: Как работают операционные системы: 10 концептов, которые нужно знать разработчикам on Medium.