ГЛАВА 2. ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ ЯДРА ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

В предыдущей главе был сделан только поверхностный обзор особенностей операционной среды UNIX. В этой главе основное внимание уделяется ядру операционной системы, делается обзор его архитектуры и излагаются в общих чертах основные понятия и структуры, существенные для понимания всего последующего материала книги.

2.1 АРХИТЕКТУРА ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ UNIХ

Как уже ранее было замечено (см. [Christian 83], стр.239), в системе UNIX создается иллюзия того, что файловая система имеет «места» и что у процессов есть «жизнь». Обе сущности, файлы и процессы, являются центральными понятиями модели операционной системы UNIX. На Рисунке 2.1 представлена блок-схема ядра системы, отражающая состав модулей, из которых состоит ядро, и их взаимосвязи друг с другом. В частности, на ней слева изображена файловая подсистема, а справа подсистема управления процессами, две главные компоненты ядра. Эта схема дает логическое представление о ядре, хотя в действительности в структуре ядра имеются отклонения от модели, поскольку отдельные модули испытывают внутреннее воздействие со стороны других модулей.
Схема на Рисунке 2.1 имеет три уровня: уровень пользователя, уровень ядра и уровень аппаратуры. Обращения к операционной системе и библиотеки составляют границу между пользовательскими программами и ядром, проведенную на Рисунке 1.1. Обращения к операционной системе выглядят так же, как обычные вызовы функций в программах на языке Си, и библиотеки устанавливают соответствие между этими вызовами функций и элементарными системными операциями, о чем более подробно см. в главе 6. При этом программы на ассемблере могут обращаться к операционной системе непосредственно, без использования библиотеки системных вызовов. Программы часто обращаются к другим библиотекам, таким как библиотека стандартных подпрограмм ввода-вывода, достигая тем самым более полного использования системных услуг. Для этого во время компиляции библиотеки связываются с программами и частично включаются в программу пользователя. Далее мы проиллюстрируем эти моменты на примере.
На рисунке совокупность обращений к операционной системе разделена на те обращения, которые взаимодействуют с подсистемой управления файлами, и те, которые взаимодействуют с подсистемой управления процессами. Файловая подсистема управляет файлами, размещает записи файлов, управляет свободным пространством, доступом к файлам и поиском данных для пользователей. Процессы взаимодействуют с подсистемой управления файлами, используя при этом совокупность специальных обращений к операционной системе, таких как open (для того, чтобы открыть файл на чтение или запись), close, read, write, stat (запросить атрибуты файла), chown (изменить запись с информацией о владельце файла) и chmod (изменить права доступа к файлу). Эти и другие операции рассматриваются в главе 5.
Подсистема управления файлами обращается к данным, которые хранятся в файле, используя буферный механизм, управляющий потоком данных между ядром и устройствами внешней памяти. Буферный механизм, взаимодействуя с драйверами устройств ввода-вывода блоками, инициирует передачу данных к ядру и обратно. Драйверы устройств являются такими модулями в составе ядра, которые управляют работой периферийных устройств. Устройства ввода-вывода блоками относятся программы пользователя
  Рисунок 2.1. Блок-схема ядра операционной системы
к типу запоминающих устройств с произвольной выборкой; их драйверы построены таким образом, что все остальные компоненты системы воспринимают эти устройства как запоминающие устройства с произвольной выборкой. Например, драйвер запоминающего устройства на магнитной ленте позволяет ядру системы воспринимать это устройство как запоминающее устройство с произвольной выборкой. Подсистема управления файлами также непосредственно взаимодействует с драйверами устройств «неструктурированного» ввода-вывода, без вмешательства буферного механизма. К устройствам неструктурированного ввода-вывода, иногда именуемым устройствами посимвольного ввода-вывода (текстовыми), относятся устройства, отличные от устройств ввода-вывода блоками.
Подсистема управления процессами отвечает за синхронизацию процессов, взаимодействие процессов, распределение памяти и планирование выполнения процессов. Подсистема управления файлами и подсистема управления процессами взаимодействуют между собой, когда файл загружается в память на выполнение (см. главу 7): подсистема управления процессами читает в память исполняемые файлы перед тем, как их выполнить.
Примерами обращений к операционной системе, используемых при управлении процессами, могут служить fork (создание нового процесса), exec (наложение образа программы на выполняемый процесс), exit (завершение выполнения процесса), wait (синхронизация продолжения выполнения основного процесса с моментом выхода из порожденного процесса), brk (управление размером памяти, выделенной процессу) и signal (управление реакцией процесса на возникновение экстраординарных событий). Глава 7 посвящена рассмотрению этих и других системных вызовов.
Модуль распределения памяти контролирует выделение памяти процессам. Если в какой-то момент система испытывает недостаток в физической памяти для запуска всех процессов, ядро пересылает процессы между основной и внешней памятью с тем, чтобы все процессы имели возможность выполняться. В главе 9 описываются два способа управления распределением памяти: выгрузка (подкачка) и замещение страниц. Программу подкачки иногда называют планировщиком, т. к. она «планирует» выделение памяти процессам и оказывает влияние на работу планировщика центрального процессора. Однако в дальнейшем мы будем стараться ссылаться на нее как на «программу подкачки», чтобы избежать путаницы с планировщиком центрального процессора.
Модуль «планировщик» распределяет между процессами время центрального процессора. Он планирует очередность выполнения процессов до тех пор, пока они добровольно не освободят центральный процессор, дождавшись выделения какого-либо ресурса, или до тех пор, пока ядро системы не выгрузит их после того, как их время выполнения превысит заранее определенный квант времени. Планировщик выбирает на выполнение готовый к запуску процесс с наивысшим приоритетом; выполнение предыдущего процесса (приостановленного) будет продолжено тогда, когда его приоритет будет наивысшим среди приоритетов всех готовых к запуску процессов. Существует несколько форм взаимодействия процессов между собой, от асинхронного обмена сигналами о событиях до синхронного обмена сообщениями.
Наконец, аппаратный контроль отвечает за обработку прерываний и за связь с машиной. Такие устройства, как диски и терминалы, могут прерывать работу центрального процессора во время выполнения процесса. При этом ядро системы после обработки прерывания может возобновить выполнение прерванного процесса. Прерывания обрабатываются не самими процессами, а специальными функциями ядра системы, перечисленными в контексте выполняемого процесса.

2.2 ВВЕДЕНИЕ В ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИСТЕМЫ

В это разделе дается обзор некоторых основных информационных структур, используемых ядром системы, и более подробно описывается функционирование модулей ядра, показанных на Рисунке 2.1.

2.2.1 Обзор особенностей подсистемы управления файлами

Внутреннее представление файла описывается в индексе, который содержит описание размещения информации файла на диске и другую информацию, такую как владелец файла, права доступа к файлу и время доступа. Термин «индекс» (inode) широко используется в литературе по системе UNIX. Каждый файл имеет один индекс, но может быть связан с несколькими именами, которые все отражаются в индексе. Каждое имя является указателем. Когда процесс обращается к файлу по имени, ядро системы анализирует по очереди каждую компоненту имени файла, проверяя права процесса на просмотр входящих в путь поиска каталогов, и в конце концов возвращает индекс файла. Например, если процесс обращается к системе:
open("/fs2/mjb/rje/sourcefile", 1);
ядро системы возвращает индекс для файла «/fs2/mjb/rje/sourcefile». Если процесс создает новый файл, ядро присваивает этому файлу неиспользуемый индекс. Индексы хранятся в файловой системе (и это мы еще увидим), однако при обработке файлов ядро заносит их в таблицу индексов в оперативной памяти.
Ядро поддерживает еще две информационные структуры, таблицу файлов и пользовательскую таблицу дескрипторов файла. Таблица файлов выступает глобальной структурой ядра, а пользовательская таблица дескрипторов файла выделяется под процесс. Если процесс открывает или создает файл, ядро выделяет в каждой таблице элемент, корреспондирующий с индексом файла. Элементы в этих трех структурах — в пользовательской таблице дескрипторов файла, в таблице файлов и в таблице индексов — хранят информацию о состоянии файла и о доступе пользователей к нему. В таблице файлов хранится смещение в байтах от начала файла до того места, откуда начнет выполняться следующая команда пользователя read или write, а также информация о правах доступа к открываемому процессу. Таблица дескрипторов файла идентифицирует все открытые для процесса файлы. На Рисунке 2.2 показаны эти таблицы и связи между ними. В системных операциях open (открыть) и creat (создать) ядро возвращает дескриптор файла, которому соответствует указатель в таблице дескрипторов файла. При выполнении операций read (читать) и write (писать) ядро использует дескриптор файла для входа в таблицу дескрипторов и, следуя указателям на таблицу файлов и на таблицу индексов, находит информацию в файле. Более подробно эти информационные структуры рассматриваются в главах 4 и 5. Сейчас достаточно сказать, что использование этих таблиц обеспечивает различную степень разделения доступа к файлу.
  Рисунок 2.2. Таблицы файлов, дескрипторов файла и индексов
Обычные файлы и каталоги хранятся в системе UNIX на устройствах ввода-вывода блоками, таких как магнитные ленты или диски. Поскольку существует некоторое различие во времени доступа к этим устройствам, при установке системы UNIX на лентах размещают файловые системы. С годами бездисковые автоматизированные рабочие места станут общим случаем, и файлы будут располагаться в удаленной системе, доступ к которой будет осуществляться через сеть (см. главу 13). Для простоты, тем не менее, в последующем тексте подразумевается использование дисков. В системе может быть несколько физических дисков, на каждом из которых может размещаться одна и более файловых систем. Разбивка диска на несколько файловых систем облегчает администратору управление хранимыми данными. На логическом уровне ядро имеет дело с файловыми системами, а не с дисками, при этом каждая система трактуется как логическое устройство, идентифицируемое номером. Преобразование адресов логического устройства (файловой системы) в адреса физического устройства (диска) и обратно выполняется дисковым драйвером. Термин «устройство» в этой книге используется для обозначения логического устройства, кроме специально оговоренных случаев.
Файловая система состоит из последовательности логических блоков длиной 512, 1024, 2048 или другого числа байт, кратного 512, в зависимости от реализации системы. Размер логического блока внутри одной файловой системы постоянен, но может варьироваться в разных файловых системах в данной конфигурации. Использование логических блоков большого размера увеличивает скорость передачи данных между диском и памятью, поскольку ядро сможет передать больше информации за одну дисковую операцию, и сокращает количество продолжительных операций. Например, чтение 1 Кбайта с диска за одну операцию осуществляется быстрее, чем чтение 512 байт за две. Однако, если размер логического блока слишком велик, полезный объем памяти может уменьшиться, это будет показано в главе 5. Для простоты термин «блок» в этой книге будет использоваться для обозначения логического блока, при этом подразумевается логический блок размером 1 Кбайт, кроме специально оговоренных случаев.
  Рисунок 2.3. Формат файловой системы
Файловая система имеет следующую структуру (Рисунок 2.3).
• Блок загрузки располагается в начале пространства, отведенного под файловую систему, обычно в первом секторе, и содержит программу начальной загрузки, которая считывается в машину при загрузке или инициализации операционной системы. Хотя для запуска системы требуется только один блок загрузки, каждая файловая система имеет свой (пусть даже пустой) блок загрузки.
• Суперблок описывает состояние файловой системы — какого она размера, сколько файлов может в ней храниться, где располагается свободное пространство, доступное для файловой системы, и другая информация.
• Список индексов в файловой системе располагается вслед за суперблоком. Администраторы указывают размер списка индексов при генерации файловой системы. Ядро операционной системы обращается к индексам, используя указатели в списке индексов. Один из индексов является корневым индексом файловой системы: это индекс, по которому осуществляется доступ к структуре каталогов файловой системы после выполнения системной операции mount (монтировать) (раздел 5.14).
• Информационные блоки располагаются сразу после списка индексов и содержат данные файлов и управляющие данные. Отдельно взятый информационный блок может принадлежать одному и только одному файлу в файловой системе.

2.2.2 Процессы

В этом разделе мы рассмотрим более подробно подсистему управления процессами. Даются разъяснения по поводу структуры процесса и некоторых информационных структур, используемых при распределении памяти под процессы. Затем дается предварительный обзор диаграммы состояния процессов и затрагиваются различные вопросы, связанные с переходами из одного состояния в другое.
Процессом называется последовательность операций при выполнении программы, которые представляют собой наборы байтов, интерпретируемые центральным процессором как машинные инструкции (т. н. «текст»), данные и стековые структуры. Создается впечатление, что одновременно выполняется множество процессов, поскольку их выполнение планируется ядром, и, кроме того, несколько процессов могут быть экземплярами одной программы. Выполнение процесса заключается в точном следовании набору инструкций, который является замкнутым и не передает управление набору инструкций другого процесса; он считывает и записывает информацию в раздел данных и в стек, но ему недоступны данные и стеки других процессов. Одни процессы взаимодействуют с другими процессами и с остальным миром посредством обращений к операционной системе.
С практической точки зрения процесс в системе UNIX является объектом, создаваемым в результате выполнения системной операции fork. Каждый процесс, за исключением нулевого, порождается в результате запуска другим процессом операции fork. Процесс, запустивший операцию fork, называется родительским, а вновь созданный процесс — порожденным. Каждый процесс имеет одного родителя, но может породить много процессов. Ядро системы идентифицирует каждый процесс по его номеру, который называется идентификатором процесса (PID). Нулевой процесс является особенным процессом, который создается «вручную» в результате загрузки системы; после порождения нового процесса (процесс 1) нулевой процесс становится процессом подкачки. Процесс 1, известный под именем init, является предком любого другого процесса в системе и связан с каждым процессом особым образом, описываемым в главе 7.
Пользователь, транслируя исходный текст программы, создает исполняемый файл, который состоит из нескольких частей:
• набора «заголовков», описывающих атрибуты файла,
• текста программы,
• представления на машинном языке данных, имеющих начальные значения при запуске программы на выполнение, и указания на то, сколько пространства памяти ядро системы выделит под неинициализированные данные, так называемые bss [6]  (ядро устанавливает их в 0 в момент запуска),
• других секций, таких как информация символических таблиц.
Для программы, приведенной на Рисунке 1.3, текст исполняемого файла представляет собой сгенерированный код для функций main и copy, к определенным данным относится переменная version (вставленная в программу для того, чтобы в последней имелись некоторые определенные данные), а к неопределенным — массив buffer. Компилятор с языка Си для системы версии V создает отдельно текстовую секцию по умолчанию, но не исключается возможность включения инструкций программы и в секцию данных, как в предыдущих версиях системы.
Ядро загружает исполняемый файл в память при выполнении системной операции exec, при этом загруженный процесс состоит по меньшей мере из трех частей, так называемых областей: текста, данных и стека. Области текста и данных корреспондируют с секциями текста и bss-данных исполняемого файла, а область стека создается автоматически и ее размер динамически устанавливается ядром системы во время выполнения. Стек состоит из логических записей активации, помещаемых в стек при вызове функции и выталкиваемых из стека при возврате управления в вызвавшую процедуру; специальный регистр, именуемый указателем вершины стека, показывает текущую глубину стека. Запись активации включает параметры передаваемые функции, ее локальные переменные, а также данные, необходимые для восстановления предыдущей записи активации, в том числе значения счетчика команд и указателя вершины стека в момент вызова функции. Текст программы включает последовательности команд, управляющие увеличением стека, а ядро системы выделяет, если нужно, место под стек. В программе на Рисунке 1.3 параметры argc и argv, а также переменные fdold и fdnew, содержащиеся в вызове функции main, помещаются в стек, как только встретилось обращение к функции main (один раз в каждой программе, по условию), так же и параметры old и new и переменная count, содержащиеся в вызове функции copy, помещаются в стек в момент обращения к указанной функции.
  Рисунок 2.4. Стеки задачи и ядра для программы копирования.
Поскольку процесс в системе UNIX может выполняться в двух режимах, режиме ядра или режиме задачи, он пользуется в каждом из этих режимов отдельным стеком. Стек задачи содержит аргументы, локальные переменные и другую информацию относительно функций, выполняемых в режиме задачи. Слева на Рисунке 2.4 показан стек задачи для процесса, связанного с выполнением системной операции write в программе copy. Процедура запуска процесса (включенная в библиотеку) обратилась к функции main с передачей ей двух параметров, поместив в стек задачи запись 1; в записи 1 есть место для двух локальных переменных функции main. Функция main затем вызывает функцию copy с передачей ей двух параметров, old и new, и помещает в стек задачи запись 2; в записи 2 есть место для локальной переменной count. Наконец, процесс активизирует системную операцию write, вызвав библиотечную функцию с тем же именем. Каждой системной операции соответствует точка входа в библиотеке системных операций; библиотека системных операций написана на языке ассемблера и включает специальные команды прерывания, которые, выполняясь, порождают «прерывание», вызывающее переключение аппаратуры в режим ядра. Процесс ищет в библиотеке точку входа, соответствующую отдельной системной операции, подобно тому, как он вызывает любую из функций, создавая при этом для библиотечной функции запись активации. Когда процесс выполняет специальную инструкцию, он переключается в режим ядра, выполняет операции ядра и использует стек ядра.
Стек ядра содержит записи активации для функций, выполняющихся в режиме ядра. Элементы функций и данных в стеке ядра соответствуют функциям и данным, относящимся к ядру, но не к программе пользователя, тем не менее, конструкция стека ядра подобна конструкции стека задачи. Стек ядра для процесса пуст, если процесс выполняется в режиме задачи. Справа на Рисунке 2.4 представлен стек ядра для процесса выполнения системной операции write в программе copy. Подробно алгоритмы выполнения системной операции write будут описаны в последующих разделах.
  Рисунок 2.5. Информационные структуры для процессов
Каждому процессу соответствует точка входа в таблице процессов ядра, кроме того, каждому процессу выделяется часть оперативной памяти, отведенная под задачу пользователя. Таблица процессов включает в себя указатели на промежуточную таблицу областей процессов, точки входа в которую служат в качестве указателей на собственно таблицу областей. Областью называется непрерывная зона адресного пространства, выделяемая процессу для размещения текста, данных и стека. Точки входа в таблицу областей описывают атрибуты области, как например, хранятся ли в области текст программы или данные, закрытая ли эта область или же совместно используемая, и где конкретно в памяти размещается содержимое области. Внешний уровень косвенной адресации (через промежуточную таблицу областей, используемых процессами, к собственно таблице областей) позволяет независимым процессам совместно использовать области. Когда процесс запускает системную операцию exec, ядро системы выделяет области под ее текст, данные и стек, освобождая старые области, которые использовались процессом. Если процесс запускает операцию fork, ядро удваивает размер адресного пространства старого процесса, позволяя процессам совместно использовать области, когда это возможно, и, с другой стороны, производя физическое копирование. Если процесс запускает операцию exit, ядро освобождает области, которые использовались процессом. На Рисунке 2.5 изображены информационные структуры, связанные с запуском процесса. Таблица процессов ссылается на промежуточную таблицу областей, используемых процессом, в которой содержатся указатели на записи в собственно таблице областей, соответствующие областям для текста, данных и стека процесса.
Запись в таблице процессов и часть адресного пространства задачи, выделенная процессу, содержат управляющую информацию и данные о состоянии процесса. Это адресное пространство является расширением соответствующей записи в таблице процессов, различия между данными объектами будут рассмотрены в главе 6. В качестве полей в таблице процессов, которые рассматриваются в последующих разделах, выступают:
• поле состояния,
• идентификаторы, которые характеризуют пользователя, являющегося владельцем процесса (код пользователя или UID),
• значение дескриптора события, когда процесс приостановлен (находится в состоянии «сна»).
Адресное пространство задачи, выделенное процессу, содержит описывающую процесс информацию, доступ к которой должен обеспечиваться только во время выполнения процесса. Важными полями являются:
• указатель на позицию в таблице процессов, соответствующую текущему процессу,
• параметры текущей системной операции, возвращаемые значения и коды ошибок,
• дескрипторы файла для всех открытых файлов,
• внутренние параметры ввода-вывода,
• текущий каталог и текущий корень (см. главу 5),
• границы файлов и процесса.
Ядро системы имеет непосредственный доступ к полям адресного пространства задачи, выделенного выполняемому процессу, но не имеет доступ к соответствующим полям других процессов. С точки зрения внутреннего алгоритма, при обращении к адресному пространству задачи, выделенному выполняемому процессу, ядро ссылается на структурную переменную u, и, когда запускается на выполнение другой процесс, ядро перенастраивает виртуальные адреса таким образом, чтобы структурная переменная u указывала бы на адресное пространство задачи для нового процесса. В системной реализации предусмотрено облегчение идентификации текущего процесса благодаря наличию указателя на соответствующую запись в таблице процессов из адресного пространства задачи.

2.2.2.1 Контекст процесса

Контекстом процесса является его состояние, определяемое текстом, значениями глобальных переменных пользователя и информационными структурами, значениями используемых машинных регистров, значениями, хранимыми в позиции таблицы процессов и в адресном пространстве задачи, а также содержимым стеков задачи и ядра, относящихся к данному процессу. Текст операций системы и ее глобальные информационные структуры совместно используются всеми процессами, но не являются составной частью контекста процесса.
Говорят, что при запуске процесса система исполняется в контексте процесса. Когда ядро системы решает запустить другой процесс, оно выполняет переключение контекста с тем, чтобы система исполнялась в контексте другого процесса. Ядро осуществляет переключение контекста только при определенных условиях, что мы увидим в дальнейшем. Выполняя переключение контекста, ядро сохраняет информацию, достаточную для того, чтобы позднее переключиться вновь на первый процесс и возобновить его выполнение. Аналогичным образом, при переходе из режима задачи в режим ядра, ядро системы сохраняет информацию, достаточную для того, чтобы позднее вернуться в режим задачи и продолжить выполнение с прерванного места. Однако, переход из режима задачи в режим ядра является сменой режима, но не переключением контекста. Если обратиться еще раз к Рисунку 1.5, можно сказать, что ядро выполняет переключение контекста, когда меняет контекст процесса A на контекст процесса B; оно меняет режим выполнения с режима задачи на режим ядра и наоборот, оставаясь в контексте одного процесса, например, процесса A.
Ядро обрабатывает прерывания в контексте прерванного процесса, пусть даже оно и не вызывало никакого прерывания. Прерванный процесс мог при этом выполняться как в режиме задачи, так и в режиме ядра. Ядро сохраняет информацию, достаточную для того, чтобы можно было позже возобновить выполнение прерванного процесса, и обрабатывает прерывание в режиме ядра. Ядро не порождает и не планирует порождение какого-то особого процесса по обработке прерываний.

2.2.2.2 Состояния процесса

Время жизни процесса можно разделить на несколько состояний, каждое из которых имеет определенные характеристики, описывающие процесс. Все состояния процесса рассматриваются в главе 6, однако представляется существенным для понимания перечислить некоторые из состояний уже сейчас:
1. Процесс выполняется в режиме задачи.
2. Процесс выполняется в режиме ядра.
3. Процесс не выполняется, но готов к выполнению и ждет, когда планировщик выберет его. В этом состоянии может находиться много процессов, и алгоритм планирования устанавливает, какой из процессов будет выполняться следующим.
4. Процесс приостановлен («спит»). Процесс «впадает в сон», когда он не может больше продолжать выполнение, например, когда ждет завершения ввода-вывода.
Поскольку процессор в каждый момент времени выполняет только один процесс, в состояниях 1 и 2 может находиться самое большее один процесс. Эти два состояния соответствуют двум режимам выполнения, режиму задачи и режиму ядра.

2.2.2.3 Переходы из состояния в состояние

Состояния процесса, перечисленные выше, дают статическое представление о процессе, однако процессы непрерывно переходят из состояния в состояние в соответствии с определенными правилами. Диаграмма переходов представляет собой ориентированный граф, вершины которого представляют собой состояния, в которые может перейти процесс, а дуги — события, являющиеся причинами перехода процесса из одного состояния в другое. Переход между двумя состояниями разрешен, если существует дуга из первого состояния во второе. Несколько дуг может выходить из одного состояния, однако процесс переходит только по одной из них в зависимости от того, какое событие произошло в системе. На Рисунке 2.6 представлена диаграмма переходов для состояний, перечисленных выше.
Как уже говорилось выше, в режиме разделения времени может выполняться одновременно несколько процессов, и все они могут одновременно работать в режиме ядра. Если им разрешить свободно выполняться в режиме ядра, то они могут испортить глобальные информационные структуры, принадлежащие ядру. Запрещая произвольное переключение контекстов и управляя возникновением событий, ядро защищает свою целостность.
Ядро разрешает переключение контекста только тогда, когда процесс переходит из состояния «запуск в режиме ядра» в состояние «сна в памяти». Процессы, запущенные в режиме ядра, не могут быть выгружены другими процессами; поэтому иногда говорят, что ядро не выгружаемо, при этом процессы, находящиеся в режиме задачи, могут выгружаться системой. Ядро поддерживает целостность своих информационных структур, поскольку оно не выгружаемо, таким образом решая проблему «взаимного исключения» — обеспечения того, что критические секции программы выполняются в каждый момент времени в рамках самое большее одного процесса.
В качестве примера рассмотрим программу (Рисунок 2.7) включения информационной структуры, чей адрес содержится в указателе bp1, в список с использованием указателей после структуры, чей адрес содержится в bp. Если система разрешила переключение контекста при выполнении ядром фрагмента программы, возможно возникновение следующей ситуации. Предположим, ядро выполняет программу до комментариев и затем осуществляет переключение контекста. Список с использованием сдвоенных указателей имеет противоречивый вид: структура bp1 только наполовину входит в этот список. Если процесс следует за передними указателями, он обнаружит bp1 в данном списке, но если он последует за фоновыми указателями, то вообще не найдет структуру bp1 (Рисунок 2.8). Если другие процессы будут обрабатывать указатели в списке до момента повторного запуска первого процесса, структура списка может постоянно разрушаться. Система UNIX предупреждает возникновение подобных ситуаций, запрещая переключение контекстов на время выполнения процесса в режиме ядра. Если процесс переходит в состояние «сна», делая допустимым переключение контекста, алгоритмы ядра обеспечивают защиту целостности информационных структур системы.
  Рисунок 2.6. Состояния процесса и переходы между ними
Проблемой, которая может привести к нарушению целостности информации ядра, является обработка прерываний, могущая вносить изменения в информацию о состоянии ядра. Например, если ядро выполняло программу, приведенную на Рисунке 2.7, и получило прерывание по достижении комментариев, программа обработки прерываний может разрушить ссылки, если будет манипулировать указателями, как было показано ранее. Чтобы решить эту проблему, система могла бы запретить все прерывания на время работы в режиме ядра, но при этом затянулась бы обработка прерывания, что в конечном счете нанесло бы ущерб производительности системы. Вместо этого ядро повышает приоритет прерывания процессора, запрещая прерывания на время выполнения критических секций программы. Секция программы является критической, если в процессе ее выполнения запуск программ обработки произвольного прерывания может привести к возникновению проблем, имеющих отношение к нарушению целостности. Например, если программа обработки прерывания от диска работает с буферными очередями, то часть прерываемой программы, при выполнении которой ядро обрабатывает буферные очереди, является критической секцией по отношению к программе обработки прерывания от диска. Критические секции невелики по размеру и встречаются нечасто, поэтому их существование не оказывает практически никакого воздействия на производительность системы. В других операционных системах данный вопрос решается путем запрещения любых прерываний при работе в системных режимах или путем разработки схем блокировки, обеспечивающих целостность. В главе 12 мы еще вернемся к этому вопросу, когда будем говорить о многопроцессорных системах, где применения указанных мер для решения проблемы недостаточно.
  struct queue {
  } *bp, *bp1;
  bp1-›forp = bp-›forp;
  bp1-›backp = bp;
  bp-›forp = bp1; /* здесь рассмотрите возможность переключения контекста */
  bp1-›forp-›backp = bp1;
  Рисунок 2.7. Пример программы, создающей список с двунаправленными указателями
  Рисунок 2.8. Список с указателями, некорректный из-за переключения контекста
Чтобы подвести черту, еще раз скажем, что ядро защищает свою целостность, разрешая переключение контекста только тогда, когда процесс переходит в состояние «сна», а также препятствуя воздействию одного процесса на другой с целью изменения состояния последнего. Оно также повышает приоритет прерывания процессора на время выполнения критических секций программ, запрещая таким образом прерывания, которые в противном случае могут вызвать нарушение целостности. Планировщик процессов периодически выгружает процессы, выполняющиеся в режиме задачи, для того, чтобы процессы не могли монопольно использовать центральный процессор.

2.2.2.4 «Сон» и пробуждение

Процесс, выполняющийся в режиме ядра, имеет значительную степень автономии в решении того, как ему следует реагировать на возникновение системных событий. Процессы могут общаться между собой и «предлагать» различные альтернативы, но при этом окончательное решение они принимают самостоятельно. Мы еще увидим, что существует набор правил, которым подчиняется поведение процессов в различных обстоятельствах, но каждый процесс в конечном итоге следует этим правилам по своей собственной инициативе. Например, если процесс должен временно приостановить выполнение («перейти ко сну»), он это делает по своей доброй воле. Следовательно, программа обработки прерываний не может приостановить свое выполнение, ибо если это случится, прерванный процесс должен был бы «перейти ко сну» по умолчанию.
Процессы приостанавливают свое выполнение, потому что они ожидают возникновения некоторого события, например, завершения ввода-вывода на периферийном устройстве, выхода, выделения системных ресурсов и т. д. Когда говорят, что процесс приостановился по событию, то имеется ввиду, что процесс находится в состоянии «сна» до наступления события, после чего он пробудится и перейдет в состояние «готовности к выполнению». Одновременно могут приостановиться по событию много процессов; когда событие наступает, все процессы, приостановленные по событию, пробуждаются, поскольку значение условия, связанного с событием, больше не является «истинным». Когда процесс пробуждается, он переходит из состояния «сна» в состояние «готовности к выполнению», находясь в котором он уже может быть выбран планировщиком; следует обратить внимание на то, что он не выполняется немедленно. Приостановленные процессы не занимают центральный процессор. Ядру системы нет надобности постоянно проверять то, что процесс все еще приостановлен, т. к. ожидает наступления события, и затем будить его.
Например, процесс, выполняемый в режиме ядра, должен иногда блокировать структуру данных на случай приостановки в будущем; процессы, пытающиеся обратиться к заблокированной структуре, обязаны проверить наличие блокировки и приостановить свое выполнение, если структура заблокирована другим процессом. Ядро выполняет блокировки такого рода следующим образом:
while (условие «истинно») sleep (событие: условие принимает значение «ложь»);
set condition true;
Ядро снимает блокировку и «будит» все процессы, приостановленные из-за этой блокировки, следующим образом:
set condition false;
wakeup (событие: условие «ложно»);
На Рисунке 2.9 приведен пример, в котором три процесса, A, B и C оспаривают заблокированный буфер. Переход в состояние «сна» вызывается заблокированностью буфера. Процессы, однажды запустившись, обнаруживают, что буфер заблокирован, и приостанавливают свое выполнение до наступления события, по которому буфер будет разблокирован. В конце концов блокировка с буфера снимается и все процессы «пробуждаются», переходя в состояние «готовности к выполнению». Ядро наконец выбирает один из процессов, скажем, B, для выполнения. Процесс B, выполняя цикл «while», обнаруживает, что буфер разблокирован, блокирует его и продолжает свое выполнение. Если процесс B в дальнейшем снова приостановится без снятия блокировки с буфера (например, ожидая завершения операции ввода-вывода), ядро сможет приступить к планированию выполнения других процессов. Если будет при этом выбран процесс A, этот процесс, выполняя цикл «while», обнаружит, что буфер заблокирован, и снова перейдет в состояние «сна»; возможно то же самое произойдет и с процессом C. В конце концов выполнение процесса B возобновится и блокировка с буфера будет снята, в результате чего процессы A и C получат доступ к нему. Таким образом, цикл «while-sleep» обеспечивает такое положение, при котором самое большее один процесс может иметь доступ к ресурсу.
Алгоритмы перехода в состояние «сна» и пробуждения более подробно будут рассмотрены в главе 6. Тем временем они будут считаться «неделимыми». Процесс переходит в состояние «сна» мгновенно и находится в нем до тех пор, пока не будет «разбужен». После того, как он приостанавливается, ядро системы начинает планировать выполнение следующего процесса и переключает контекст на него.

2.3 СТРУКТУРЫ ДАННЫХ ЯДРА

Большинство информационных структур ядра размещается в таблицах фиксированного размера, а не в динамически выделенной памяти. Преимущество такого подхода состоит в том, что программа ядра проста, но в ней ограничивается число элементов информационной структуры до значения, предварительно заданного при генерации системы. Если во время функционирования системы число элементов информационной структуры ядра выйдет за указанное значение, ядро не сможет динамически выделить место для новых элементов и должно сообщить об ошибке пользователю, сделавшему запрос. Если, с другой стороны, ядро сгенерировано таким образом, что выход за границы табличного пространства будет маловероятен, дополнительное табличное пространство может не понадобиться, поскольку оно не может быть использовано для других целей. Как бы то ни было, простота алгоритмов ядра представляется более важной, чем сжатие последних байтов оперативной памяти. Обычно в алгоритмах для поиска свободных мест в таблицах используются несложные циклы и этот метод более понятен и иногда более эффективен по сравнению с более сложными схемами выделения памяти.

2.4 УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ

К управляющим процессам, грубо говоря, относятся те процессы, которые выполняют различные функции по обеспечению благополучной работы пользователей системы. К таким функциям относятся форматирование дисков, создание новых файловых систем, восстановление разрушенных файловых систем, отладка ядра и др. С концептуальной точки зрения, между управляющими и пользовательскими процессами нет разницы. Они используют один и тот же набор обращений к операционной системе, доступный для всех. Управляющие процессы отличаются от обычных пользовательских процессов только правами и привилегиями, которыми они обладают. Например, режимы разрешения доступа к файлу могут предусматривать предоставление возможности работы с файлами для управляющих процессов и отсутствие такой возможности для обычных пользователей. Внутри системы ядро выделяет особого пользователя, именуемого суперпользователем, и наделяет его особыми привилегиями, о чем мы еще поговорим ниже. Пользователь может стать суперпользователем, если соответствующим образом зарегистрируется в системе или запустит специальную программу. Привилегии суперпользователя будут рассмотрены в следующих главах. Если сказать коротко, ядро системы не выделяет управляющие процессы в отдельный класс.
  Рисунок 2.9. Многократная приостановка выполнения процессов, вызванная блокировкой

2.5 ВЫВОДЫ И ОБЗОР ПОСЛЕДУЮЩИХ ГЛАВ

В этой главе описана архитектура ядра операционной системы; его основными компонентами выступают подсистема управления файлами и подсистема управления процессами. Подсистема управления файлами управляет хранением и выборкой данных в пользовательских файлах. Файлы организованы в виде файловых систем, которые трактуются как логические устройства; физическое устройство, такое как диск, может содержать несколько логических устройств (файловых систем). Каждая файловая система имеет суперблок, в котором описывается структура и содержимое файловой системы, каждый файл в файловой системе описывается индексом, хранящим атрибуты файла. Системные операции работают с файлами, используя индексы.
Процессы находятся в различных состояниях и переходят из состояния в состояние, следуя определенным правилам перехода. В частности, процессы, выполняющиеся в режиме ядра, могут приостановить свое выполнение и перейти в состояние «сна», но ни один процесс не может перевести в это состояние другой процесс. Ядро является невыгружаемым и это означает, что процесс, выполняющийся в режиме ядра, будет продолжать свое выполнение до тех пор, пока не перейдет в состояние «сна» или пока не вернется в режим задачи. Ядро обеспечивает целостность своих информационных структур благодаря своей невыгружаемости, а также путем блокирования прерываний на время выполнения критических секций программы.
В остальных частях главы детально описываются подсистемы, изображенные на Рисунке 2.1, а также взаимодействие между ними, начиная с подсистемы управления файлами и включая подсистему управления процессами. В следующей главе рассматривается буфер сверхоперативной памяти (кеш) и описываются алгоритмы управления буфером, используемые в главах 4, 5 и 7. В главе 4 рассматриваются внутренние алгоритмы файловой системы, включая обработку индексов, структуру файлов, преобразование имени пути в индекс. В главе 5 рассматриваются системные операции, которые, используя приведенные в главе 4 алгоритмы, обращаются к файловой системе, т. е. такие, как open, close, read и write. Глава 6 имеет дело с понятием контекста процесса и его адресным пространством, а глава 7 рассматривает системные операции, связанные с управлением процессами и использующие алгоритмы главы 6. Глава 8 касается планирования выполнения процессов, в главе 9 обсуждаются алгоритмы распределения памяти. Глава 10 посвящена драйверам устройств, рассмотрение которых до того откладывалось, чтобы прежде объяснить связь драйвера терминала с управлением процессами. В главе 11 представлено несколько форм взаимодействия процессов. Наконец, в последних двух главах рассматриваются вопросы, связанные с углубленным изучением особенностей системы, в частности, особенности многопроцессорных систем и распределенных систем.

2.6 УПРАЖНЕНИЯ

1. Рассмотрим следующий набор команд:
grep main a.c b.c c.c › grepout&
wc -1 ‹ grepout&
rm grepout&
Амперсанд (символ "&") в конце каждой командной строки говорит командному процессору shell о том, что команду следует выполнить на фоне, при этом shell может выполнять все командные строки параллельно. Почему это не равноценно следующей командной строке?
grep main a.c b.c c.c | wc -1
2. Рассмотрим пример программы, приведенный на Рисунке 2.7. Предположим, что в тот момент, когда при ее выполнении встретился комментарий, произошло переключение контекста и другой процесс убрал содержимое буфера из списка указателей с помощью следующих команд:
remove(gp)
struct queue *gp;
{
 gp-›forp-›backp = gp-›backp;
 gp-›backp-›forp = gp-›forp;
 gp-›forp = gp-›backp = NULL;
}
Рассмотрим три случая:
Процесс убирает из списка с указателями структуру bp1.
Процесс убирает из списка с указателями структуру, следующую после структуры bp1.
Процесс убирает из списка структуру, которая первоначально следовала за bp1 до того, как структура bp была наполовину включена в указанный список.
В каком состоянии будет список после того, как первый процесс завершит выполнение части программы, расположенной после комментариев?
3. Что произошло бы в том случае, если ядро попыталось бы возобновить выполнение всех процессов, приостановленных по событию, но в системе не было бы к этому моменту ни одного такого процесса?

ГЛАВА 4. ВНУТРЕННЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ФАЙЛОВ

Как уже было замечено в главе 2, каждый файл в системе UNIX имеет уникальный индекс. Индекс содержит информацию, необходимую любому процессу для того, чтобы обратиться к файлу, например, права собственности на файл, права доступа к файлу, размер файла и расположение данных файла в файловой системе. Процессы обращаются к файлам, используя четко определенный набор системных вызовов и идентифицируя файл строкой символов, выступающих в качестве составного имени файла. Каждое составное имя однозначно определяет файл, благодаря чему ядро системы преобразует это имя в индекс файла.
Эта глава посвящена описанию внутренней структуры файлов в операционной системе UNIX, в следующей же главе рассматриваются обращения к операционной системе, связанные с обработкой файлов. Раздел 4.1 касается индекса и работы с ним ядра, раздел 4.2 — внутренней структуры обычных файлов и некоторых моментов, связанных с чтением и записью ядром информации файлов. В разделе 4.3 исследуется строение каталогов — структур данных, позволяющих ядру организовывать файловую систему в виде иерархии файлов, раздел 4.4 содержит алгоритм преобразования имен пользовательских файлов в индексы. В разделе 4.5 дается структура суперблока, а в разделах 4.6 и 4.7 представлены алгоритмы назначения файлам дисковых индексов и дисковых блоков. Наконец, в разделе 4.8 идет речь о других типах файлов в системе, а именно о каналах и файлах устройств.
Алгоритмы, описанные в этой главе, уровнем выше по сравнению с алгоритмами управления буферным кешем, рассмотренными в предыдущей главе (Рисунок 4.1). Алгоритм iget возвращает последний из идентифицированных индексов с возможностью считывания его с диска, используя буферный кеш, а алгоритм iput освобождает индекс. Алгоритм bmap устанавливает параметры ядра, связанные с обращением к файлу. Алгоритм namei преобразует составное имя пользовательского файла в имя индекса, используя алгоритмы iget, iput и bmap. Алгоритмы alloc и free выделяют и освобождают дисковые блоки для файлов, алгоритмы ialloc и ifree назначают и освобождают для файлов индексы.

Алгоритмы работы с файловой системой на нижнем уровне
namei alloc free ialloc ifree
iget iput bmap
алгоритмы работы с буферами
getblk brelse bread breada bwrite

  Рисунок 4.1. Алгоритмы файловой системы

4.1 ИНДЕКСЫ

4.1.1 Определение

Индексы существуют на диске в статической форме и ядро считывает их в память прежде, чем начать с ними работать. Дисковые индексы включают в себя следующие поля:
• Идентификатор владельца файла. Права собственности разделены между индивидуальным владельцем и «групповым» и тем самым помогают определить круг пользователей, имеющих права доступа к файлу. Суперпользователь имеет право доступа ко всем файлам в системе.
• Тип файла. Файл может быть файлом обычного типа, каталогом, специальным файлом, соответствующим устройствам ввода-вывода символами или блоками, а также абстрактным файлом канала (организующим обслуживание запросов в порядке поступления, «первым пришел — первым вышел»).
• Права доступа к файлу. Система разграничивает права доступа к файлу для трех классов пользователей: индивидуального владельца файла, группового владельца и прочих пользователей; каждому классу выделены определенные права на чтение, запись и исполнение файла, которые устанавливаются индивидуально. Поскольку каталоги как файлы не могут быть исполнены, разрешение на исполнение в данном случае интерпретируется как право производить поиск в каталоге по имени файла.
• Календарные сведения, характеризующие работу с файлом: время внесения последних изменений в файл, время последнего обращения к файлу, время внесения последних изменений в индекс.
• Число указателей на файл, означающее количество имен, используемых при поиске файла в иерархии каталогов. Указатели на файл подробно рассматриваются в главе 5.
• Таблица адресов на диске, в которых располагается информация файла. Хотя пользователи трактуют информацию в файле как логический поток байтов, ядро располагает эти данные в несоприкасающихся дисковых блоках. Дисковые блоки, содержащие информацию файла, указываются в индексе.
• Размер файла. Данные в файле адресуются с помощью смещения в байтах относительно начала файла, начиная со смещения, равного 0, поэтому размер файла в байтах на 1 больше максимального смещения. Например, если пользователь создает файл и записывает только 1 байт информации по адресу со смещением 1000 от начала файла, размер файла составит 1001 байт. В индексе отсутствует составное имя файла, необходимое для осуществления доступа к файлу.

владелец mjb
группа os
тип обычный файл
права доступа rwxr-xr-x
последнее обращение 23 Окт 1984 13:45
последнее изменение 22 Окт 1984 10:30
коррекция индекса 23 Окт 1984 13:30
размер 6030 байт
дисковые адреса

  Рисунок 4.2. Пример дискового индекса
На Рисунке 4.2 показан дисковый индекс некоторого файла. Этот индекс принадлежит обычному файлу, владелец которого — «mjb» и размер которого 6030 байт. Система разрешает пользователю «mjb» производить чтение, запись и исполнение файла; членам группы «os» и всем остальным пользователям разрешается только читать или исполнять файл, но не записывать в него данные. Последний раз файл был прочитан 23 октября 1984 года в 13:45, запись последний раз производилась 22 октября 1984 года в 10:30. Индекс изменялся последний раз 23 октября 1984 года в 13:30, хотя никакая информация в это время в файл не записывалась. Ядро кодирует все вышеперечисленные данные в индексе. Обратите внимание на различие в записи на диск содержимого индекса и содержимого файла. Содержимое файла меняется только тогда, когда в файл производится запись. Содержимое индекса меняется как при изменении содержимого файла, так и при изменении владельца файла, прав доступа и набора указателей. Изменение содержимого файла автоматически вызывает коррекцию индекса, однако коррекция индекса еще не означает изменения содержимого файла.
Копия индекса в памяти, кроме полей дискового индекса, включает в себя и следующие поля:
• Состояние индекса в памяти, отражающее
  - заблокирован ли индекс,
  - ждет ли снятия блокировки с индекса какой-либо процесс,
  - отличается ли представление индекса в памяти от своей дисковой копии в результате изменения содержимого индекса,
  - отличается ли представление индекса в памяти от своей дисковой копии в результате изменения содержимого файла,
  - находится ли файл в верхней точке (см. раздел 5.15).
• Логический номер устройства файловой системы, содержащей файл.
• Номер индекса. Так как индексы на диске хранятся в линейном массиве (см. раздел 2.2.1), ядро идентифицирует номер дискового индекса по его местоположению в массиве. В дисковом индексе это поле не нужно.
• Указатели на другие индексы в памяти. Ядро связывает индексы в хеш-очереди и включает их в список свободных индексов подобно тому, как связывает буферы в буферные хеш-очереди и включает их в список свободных буферов. Хеш-очередь идентифицируется в соответствии с логическим номером устройства и номером индекса. Ядро может располагать в памяти не более одной копии данного дискового индекса, но индексы могут находиться одновременно как в хеш-очереди, так и в списке свободных индексов.
• Счетчик ссылок, означающий количество активных экземпляров файла (таких, которые открыты).
Многие поля в копии индекса, с которой ядро работает в памяти, аналогичны полям в заголовке буфера, и управление индексами похоже на управление буферами. Индекс так же блокируется, в результате чего другим процессам запрещается работа с ним; эти процессы устанавливают в индексе специальный флаг, возвещающий о том, что выполнение обратившихся к индексу процессов следует возобновить, как только блокировка будет снята. Установкой других флагов ядро отмечает противоречия между дисковым индексом и его копией в памяти. Когда ядру нужно будет записать изменения в файл или индекс, ядро перепишет копию индекса из памяти на диск только после проверки этих флагов.
Наиболее разительным различием между копией индекса в памяти и заголовком буфера является наличие счетчика ссылок, подсчитывающего количество активных экземпляров файла. Индекс активен, когда процесс выделяет его, например, при открытии файла. Индекс находится в списке свободных индексов, только если значение его счетчика ссылок равно 0, и это значит, что ядро может переназначить свободный индекс в памяти другому дисковому индексу. Таким образом, список свободных индексов выступает в роли кеша для неактивных индексов. Если процесс пытается обратиться к файлу, чей индекс в этот момент отсутствует в индексном пуле, ядро переназначает свободный индекс из списка для использования этим процессом. С другой стороны, у буфера нет счетчика ссылок; он находится в списке свободных буферов тогда и только тогда, когда он разблокирован.

4.1.2 Обращение к индексам

Ядро идентифицирует индексы по имени файловой системы и номеру индекса и выделяет индексы в памяти по запросам соответствующих алгоритмов. Алгоритм iget назначает индексу место для копии в памяти (Рисунок 4.3); он почти идентичен алгоритму getblk для поиска дискового блока в буферном кеше. Ядро преобразует номера устройства и индекса в имя хеш-очереди и просматривает эту хеш-очередь в поисках индекса. Если индекс не обнаружен, ядро выделяет его из списка свободных индексов и блокирует его. Затем ядро готовится к чтению с диска в память индекса, к которому оно обращается. Ядро уже знает номера индекса и логического устройства и вычисляет номер логического блока на диске, содержащего индекс, с учетом того, сколько дисковых индексов помещается в одном дисковом блоке. Вычисления производятся по формуле
  номер блока = ((номер индекса — 1) / число индексов в блоке) + начальный блок в списке индексов
где операция деления возвращает целую часть частного. Например, предположим, что блок 2 является начальным в списке индексов и что в каждом блоке помещаются 8 индексов, тогда индекс с номером 8 находится в блоке 2, а индекс с номером 9 — в блоке 3. Если же в дисковом блоке помещаются 16 индексов, тогда индексы с номерами 8 и 9 располагаются в дисковом блоке с номером 2, а индекс с номером 17 является первым индексом в дисковом блоке 3.
  алгоритм iget
  входная информация: номер индекса в файловой системе
  выходная информация: заблокированный индекс
  {
   do   {
    if (индекс в индексном кеше)   {
     if (индекс заблокирован)   {
      sleep (до освобождения индекса);
      continue; /* цикл с условием продолжения */
     }
     /* специальная обработка для точек монтирования (глава 5) */
     if (индекс в списке свободных индексов)   убрать из списка свободных индексов;
     увеличить счетчик ссылок для индекса;
     return (индекс);
    }
    /* индекс отсутствует в индексном кеше */
    if (список свободных индексов пуст) return (ошибку);
    убрать новый индекс из списка свободных индексов;
    сбросить номер индекса и файловой системы;
    убрать индекс из старой хеш-очереди, поместить в новую;
    считать индекс с диска (алгоритм bread);
    инициализировать индекс (например, установив счетчик ссылок в 1);
    return(индекс);
   }
  }
  Рисунок 4.3. Алгоритм выделения индексов в памяти
Если ядро знает номера устройства и дискового блока, оно читает блок, используя алгоритм bread (глава 2), затем вычисляет смещение индекса в байтах внутри блока по формуле:
  ((номер индекса – 1) mod (число индексов в блоке)) * размер дискового индекса
Например, если каждый дисковый индекс занимает 64 байта и в блоке помещаются 8 индексов, тогда индекс с номером 8 имеет адрес со смещением 448 байт от начала дискового блока. Ядро убирает индекс в памяти из списка свободных индексов, помещает его в соответствующую хеш-очередь и устанавливает значение счетчика ссылок равным 1. Ядро переписывает поля типа файла и владельца файла, установки прав доступа, число указателей на файл, размер файла и таблицу адресов из дискового индекса в память и возвращает заблокированный в памяти индекс.
Ядро манипулирует с блокировкой индекса и счетчиком ссылок независимо один от другого. Блокировка — это установка, которая действует на время выполнения системного вызова и имеет целью запретить другим процессам обращаться к индексу пока тот в работе (и возможно хранит противоречивые данные). Ядро снимает блокировку по окончании обработки системного вызова: блокировка индекса никогда не выходит за границы системного вызова. Ядро увеличивает значение счетчика ссылок с появлением каждой активной ссылки на файл. Например, в разделе 5.1 будет показано, как ядро увеличивает значение счетчика ссылок тогда, когда процесс открывает файл. Оно уменьшает значение счетчика ссылок только тогда, когда ссылка становится неактивной, например, когда процесс закрывает файл. Таким образом, установка счетчика ссылок сохраняется для множества системных вызовов. Блокировка снимается между двумя обращениями к операционной системе, чтобы позволить процессам одновременно производить разделенный доступ к файлу; установка счетчика ссылок действует между обращениями к операционной системе, чтобы предупредить переназначение ядром активного в памяти индекса. Таким образом, ядро может заблокировать и разблокировать выделенный индекс независимо от значения счетчика ссылок. Выделением и освобождением индексов занимаются и отличные от open системные операции, в чем мы и убедимся в главе 5.
Возвращаясь к алгоритму iget, заметим, что если ядро пытается взять индекс из списка свободных индексов и обнаруживает список пустым, оно сообщает об ошибке. В этом отличие от идеологии, которой следует ядро при работе с дисковыми буферами, где процесс приостанавливает свое выполнение до тех пор, пока буфер не освободится. Процессы контролируют выделение индексов на пользовательском уровне посредством запуска системных операций open и close и поэтому ядро не может гарантировать момент, когда индекс станет доступным. Следовательно, процесс, приостанавливающий свое выполнение в ожидании освобождения индекса, может никогда не возобновиться. Ядро скорее прервет выполнение системного вызова, чем оставит такой процесс в «зависшем» состоянии. Однако, процессы не имеют такого контроля над буферами. Поскольку процесс не может удержать буфер заблокированным в течение выполнения нескольких системных операций, ядро здесь может гарантировать скорое освобождение буфера, и процесс поэтому приостанавливается до того момента, когда он станет доступным.
В предшествующих параграфах рассматривался случай, когда ядро выделяет индекс, отсутствующий в индексном кеше. Если индекс находится в кеше, процесс (A) обнаружит его в хеш-очереди и проверит, не заблокирован ли индекс другим процессом (B). Если индекс заблокирован, процесс A приостанавливается и выставляет флаг у индекса в памяти, показывая, что он ждет освобождения индекса. Когда позднее процесс B разблокирует индекс, он «разбудит» все процессы (включая процесс A), ожидающие освобождения индекса. Когда же наконец процесс A сможет использовать индекс, он заблокирует его, чтобы другие процессы не могли к нему обратиться. Если первоначально счетчик ссылок имел значение, равное 0, индекс также появится в списке свободных индексов, поэтому ядро уберет его оттуда: индекс больше не является свободным. Ядро увеличивает значение счетчика ссылок и возвращает заблокированный индекс.
Если суммировать все вышесказанное, можно отметить, что алгоритм iget имеет отношение к начальной стадии системных вызовов, когда процесс впервые обращается к файлу. Этот алгоритм возвращает заблокированную индексную структуру со значением счетчика ссылок, на 1 большим, чем оно было раньше. Индекс в памяти содержит текущую информацию о состоянии файла. Ядро снимает блокировку с индекса перед выходом из системной операции, поэтому другие системные вызовы могут обратиться к индексу, если пожелают. В главе 5 рассматриваются эти случаи более подробно.
  алгоритм iput /* разрешение доступа к индексу в памяти */
  входная информация: указатель на индекс в памяти
  выходная информация: отсутствует 
  {
   заблокировать индекс если он еще не заблокирован;
   уменьшить на 1 счетчик ссылок для индекса;
   if (значение счетчика ссылок == 0)   {
    if (значение счетчика связей == 0)   {
     освободить дисковые блоки для файла (алгоритм free, раздел 4.7); 
     установить тип файла равным 0;
     освободить индекс (алгоритм ifree, раздел 4.6);
    }
    if (к файлу обращались или изменился индекс или изменилось содержимое файла)
     скорректировать дисковый индекс;
    поместить индекс в список свободных индексов;
   }
   снять блокировку с индекса;
  }
  Рисунок 4.4. Освобождение индекса

4.1.3 Освобождение индексов

В том случае, когда ядро освобождает индекс (алгоритм iput, Рисунок 4.4), оно уменьшает значение счетчика ссылок для него. Если это значение становится равным 0, ядро переписывает индекс на диск в том случае, когда копия индекса в памяти отличается от дискового индекса. Они различаются, если изменилось содержимое файла, если к файлу производилось обращение или если изменились владелец файла либо права доступа к файлу. Ядро помещает индекс в список свободных индексов, наиболее эффективно располагая индекс в кеше на случай, если он вскоре понадобится вновь. Ядро может также освободить все связанные с файлом информационные блоки и индекс, если число ссылок на файл равно 0.

4.2 СТРУКТУРА ФАЙЛА ОБЫЧНОГО ТИПА

Как уже говорилось, индекс включает в себя таблицу адресов расположения информации файла на диске. Так как каждый блок на диске адресуется по своему номеру, в этой таблице хранится совокупность номеров дисковых блоков. Если бы данные файла занимали непрерывный участок на диске (то есть файл занимал бы линейную последовательность дисковых блоков), то для обращения к данным в файле было бы достаточно хранить в индексе адрес начального блока и размер файла. Однако, такая стратегия размещения данных не позволяет осуществлять простое расширение и сжатие файлов в файловой системе без риска фрагментации свободного пространства памяти на диске. Более того, ядру пришлось бы выделять и резервировать непрерывное пространство в файловой системе перед выполнением операций, могущих привести к увеличению размера файла.
  Рисунок 4.5. Размещение непрерывных файлов и фрагментация свободного пространства
Предположим, например, что пользователь создает три файла, A, B и C, каждый из которых занимает 10 дисковых блоков, а также что система выделила для размещения этих трех файлов непрерывное место. Если потом пользователь захочет добавить 5 блоков с информацией к среднему файлу, B, ядру придется скопировать файл B в то место в файловой системе, где найдется окно размером 15 блоков. В дополнение к затратам ресурсов на проведение этой операции дисковые блоки, занимаемые информацией файла B, станут неиспользуемыми, если только они не понадобятся файлам размером не более 10 блоков (Рисунок 4.5). Ядро могло бы минимизировать фрагментацию пространства памяти, периодически запуская процедуры чистки памяти, уплотняющие имеющуюся память, но это потребовало бы дополнительного расхода временных и системных ресурсов.
В целях повышения гибкости ядро присоединяет к файлу по одному блоку, позволяя информации файла быть разбросанной по всей файловой системе. Но такая схема размещения усложняет задачу поиска данных. Таблица адресов содержит список номеров блоков, содержащих принадлежащую файлу информацию, однако простые вычисления показывают, что линейным списком блоков файла в индексе трудно управлять. Если логический блок занимает 1 Кбайт, то файлу, состоящему из 10 Кбайт, потребовался бы индекс на 10 номеров блоков, а файлу, состоящему из 100 Кбайт, понадобился бы индекс на 100 номеров блоков. Либо пусть размер индекса будет варьироваться в зависимости от размера файла, либо пришлось бы установить относительно жесткое ограничение на размер файла.
Для того, чтобы небольшая структура индекса позволяла работать с большими файлами, таблица адресов дисковых блоков приводится в соответствие со структурой, представленной на Рисунке 4.6. Версия V системы UNIX работает с 13 точками входа в таблицу адресов индекса, но принципиальные моменты не зависят от количества точек входа. Блок, имеющий пометку «прямая адресация» на рисунке, содержит номера дисковых блоков, в которых хранятся реальные данные. Блок, имеющий пометку «одинарная косвенная адресация», указывает на блок, содержащий список номеров блоков прямой адресации. Чтобы обратиться к данным с помощью блока косвенной адресации, ядро должно считать этот блок, найти соответствующий вход в блок прямой адресации и, считав блок прямой адресации, обнаружить данные. Блок, имеющий пометку «двойная косвенная адресация», содержит список номеров блоков одинарной косвенной адресации, а блок, имеющий пометку «тройная косвенная адресация», содержит список номеров блоков двойной косвенной адресации.
В принципе, этот метод можно было бы распространить и на поддержку блоков четверной косвенной адресации, блоков пятерной косвенной адресации и так далее, но на практике оказывается достаточно имеющейся структуры. Предположим, что размер логического блока в файловой системе 1 Кбайт и что номер блока занимает 32 бита (4 байта). Тогда в блоке может храниться до 256 номеров блоков. Расчеты показывают (Рисунок 4.7), что максимальный размер файла превышает 16 Гбайт, если использовать в индексе 10 блоков прямой адресации и 1 одинарной косвенной адресации, 1 двойной косвенной адресации и 1 тройной косвенной адресации. Если же учесть, что длина поля «размер файла» в индексе — 32 бита, то размер файла в действительности ограничен 4 Гбайтами (2 в степени 32).
Процессы обращаются к информации в файле, задавая смещение в байтах. Они рассматривают файл как поток байтов и ведут подсчет байтов, начиная с нулевого адреса и заканчивая адресом, равным размеру файла. Ядро переходит от байтов к блокам: файл начинается с нулевого логического блока и заканчивается блоком, номер которого определяется исходя из размера файла. Ядро обращается к индексу и превращает логический блок, принадлежащий файлу, в соответствующий дисковый блок. На Рисунке 4.8 представлен алгоритм bmap пересчета смещения в байтах от начала файла в номер физического блока на диске.
  Рисунок 4.6. Блоки прямой и косвенной адресации в индексе
10 блоков прямой адресации по 1 Кбайту каждый = 10 Кбайт
1 блок косвенной адресации с 256 блоками прямой адресации = 256 Кбайт
1 блок двойной косвенной адресации с 256 блоками косвенной адресации = 64 Мбайта
1 блок тройной косвенной адресации с 256 блоками двойной косвенной адресации = 16 Гбайт
  Рисунок 4.7. Объем файла в байтах при размере блока 1 Кбайт
  алгоритм bmap /* отображение адреса смещения в байтах от начала логического файла на адрес блока в файловой системе */
  входная информация: 
   (1) индекс 
   (2) смещение в байтах
  выходная информация: 
   (1) номер блока в файловой системе 
   (2) смещение в байтах внутри блока 
   (3) число байт ввода-вывода в блок 
   (4) номер блока с продвижением 
  {
   вычислить номер логического блока в файле исходя из заданного смещения в байтах;
   вычислить номер начального байта в блоке для ввода-вывода; /* выходная информация 2 */
   вычислить количество байт для копирования пользователю; /* выходная информация 3 */
   проверить возможность чтения с продвижением, пометить индекс; /* выходная информация 4 */
   определить уровень косвенности;
   do (пока уровень косвенности другой)   {
    определить указатель в индексе или блок косвенной адресации исходя из номера логического блока в файле;
    получить номер дискового блока из индекса или из блока косвенной адресации;
    освободить буфер от данных, полученных в результате выполнения предыдущей операции чтения с диска (алгоритм brelse);
    if (число уровней косвенности исчерпано)   return (номер блока);
    считать дисковый блок косвенной адресации (алгоритм bread);
    установить номер логического блока в файле исходя из уровня косвенности;
   }
  }
  Рисунок 4.8. Преобразование адреса смещения в номер блока в файловой системе
Рассмотрим формат файла в блоках (Рисунок 4.9) и предположим, что дисковый блок занимает 1024 байта. Если процессу нужно обратиться к байту, имеющему смещение от начала файла, равное 9000, в результате вычислений ядро приходит к выводу, что этот байт располагается в блоке прямой адресации с номером 8 (начиная с 0). Затем ядро обращается к блоку с номером 367; 808-й байт в этом блоке (если вести отсчет с 0) и является 9000-м байтом в файле. Если процессу нужно обратиться по адресу, указанному смещением 350000 байт от начала файла, он должен считать блок двойной косвенной адресации, который на рисунке имеет номер 9156. Так как блок косвенной адресации имеет место для 256 номеров блоков, первым байтом, к которому будет получен доступ в результате обращения к блоку двойной косвенной адресации, будет байт с номером 272384 (256К + 10К); таким образом, байт с номером 350000 будет иметь в блоке двойной косвенной адресации номер 77616. Поскольку каждый блок одинарной косвенной адресации позволяет обращаться к 256 Кбайтам, байт с номером 350000 должен располагаться в нулевом блоке одинарной косвенной адресации для блока двойной косвенной адресации, а именно в блоке 331. Так как в каждом блоке прямой адресации для блока одинарной косвенной адресации хранится 1 Кбайт, байт с номером 77616 находится в 75-м блоке прямой адресации для блока одинарной косвенной адресации, а именно в блоке 3333. Наконец, байт с номером в файле 350000 имеет в блоке 3333 номер 816.
  Рисунок 4.9. Размещение блоков в файле и его индексе
При ближайшем рассмотрении Рисунка 4.9 обнаруживается, что несколько входов для блока в индексе имеют значение 0 и это значит, что в данных записях информация о логических блоках отсутствует. Такое имеет место, если в соответствующие блоки файла никогда не записывалась информация и по этой причине у номеров блоков остались их первоначальные нулевые значения. Для таких блоков пространство на диске не выделяется. Подобное расположение блоков в файле вызывается процессами, запускающими системные операции lseek и write (см. следующую главу). В следующей главе также объясняется, каким образом ядро обрабатывает системные вызовы операции read, с помощью которой производится обращение к блокам.
Преобразование адресов с большими смещениями, в частности с использованием блоков тройной косвенной адресации, является сложной процедурой, требующей от ядра обращения уже к трем дисковым блокам в дополнение к индексу и информационному блоку. Даже если ядро обнаружит блоки в буферном кеше, операция останется дорогостоящей, так как ядру придется многократно обращаться к буферному кешу и приостанавливать свою работу в ожидании снятия блокировки с буферов. Насколько эффективен этот алгоритм на практике? Это зависит от того, как используется система, а также от того, кто является пользователем и каков состав задач, вызывающий потребность в более частом обращении к большим или, наоборот, маленьким файлам. Однако, как уже было замечено [Mullender 84], большинство файлов в системе UNIX имеет размер, не превышающий 10 Кбайт и даже 1 Кбайта! [11] Поскольку 10 Кбайт файла располагаются в блоках прямой адресации, к большей части данных, хранящихся в файлах, доступ может производиться за одно обращение к диску. Поэтому в отличие от обращения к большим файлам, работа с файлами стандартного размера протекает быстро.
В двух модификациях только что описанной структуры индекса предпринимается попытка использовать размерные характеристики файла. Основной принцип в реализации файловой системы BSD 4.2 [McKusick 84] состоит в том, что чем больше объем данных, к которым ядро может получить доступ за одно обращение к диску, тем быстрее протекает работа с файлом. Это свидетельствует в пользу увеличения размера логического блока на диске, поэтому в системе BSD разрешается иметь логические блоки размером 4 или 8 Кбайт. Однако, увеличение размера блоков на диске приводит к увеличению фрагментации блоков, при которой значительные участки дискового пространства остаются неиспользуемыми. Например, если размер логического блока 8 Кбайт, тогда файл размером 12 Кбайт занимает 1 полный блок и половину второго блока. Другая половина второго блока (4 Кбайта) фактически теряется; другие файлы не могут использовать ее для хранения данных. Если размеры файлов таковы, что число байт, попавших в последний блок, является равномерно распределенной величиной, то средние потери дискового пространства составляют полблока на каждый файл; объем теряемого дискового пространства достигает в файловой системе с логическими блоками размером 4 Кбайта 45% [McKusick 84]. Выход из этой ситуации в системе BSD состоит в выделении только части блока (фрагмента) для размещения оставшейся информации файла. Один дисковый блок может включать в себя фрагменты, принадлежащие нескольким файлам. Некоторые подробности этой реализации исследуются на примере упражнения в главе 5.
Второй модификацией рассмотренной классической структуры индекса является идея хранения в индексе информации файла (см. [Mullender 84]). Если увеличить размер индекса так, чтобы индекс занимал весь дисковый блок, небольшая часть блока может быть использована для собственно индексных структур, а оставшаяся часть — для хранения конца файла и даже во многих случаях для хранения файла целиком. Основное преимущество такого подхода заключается в том, что необходимо только одно обращение к диску для считывания индекса и всей информации, если файл помещается в индексном блоке.

4.3 КАТАЛОГИ

Из главы 1 напомним, что каталоги являются файлами, из которых строится иерархическая структура файловой системы; они играют важную роль в превращении имени файла в номер индекса. Каталог — это файл, содержимым которого является набор записей, состоящих из номера индекса и имени файла, включенного в каталог. Составное имя — это строка символов, завершающаяся пустым символом и разделяемая наклонной чертой («/») на несколько компонент. Каждая компонента, кроме последней, должна быть именем каталога, но последняя компонента может быть именем файла, не являющегося каталогом. В версии V системы UNIX длина каждой компоненты ограничивается 14 символами; таким образом, вместе с 2 байтами, отводимыми на номер индекса, размер записи каталога составляет 16 байт.
  Смещение в байтах внутри каталога Номер индекса (2 байта) Имя файла

0 83 .
16 2 ..
32 1798 init
48 1276 fsck
64 85 clri
80 1268 motd
96 1799 mount
112 88 mknod
128 2114 passwd
144 1717 umount
160 1851 checklist
176 92 fsdbld
192 84 config
208 1432 getty
224 0 crash
240 95 mkfs
256 188 inittab

  Рисунок 4.10. Формат каталога /etc
На Рисунке 4.10 показан формат каталога «etc». В каждом каталоге имеются файлы, в качестве имен которых указаны точка и две точки ("." и «..») и номера индексов у которых совпадают с номерами индексов данного каталога и родительского каталога, соответственно. Номер индекса для файла "." в каталоге «/etc» имеет адрес со смещением 0 и значение 83. Номер индекса для файла «..» имеет адрес со смещением 16 от начала каталога и значение 2. Записи в каталоге могут быть пустыми, при этом номер индекса равен 0. Например, запись с адресом 224 в каталоге «/etc» пустая, несмотря на то, что она когда-то содержала точку входа для файла с именем «crash». Программа mkfs инициализирует файловую систему таким образом, что номера индексов для файлов "." и «..» в корневом каталоге совпадают с номером корневого индекса файловой системы.
Ядро хранит данные в каталоге так же, как оно это делает в файле обычного типа, используя индексную структуру и блоки с уровнями прямой и косвенной адресации. Процессы могут читать данные из каталогов таким же образом, как они читают обычные файлы, однако исключительное право записи в каталог резервируется ядром, благодаря чему обеспечивается правильность структуры каталога. Права доступа к каталогу имеют следующий смысл: право чтения дает процессам возможность читать данные из каталога; право записи позволяет процессу создавать новые записи в каталоге или удалять старые (с помощью системных операций creat, mknod, link и unlink), в результате чего изменяется содержимое каталога; право исполнения позволяет процессу производить поиск в каталоге по имени файла (поскольку «исполнять» каталог бессмысленно). На примере Упражнения 4.6 показана разница между чтением и поиском в каталоге.

4.4 ПРЕВРАЩЕНИЕ СОСТАВНОГО ИМЕНИ ФАЙЛА (ПУТИ ПОИСКА) В ИДЕНТИФИКАТОР ИНДЕКСА

Начальное обращение к файлу производится по его составному имени (имени пути поиска), как в командах open, chdir (изменить каталог) или link. Поскольку внутри системы ядро работает с индексами, а не с именами путей поиска, оно преобразует имена путей поиска в идентификаторы индексов, чтобы производить доступ к файлам. Алгоритм namei производит поэлементный анализ составного имени, ставя в соответствие каждой компоненте имени индекс и каталог и в конце концов возвращая идентификатор индекса для введенного имени пути поиска (Рисунок 4.11).
Из главы 2 напомним, что каждый процесс связан с текущим каталогом (и протекает в его рамках); рабочая область, отведенная под задачу пользователя, содержит указатель на индекс текущего каталога. Текущим каталогом первого из процессов в системе, нулевого процесса, является корневой каталог. Путь к текущему каталогу каждого нового процесса берет начало от текущего каталога процесса, являющегося родительским по отношению к данному (см. раздел 5.10). Процессы изменяют текущий каталог, запрашивая выполнение системной операции chdir (изменить каталог). Все поиски файлов по имени начинаются с текущего каталога процесса, если только имя пути поиска не предваряется наклонной чертой, указывая, что поиск нужно начинать с корневого каталога. В любом случае ядро может легко обнаружить индекс каталога, с которого начинается поиск. Текущий каталог хранится в рабочей области процесса, а корневой индекс системы хранится в глобальной переменной [12] .
  алгоритм namei /* превращение имени пути поиска в индекс */
  входная информация: имя пути поиска
  выходная информация: заблокированный индекс 
  {
   if (путь поиска берет начало с корня)   рабочий индекс = индексу корня (алгоритм iget);
   else   индекс = индексу текущего каталога (алгоритм iget);
   выполнить (пока путь поиска не кончился)   {
    считать следующую компоненту имени пути поиска;
    проверить соответствие рабочего индекса каталогу и права доступа;
    if (рабочий индекс соответствует корню и компонента имени «..»)   continue; /* цикл с условием продолжения */
    считать каталог (рабочий индекс), повторяя алгоритмы bmap, bread и brelse;
    if (компонента соответствует записи в каталоге (рабочем индексе)) {
     получить номер индекса для совпавшей компоненты;
     освободить рабочий индекс (алгоритм iput);
     рабочий индекс = индексу совпавшей компоненты (алгоритм iget);
    }
    else /* компонента отсутствует в каталоге */   return (нет индекса);
   }
   return (рабочий индекс);
  }
  Рисунок 4.11. Алгоритм превращения имени пути поиска в индекс
Алгоритм namei использует при анализе составного имени пути поиска промежуточные индексы; назовем их рабочими индексами. Индекс каталога, откуда поиск берет начало, является первым рабочим индексом. На каждой итерации цикла алгоритма ядро проверяет совпадение рабочего индекса с индексом каталога. В противном случае, нарушилось бы утверждение, что только файлы, не являющиеся каталогами, могут быть листьями дерева файловой системы. Процесс также должен иметь право производить поиск в каталоге (разрешения на чтение недостаточно). Код идентификации пользователя для процесса должен соответствовать коду индивидуального или группового владельца файла и должно быть предоставлено право исполнения, либо поиск нужно разрешить всем пользователям. В противном случае, поиск не получится.
Ядро выполняет линейный поиск файла в каталоге, ассоциированном с рабочим индексом, пытаясь найти для компоненты имени пути поиска подходящую запись в каталоге. Исходя из адреса смещения в байтах внутри каталога (начиная с 0), оно определяет местоположение дискового блока в соответствии с алгоритмом bmap и считывает этот блок, используя алгоритм bread. По имени компоненты ядро производит в блоке поиск, представляя содержимое блока как последовательность записей каталога. При обнаружении совпадения ядро переписывает номер индекса из данной точки входа, освобождает блок (алгоритм brelse) и старый рабочий индекс (алгоритм iput), и переназначает индекс найденной компоненты (алгоритм iget). Новый индекс становится рабочим индексом. Если ядро не находит в блоке подходящего имени, оно освобождает блок, прибавляет к адресу смещения число байтов в блоке, превращает новый адрес смещения в номер дискового блока (алгоритм bmap) и читает следующий блок. Ядро повторяет эту процедуру до тех пор, пока имя компоненты пути поиска не совпадет с именем точки входа в каталоге, либо до тех пор, пока не будет достигнут конец каталога.
Предположим, например, что процессу нужно открыть файл «/etc/passwd». Когда ядро начинает анализировать имя файла, оно наталкивается на наклонную черту («/») и получает индекс корня системы. Сделав корень текущим рабочим индексом, ядро наталкивается на строку «etc». Проверив соответствие текущего индекса каталогу («/») и наличие у процесса права производить поиск в каталоге, ядро ищет в корневом каталоге файл с именем «etc». Оно просматривает корневой каталог блок за блоком и исследует каждую запись в блоке, пока не обнаружит точку входа для файла «etc». Найдя эту точку входа, ядро освобождает индекс, отведенный для корня (алгоритм iput), и выделяет индекс файлу «etc» (алгоритм iget) в соответствии с номером индекса в обнаруженной записи. Удостоверившись в том, что «etc» является каталогом, а также в том, что имеются необходимые права производить поиск, ядро просматривает каталог «etc» блок за блоком в поисках записи, соответствующей файлу «passwd». Если посмотреть на Рисунок 4.10, можно увидеть, что запись о файле «passwd» является девятой записью в каталоге. Обнаружив ее, ядро освобождает индекс, выделенный файлу «etc», и выделяет индекс файлу «passwd», после чего — поскольку имя пути поиска исчерпано — возвращает этот индекс процессу.
Естественно задать вопрос об эффективности линейного поиска в каталоге записи, соответствующей компоненте имени пути поиска. Ричи показывает (см. [Ritchie 78b], стр.1968), что линейный поиск эффективен, поскольку он ограничен размером каталога. Более того, ранние версии системы UNIX не работали еще на машинах с большим объемом памяти, поэтому значительный упор был сделан на простые алгоритмы, такие как алгоритмы линейного поиска. Более сложные схемы поиска потребовали бы отличной, более сложной, структуры каталога, и возможно работали бы медленнее даже в небольших каталогах по сравнению со схемой линейного поиска.

4.5 СУПЕРБЛОК

До сих пор в этой главе описывалась структура файла, при этом предполагалось, что индекс предварительно связывался с файлом и что уже были определены дисковые блоки, содержащие информацию. В следующих разделах описывается, каким образом ядро назначает индексы и дисковые блоки. Чтобы понять эти алгоритмы, рассмотрим структуру суперблока.
Суперблок состоит из следующих полей:
• размер файловой системы,
• количество свободных блоков в файловой системе,
• список свободных блоков, имеющихся в файловой системе,
• индекс следующего свободного блока в списке свободных блоков,
• размер списка индексов,
• количество свободных индексов в файловой системе,
• список свободных индексов в файловой системе,
• следующий свободный индекс в списке свободных индексов,
• заблокированные поля для списка свободных блоков и свободных индексов,
• флаг, показывающий, что в суперблок были внесены изменения.
В оставшейся части главы будет объяснено, как пользоваться массивами, указателями и замками блокировки. Ядро периодически переписывает суперблок на диск, если в суперблок были внесены изменения, для того, чтобы обеспечивалась согласованность с данными, хранящимися в файловой системе.

4.6 НАЗНАЧЕНИЕ ИНДЕКСА НОВОМУ ФАЙЛУ

Для выделения известного индекса, то есть индекса, для которого предварительно определен собственный номер (и номер файловой системы), ядро использует алгоритм iget. В алгоритме namei, например, ядро определяет номер индекса, устанавливая соответствие между компонентой имени пути поиска и именем в каталоге. Другой алгоритм, ialloc, выполняет назначение дискового индекса вновь создаваемому файлу.
Как уже говорилось в главе 2, в файловой системе имеется линейный список индексов. Индекс считается свободным, если поле его типа хранит нулевое значение. Если процессу понадобился новый индекс, ядро теоретически могло бы произвести поиск свободного индекса в списке индексов. Однако, такой поиск обошелся бы дорого, поскольку потребовал бы по меньшей мере одну операцию чтения (допустим, с диска) на каждый индекс. Для повышения производительности в суперблоке файловой системы хранится массив номеров свободных индексов в файловой системе.
  алгоритм ialloc /* выделение индекса */
  входная информация: файловая система
  выходная информация: заблокированный индекс 
  {
   do   {
    if (суперблок заблокирован)   {
     sleep (пока суперблок не освободится);
     continue; /* цикл с условием продолжения */
    }
    if (список индексов в суперблоке пуст)   {
     заблокировать суперблок; выбрать запомненный индекс для поиска свободных индексов;
    искать на диске свободные индексы до тех пор, пока суперблок не заполнится или пока не будут найдены все свободные индексы (алгоритмы bread и brelse);
     снять блокировку с суперблока;
     возобновить выполнение процесса (как только суперблок освободится);
     if (на диске отсутствуют свободные индексы)    return (нет индексов);
     запомнить индекс с наибольшим номером среди найденных для последующих поисков свободных индексов;
    }
    /* список индексов в суперблоке не пуст */
    выбрать номер индекса из списка индексов в суперблоке;
    получить индекс (алгоритм iget);
    if (индекс после всего этого не свободен) { /*!!! */ 
     переписать индекс на диск;
     освободить индекс (алгоритм iput);
     continue; /* цикл с условием продолжения */
    }
    /* индекс свободен */
    инициализировать индекс;
    переписать индекс на диск;
    уменьшить счетчик свободных индексов в файловой системе;
    return (индекс);
   }
  }
  Рисунок 4.12. Алгоритм назначения новых индексов
На Рисунке 4.12 приведен алгоритм ialloc назначения новых индексов. По причинам, о которых пойдет речь ниже, ядро сначала проверяет, не заблокировал ли какой-либо процесс своим обращением список свободных индексов в суперблоке. Если список номеров индексов в суперблоке не пуст, ядро назначает номер следующего индекса, выделяет для вновь назначенного дискового индекса свободный индекс в памяти, используя алгоритм iget (читая индекс с диска, если необходимо), копирует дисковый индекс в память, инициализирует поля в индексе и возвращает индекс заблокированным. Затем ядро корректирует дисковый индекс, указывая, что к индексу произошло обращение. Ненулевое значение поля типа файла говорит о том, что дисковый индекс назначен. В простейшем случае с индексом все в порядке, но в условиях конкуренции делается необходимым проведение дополнительных проверок, на чем мы еще кратко остановимся. Грубо говоря, конкуренция возникает, когда несколько процессов вносят изменения в общие информационные структуры, так что результат зависит от очередности выполнения процессов, пусть даже все процессы будут подчиняться протоколу блокировки. Здесь предполагается, например, что процесс мог бы получить уже используемый индекс. Конкуренция связана с проблемой взаимного исключения, описанной в главе 2, с одним замечанием: различные схемы блокировки решают проблему взаимного исключения, но не могут сами по себе решить все проблемы конкуренции.
Если список свободных индексов в суперблоке пуст, ядро просматривает диск и помещает в суперблок как можно больше номеров свободных индексов. При этом ядро блок за блоком считывает индексы с диска и наполняет список номеров индексов в суперблоке до отказа, запоминая индекс с номером, наибольшим среди найденных. Назовем этот индекс «запомненным»; это последний индекс, записанный в суперблок. В следующий раз, когда ядро будет искать на диске свободные индексы, оно использует запомненный индекс в качестве стартовой точки, благодаря чему гарантируется, что ядру не придется зря тратить время на считывание дисковых блоков, в которых свободные индексы наверняка отсутствуют. После формирования нового набора номеров свободных индексов ядро запускает алгоритм назначения индекса с самого начала. Всякий раз, когда ядро назначает дисковый индекс, оно уменьшает значение счетчика свободных индексов, записанное в суперблоке.
Рассмотрим две пары массивов номеров свободных индексов (Рисунок 4.13). Если список свободных индексов в суперблоке имеет вид первого массива на Рисунке 4.13(а) при назначении индекса ядром, то значение указателя на следующий номер индекса уменьшается до 18 и выбирается индекс с номером 48. Если же список выглядит как первый массив на Рисунке 4.13(б), ядро заметит, что массив пуст и обратится в поисках свободных индексов к диску, при этом поиск будет производиться, начиная с индекса с номером 470, который был ранее запомнен. Когда ядро заполнит список свободных индексов в суперблоке до отказа, оно запомнит последний индекс в качестве начальной точки для последующих просмотров диска. Ядро производит назначение файлу только что выбранного с диска индекса (под номером 471 на рисунке) и продолжает прерванную обработку.
  Рисунок 4.13. Два массива номеров свободных индексов
  алгоритм ifree /* освобождение индекса */
  входная информация: номер индекса в файловой системе
  выходная информация: отсутствует
  {
   увеличить на 1 счетчик свободных индексов в файловой системе;
   if (суперблок заблокирован)   return;
   if (список индексов заполнен)   {
    if (номер индекса меньше номера индекса, запомненного для последующего просмотра)
     запомнить для последующего просмотра номер введенного индекса;
   }
   в противном случае сохранить номер индекса в списке индексов;
   return;
  }
  Рисунок 4.14. Алгоритм освобождения индекса
Алгоритм освобождения индекса построен значительно проще. Увеличив на единицу общее количество доступных в файловой системе индексов, ядро проверяет наличие блокировки у суперблока. Если он заблокирован, ядро, чтобы предотвратить конкуренцию, немедленно сообщает: номер индекса отсутствует в суперблоке, но индекс может быть найден на диске и доступен для переназначения. Если список не заблокирован, ядро проверяет, имеется ли место для новых номеров индексов и если да, помещает номер индекса в список и выходит из алгоритма. Если список полон, ядро не сможет в нем сохранить вновь освобожденный индекс. Оно сравнивает номер освобожденного индекса с номером запомненного индекса. Если номер освобожденного индекса меньше номера запомненного, ядро запоминает номер вновь освобожденного индекса, выбрасывая из суперблока номер старого запомненного индекса. Индекс не теряется, поскольку ядро может найти его, просматривая список индексов на диске. Ядро поддерживает структуру списка в суперблоке таким образом, что последний номер, выбираемый им из списка, и есть номер запомненного индекса. В идеале не должно быть свободных индексов с номерами, меньшими, чем номер запомненного индекса, но возможны и исключения.
Рассмотрим два примера освобождения индексов. Если в списке свободных индексов в суперблоке еще есть место для новых номеров свободных индексов (как на Рисунке 4.13(а)), ядро помещает в список новый номер, переставляет указатель на следующий свободный индекс и продолжает выполнение процесса. Но если список свободных индексов заполнен (Рисунок 4.15), ядро сравнивает номер освобожденного индекса с номером запомненного индекса, с которого начнется просмотр диска в следующий раз. Если вначале список свободных индексов имел вид, как на Рисунке 4.15(а), то когда ядро освобождает индекс с номером 499, оно запоминает его и выталкивает номер 535 из списка. Если затем ядро освобождает индекс с номером 601, содержимое списка свободных индексов не изменится. Когда позднее ядро использует все индексы из списка свободных индексов в суперблоке, оно обратится в поисках свободных индексов к диску, при этом, начав просмотр с индекса с номером 499, оно снова обнаружит индексы 535 и 601.
  Рисунок 4.15. Размещение номеров свободных индексов в суперблоке
  Рисунок 4.16. Конкуренция в назначении индексов
В предыдущем параграфе описывались простые случаи работы алгоритмов. Теперь рассмотрим случай, когда ядро назначает новый индекс и затем копирует его в память. В алгоритме предполагается, что ядро может и обнаружить, что индекс уже назначен. Несмотря на редкость такой ситуации, обсудим этот случай (с помощью Рисунков 4.16 и 4.17). Пусть у нас есть три процесса, A, B и C, и пусть ядро, действуя от имени процесса A [13] , назначает индекс I, но приостанавливает выполнение процесса перед тем, как скопировать дисковый индекс в память. Алгоритмы iget (вызванный алгоритмом ialloc) и bread (вызванный алгоритмом iget) дают процессу A достаточно возможностей для приостановления своей работы. Предположим, что пока процесс A приостановлен, процесс B пытается назначить новый индекс, но обнаруживает, что список свободных индексов в суперблоке пуст. Процесс B просматривает диск в поисках свободных индексов, и начинает это делать с индекса, имеющего меньший номер по сравнению с индексом, назначенным процессом A. Возможно, что процесс B обнаружит индекс I на диске свободным, так как процесс A все еще приостановлен, а ядро еще не знает, что этот индекс собираются назначить. Процесс B, не осознавая опасности, заканчивает просмотр диска, заполняет суперблок свободными (предположительно) индексами, назначает индекс и уходит со сцены. Однако, индекс I остается в списке номеров свободных индексов в суперблоке. Когда процесс A возобновляет выполнение, он заканчивает назначение индекса I. Теперь допустим, что процесс C затем затребовал индекс и случайно выбрал индекс I из списка в суперблоке. Когда он обратится к копии индекса в памяти, он обнаружит из установки типа файла, что индекс уже назначен. Ядро проверяет это условие и, обнаружив, что этот индекс назначен, пытается назначить другой. Немедленная перепись скорректированного индекса на диск после его назначения в соответствии с алгоритмом ialloc снижает опасность конкуренции, поскольку поле типа файла будет содержать пометку о том, что индекс использован.
  Рисунок 4.17. Конкуренция в назначении индексов (продолжение)
Блокировка списка индексов в суперблоке при чтении с диска устраняет другие возможности для конкуренции. Если суперблок не заблокирован, процесс может обнаружить, что он пуст, и попытаться заполнить его с диска, время от времени приостанавливая свое выполнение до завершения операции ввода-вывода. Предположим, что второй процесс так же пытается назначить новый индекс и обнаруживает, что список пуст. Он тоже попытается заполнить список с диска. В лучшем случае, оба процесса продублируют друг друга и потратят энергию центрального процессора. В худшем, участится конкуренция, подобная той, которая описана в предыдущем параграфе. Сходным образом, если процесс, освобождая индекс, не проверил наличие блокировки списка, он может затереть номера индексов уже в списке свободных индексов, пока другой процесс будет заполнять этот список информацией с диска. И опять участится конкуренция вышеописанного типа. Несмотря на то, что ядро более или менее удачно управляется с ней, производительность системы снижается. Установка блокировки для списка свободных индексов в суперблоке устраняет такую конкуренцию.

4.7 ВЫДЕЛЕНИЕ ДИСКОВЫХ БЛОКОВ

Когда процесс записывает данные в файл, ядро должно выделять из файловой системы дисковые блоки под информационные блоки прямой адресации и иногда под блоки косвенной адресации. Суперблок файловой системы содержит массив, используемый для хранения номеров свободных дисковых блоков в файловой системе. Сервисная программа mkfs («make file system» — создать файловую систему) организует информационные блоки в файловой системе в виде списка с указателями так, что каждый элемент списка указывает на дисковый блок, в котором хранится массив номеров свободных дисковых блоков, а один из элементов массива хранит номер следующего блока данного списка.
Когда ядру нужно выделить блок из файловой системы (алгоритм alloc, Рисунок 4.19), оно выделяет следующий из блоков, имеющихся в списке в суперблоке. Выделенный однажды, блок не может быть переназначен до тех пор, пока не освободится. Если выделенный блок является последним блоком, имеющимся в кеше суперблока, ядро трактует его как указатель на блок, в котором хранится список свободных блоков. Ядро читает блок, заполняет массив в суперблоке новым списком номеров блоков и после этого продолжает работу с первоначальным номером блока. Оно выделяет буфер для блока и очищает содержимое буфера (обнуляет его). Дисковый блок теперь считается назначенным и у ядра есть буфер для работы с ним. Если в файловой системе нет свободных блоков, вызывающий процесс получает сообщение об ошибке.
Если процесс записывает в файл большой объем информации, он неоднократно запрашивает у системы блоки для хранения информации, но ядро назначает каждый раз только по одному блоку. Программа mkfs пытается организовать первоначальный связанный список номеров свободных блоков так, чтобы номера блоков, передаваемых файлу, были рядом друг с другом. Благодаря этому повышается производительность, поскольку сокращается время поиска на диске и время ожидания при последовательном чтении файла процессом. На Рисунке 4.18 номера блоков даны в настоящем формате, определяемом скоростью вращения диска. К сожалению, очередность номеров блоков в списке свободных блоков перепутана в связи с частыми обращениями к списку со стороны процессов, ведущих запись в файлы и удаляющих их, в результате чего номера блоков поступают в список и покидают его в случайном порядке. Ядро не предпринимает попыток сортировать номера блоков в списке.
  Рисунок 4.18. Список номеров свободных дисковых блоков с указателями
Алгоритм освобождения блока free — обратный алгоритму выделения блока. Если список в суперблоке не полон, номер вновь освобожденного блока включается в этот список. Если, однако, список полон, вновь освобожденный блок становится связным блоком; ядро переписывает в него список из суперблока и копирует блок на диск. Затем номер вновь освобожденного блока включается в список свободных блоков в суперблоке. Этот номер становится единственным номером в списке.
На Рисунке 4.20 показана последовательность операций alloc и free для случая, когда в исходный момент список свободных блоков содержал один элемент. Ядро освобождает блок 949 и включает номер блока в список. Затем оно выделяет этот блок и удаляет его номер из списка. Наконец, оно выделяет блок 109 и удаляет его номер из списка. Поскольку список свободных блоков в суперблоке теперь пуст, ядро снова наполняет список, копируя в него содержимое блока 109, являющегося следующей связью в списке с указателями. На Рисунке 4.20(г) показан заполненный список в суперблоке и следующий связной блок с номером 211.
  алгоритм alloc /* выделение блока файловой системы */
  входная информация: номер файловой системы
  выходная информация: буфер для нового блока
  {
   do (пока суперблок заблокирован)
    sleep (до того момента, когда с суперблока будет снята блокировка);
   удалить блок из списка свободных блоков в суперблоке;
   if (из списка удален последний блок)   {
    заблокировать суперблок;
    прочитать блок, только что взятый из списка свободных (алгоритм bread);
    скопировать номера блоков, хранящиеся в данном блоке, в суперблок;
    освободить блочный буфер (алгоритм brelse);
    снять блокировку с суперблока;
    возобновить выполнение процессов (после снятия блокировки с суперблока);
   }
   получить буфер для блока, удаленного из списка (алгоритм getblk);
   обнулить содержимое буфера;
   уменьшить общее число свободных блоков;
   пометить суперблок как «измененный»;
   return буфер;
  }
  Рисунок 4.19. Алгоритм выделения дискового блока
Алгоритмы назначения и освобождения индексов и дисковых блоков сходятся в том, что ядро использует суперблок в качестве кеша, хранящего указатели на свободные ресурсы — номера блоков и номера индексов. Оно поддерживает список номеров блоков с указателями, такой, что каждый номер свободного блока в файловой системе появляется в некотором элементе списка, но ядро не поддерживает такого списка для свободных индексов. Тому есть три причины.
Ядро устанавливает, свободен ли индекс или нет, проверяя: если поле типа файла очищено, индекс свободен. Ядро не нуждается в другом механизме описания свободных индексов. Тем не менее, оно не может определить, свободен ли блок или нет, только взглянув на него. Ядро не может уловить различия между маской, показывающей, что блок свободен, и информацией, случайно имеющей сходную маску. Следовательно, ядро нуждается во внешнем механизме идентификации свободных блоков, в качестве него в традиционных реализациях системы используется список с указателями.
Сама конструкция дисковых блоков наводит на мысль об использовании списков с указателями: в дисковом блоке легко разместить большие списки номеров свободных блоков. Но индексы не имеют подходящего места для массового хранения списков номеров свободных индексов.
Пользователи имеют склонность чаще расходовать дисковые блоки, нежели индексы, поэтому кажущееся запаздывание в работе при просмотре диска в поисках свободных индексов не является таким критическим, как если бы оно имело место при поисках свободных дисковых блоков.
  Рисунок 4.20. Запрашивание и освобождение дисковых блоков

4.8 ДРУГИЕ ТИПЫ ФАЙЛОВ

В системе UNIX поддерживаются и два других типа файлов: каналы и специальные файлы. Канал, иногда называемый fifo (сокращенно от «first-in-first-out» — «первым пришел — первым вышел» — поскольку обслуживает запросы в порядке поступления), отличается от обычного файла тем, что содержит временные данные: информация, однажды считанная из канала, не может быть прочитана вновь. Кроме того, информация читается в том порядке, в котором она была записана в канале, и система не допускает никаких отклонений от данного порядка. Способ хранения ядром информации в канале не отличается от способа ее хранения в обычном файле, за исключением того, что здесь используются только блоки прямой, а не косвенной, адресации. Конкретное представление о каналах можно будет получить в следующей главе.
Последним типом файлов в системе UNIX являются специальные файлы, к которым относятся специальные файлы устройств ввода-вывода блоками и специальные файлы устройств посимвольного ввода-вывода. Оба подтипа обозначают устройства, и поэтому индексы таких файлов не связаны ни с какой информацией. Вместо этого индекс содержит два номера — старший и младший номера устройства. Старший номер устройства указывает его тип, например, терминал или диск, а младший номер устройства — числовой код, идентифицирующий устройство в группе однородных устройств. Более подробно специальные файлы устройств рассматриваются в главе 10.

4.9 ВЫВОДЫ

Индекс представляет собой структуру данных, в которой описываются атрибуты файла, в том числе расположение информации файла на диске. Существует две разновидности индекса: копия на диске, в которой хранится информация индекса, пока файл находится в работе, и копия в памяти, где хранится информация об активных файлах. Алгоритмы ialloc и ifree управляют назначением файлу дискового индекса во время выполнения системных операций creat, mknod, pipe и unlink (см. следующую главу), а алгоритмы iget и iput управляют выделением индексов в памяти в момент обращения процесса к файлу. Алгоритм bmap определяет местонахождение дисковых блоков, принадлежащих файлу, используя предварительно заданное смещение в байтах от начала файла. Каталоги представляют собой файлы, которые устанавливают соответствие между компонентами имен файлов и номерами индексов. Алгоритм namei преобразует имена файлов, с которыми работают процессы, в идентификаторы индексов, с которыми работает ядро. Наконец, ядро управляет назначением файлу новых дисковых блоков, используя алгоритмы alloc и free.
Структуры данных, рассмотренные в настоящей главе, состоят из связанных списков, хеш-очередей и линейных массивов, и поэтому алгоритмы, работающие с рассмотренными структурами данных, достаточно просты. Сложности появляются тогда, когда возникает конкуренция, вызываемая взаимодействием алгоритмов между собой, и некоторые из этих проблем синхронизации рассмотрены в тексте. Тем не менее, алгоритмы не настолько детально разработаны и могут служить иллюстрацией простоты конструкции системы.
Вышеописанные структуры и алгоритмы работают внутри ядра и невидимы для пользователя. С точки зрения общей архитектуры системы (Рисунок 2.1), алгоритмы, рассмотренные в данной главе, имеют отношение к нижней половине подсистемы управления файлами. Следующая глава посвящена разбору обращений к операционной системе, обеспечивающих функционирование пользовательского интерфейса, и описанию верхней половины подсистемы управления файлами, из которой вызывается выполнение рассмотренных здесь алгоритмов.

4.10 УПРАЖНЕНИЯ

1. В версии V системы UNIX разрешается использовать не более 14 символов на каждую компоненту имени пути поиска. Алгоритм namei отсекает лишние символы в компоненте. Что нужно сделать в файловой системе и в соответствующих алгоритмах, чтобы стали допустимыми имена компонент произвольной длины?
2. Предположим, что пользователь имеет закрытую версию системы UNIX, причем он внес в нее такие изменения, что имя компоненты теперь может состоять из 30 символов; закрытая версия системы обеспечивает тот же способ хранения записей каталогов, как и стандартная операционная система, за исключением того, что записи каталогов имеют длину 32 байта вместо 16. Если пользователь смонтирует закрытую файловую систему в стандартной операционной среде, что произойдет во время работы алгоритма namei, когда процесс обратится к файлу?
*3. Рассмотрим работу алгоритма namei по преобразованию имени пути поиска в идентификатор индекса. В течение всего просмотра ядро проверяет соответствие текущего рабочего индекса индексу каталога. Может ли другой процесс удалить (unlink) каталог? Каким образом ядро предупреждает такие действия? В следующей главе мы вернемся к этой проблеме.
*4. Разработайте структуру каталога, повышающую эффективность поиска имен файлов без использования линейного просмотра. Рассмотрите два способа: хеширование и n-арные деревья.
*5. Разработайте алгоритм сокращения количества просмотров каталога в поисках имени файла, используя запоминание часто употребляемых имен.
*6. В идеальном случае в файловой системе не должно быть свободных индексов с номерами, меньшими, чем номер «запомненного» индекса, используемый алгоритмом ialloc. Как случается, что это утверждение бывает ложным?
7. Суперблок является дисковым блоком и содержит кроме списка свободных блоков и другую информацию, как показано в данной главе. Поэтому список свободных блоков в суперблоке не может содержать больше номеров свободных блоков, чем может поместиться в одном дисковом блоке в связанном списке свободных дисковых блоков. Какое число номеров свободных блоков было бы оптимальным для хранения в одном блоке из связанного списка?

5.10 CМЕНА ВЛАДЕЛЬЦА И РЕЖИМА ДОСТУПА К ФАЙЛУ

Смена владельца или режима (прав) доступа к файлу является операцией, производимой над индексом, а не над файлом. Синтаксис вызова соответствующих системных функций:
chown(pathname, owner, group)
chmod(pathname, mode)
Для того, чтобы поменять владельца файла, ядро преобразует имя файла в идентификатор индекса, используя алгоритм namei. Владелец процесса должен быть суперпользователем или владельцем файла (процесс не может распоряжаться тем, что не принадлежит ему). Затем ядро назначает файлу нового владельца и нового группового пользователя, сбрасывает флаги прежних установок (см. раздел 7.5) и освобождает индекс по алгоритму iput. После этого прежний владелец теряет право «собственности» на файл. Для того, чтобы поменять режим доступа к файлу, ядро выполняет процедуру, подобную описанной, вместо кода владельца меняя флаги, устанавливающие режим доступа.

5.11 STAT И FSTАТ

Системные функции stat и fstat позволяют процессам запрашивать информацию о статусе файла: типе файла, владельце файла, правах доступа, размере файла, числе связей, номере индекса и времени доступа к файлу. Синтаксис вызова функций:
stat(pathname, statbuffer);
fstat(fd, statbuffer);
где pathname — имя файла, fd — дескриптор файла, возвращаемый функцией open, statbuffer — адрес структуры данных пользовательского процесса, где будет храниться информация о статусе файла после завершения выполнения вызова. Системные функции просто переписывают поля из индекса в структуру statbuffer. Программа на Рисунке 5.33 иллюстрирует использование функций stat и fstat.
  Рисунок 5.15. Дерево процессов и совместное использование каналов

5.12 КАНАЛЫ

Каналы позволяют передавать данные между процессами в порядке поступления («первым пришел — первым вышел»), а также синхронизировать выполнение процессов. Их использование дает процессам возможность взаимодействовать между собой, пусть даже не известно, какие процессы находятся на другом конце канала. Традиционная реализация каналов использует файловую систему для хранения данных. Различают два вида каналов: поименованные каналы и, за отсутствием лучшего термина, непоименованные каналы, которые идентичны между собой во всем, кроме способа первоначального обращения к ним процессов. Для поименованных каналов процессы используют системную функцию open, а системную функцию pipe — для создания непоименованного канала. Впоследствии, при работе с каналами процессы пользуются обычными системными функциями для файлов, такими как read, write и close. Только связанные между собой процессы, являющиеся потомками того процесса, который вызвал функцию pipe, могут разделять доступ к непоименованным каналам. Например (см. Рисунок 5.15), если процесс B создает канал и порождает процессы D и E, эти три процесса разделяют между собой доступ к каналу, в отличие от процессов A и C. Однако, все процессы могут обращаться к поименованному каналу независимо от взаимоотношений между ними, при условии наличия обычных прав доступа к файлу. Поскольку непоименованные каналы встречаются чаще, они будут рассмотрены первыми.

5.12.1 Системная функция pipе

Синтаксис вызова функции создания канала:
pipe(fdptr);
где fdptr — указатель на массив из двух целых переменных, в котором будут храниться два дескриптора файла для чтения из канала и для записи в канал. Поскольку ядро реализует каналы внутри файловой системы и поскольку канал не существует до того, как его будут использовать, ядро должно при создании канала назначить ему индекс. Оно также назначает для канала пару пользовательских дескрипторов и соответствующие им записи в таблице файлов: один из дескрипторов для чтения из канала, а другой для записи в канал. Поскольку ядро пользуется таблицей файлов, интерфейс для вызова функций read, write и др. согласуется с интерфейсом для обычных файлов. В результате процессам нет надобности знать, ведут ли они чтение или запись в обычный файл или в канал.
  алгоритм pipe
  входная информация: отсутствует
  выходная информация: 
   дескриптор файла для чтения
   дескриптор файла для записи
  {
   назначить новый индекс из устройства канала (алгоритм ialloc);
   выделить одну запись в таблице файлов для чтения, одну — для переписи;
   инициализировать записи в таблице файлов таким образом, чтобы они указывали на новый индекс;
   выделить один пользовательский дескриптор файла для чтения, один — для записи, проинициализировать их таким образом, чтобы они указывали на соответствующие точки входа в таблице файлов;
   установить значение счетчика ссылок в индексе равным 2;
   установить значение счетчика числа процессов, производящих чтение, и процессов, производящих запись, равным 1;
  }
  Рисунок 5.16. Алгоритм создания каналов (непоименованных)
На Рисунке 5.16 показан алгоритм создания непоименованных каналов. Ядро назначает индекс для канала из файловой системы, обозначенной как «устройство канала», используя алгоритм ialloc. Устройство канала — это именно та файловая система, из которой ядро может назначать каналам индексы и выделять блоки для данных. Администраторы системы указывают устройство канала при конфигурировании системы и эти устройства могут совпадать у разных файловых систем. Пока канал активен, ядро не может переназначить индекс канала и информационные блоки канала другому файлу.
Затем ядро выделяет в таблице файлов две записи, соответствующие дескрипторам для чтения и записи в канал, и корректирует «бухгалтерскую» информацию в копии индекса в памяти. В каждой из выделенных записей в таблице файлов хранится информация о том, сколько экземпляров канала открыто для чтения или записи (первоначально 1), а счетчик ссылок в индексе указывает, сколько раз канал был «открыт» (первоначально 2 — по одному для каждой записи таблицы файлов). Наконец, в индексе записываются смещения в байтах внутри канала до места, где будет начинаться следующая операция записи или чтения. Благодаря сохранению этих смещений в индексе имеется возможность производить доступ к данным в канале в порядке их поступления в канал («первым пришел первым вышел»); этот момент является особенностью каналов, поскольку для обычных файлов смещения хранятся в таблице файлов. Процессы не могут менять эти смещения с помощью системной функции lseek и поэтому произвольный доступ к данным канала невозможен.

5.12.2 Открытие поименованного канала

Поименованный канал — это файл, имеющий почти такую же семантику, как и непоименованный канал, за исключением того, что этому файлу соответствует запись в каталоге и обращение к нему производится по имени. Процессы открывают поименованные каналы так же, как и обычные файлы, и, следовательно, с помощью поименованных каналов могут взаимодействовать между собой даже процессы, не имеющие друг к другу близкого отношения. Поименованные каналы постоянно присутствуют в иерархии файловой системы (из которой они удаляются с помощью системной функции unlink), а непоименованные каналы являются временными: когда все процессы заканчивают работу с каналом, ядро отбирает назад его индекс.
Алгоритм открытия поименованного канала идентичен алгоритму открытия обычного файла. Однако, перед выходом из функции ядро увеличивает значения тех счетчиков в индексе, которые показывают количество процессов, открывших поименованный канал для чтения или записи. Процесс, открывающий поименованный канал для чтения, приостановит свое выполнение до тех пор, пока другой процесс не откроет поименованный канал для записи, и наоборот. Не имеет смысла открывать канал для чтения, если процесс не надеется получить данные; то же самое касается записи. В зависимости от того, открывает ли процесс поименованный канал для записи или для чтения, ядро возобновляет выполнение тех процессов, которые были приостановлены в ожидании процесса, записывающего в поименованный канал или считывающего данные из канала (соответственно).
Если процесс открывает поименованный канал для чтения, причем процесс, записывающий в канал, существует, открытие завершается. Или если процесс открывает поименованный файл с параметром «no delay», функция open возвращает управление немедленно, даже когда нет ни одного записывающего процесса. Во всех остальных случаях процесс приостанавливается до тех пор, пока записывающий процесс не откроет канал. Аналогичные правила действуют для процесса, открывающего канал для записи.

5.12.3 Чтение из каналов и запись в каналы

Канал следует рассматривать под таким углом зрения, что процессы ведут запись на одном конце канала, а считывают данные на другом конце. Как уже говорилось выше, процессы обращаются к данным в канале в порядке их поступления в канал; это означает, что очередность, в которой данные записываются в канал, совпадает с очередностью их выборки из канала. Совпадение количества процессов, считывающих данные из канала, с количеством процессов, ведущих запись в канал, совсем не обязательно; если одно число отличается от другого более, чем на 1, процессы должны координировать свои действия по использованию канала с помощью других механизмов. Ядро обращается к данным в канале точно так же, как и к данным в обычном файле: оно сохраняет данные на устройстве канала и назначает каналу столько блоков, сколько нужно, во время выполнения функции write. Различие в выделении памяти для канала и для обычного файла состоит в том, что канал использует в индексе только блоки прямой адресации в целях повышения эффективности работы, хотя это и накладывает определенные ограничения на объем данных, одновременно помещающихся в канале. Ядро работает с блоками прямой адресации индекса как с циклической очередью, поддерживая в своей структуре указатели чтения и записи для обеспечения очередности обслуживания "первым пришел - первым вышел" (Рисунок 5.17).
Рассмотрим четыре примера ввода-вывода в канал: запись в канал, в котором есть место для записи данных; чтение из канала, в котором достаточно данных для удовлетворения запроса на чтение; чтение из канала, в котором данных недостаточно; и запись в канал, где нет места для записи.
Рисунок 5.17. Логическая схема чтения и записи в канал
Рассмотрим первый случай, в котором процесс ведет запись в канал, имеющий место для ввода данных: сумма количества записываемых байт с числом байт, уже находящихся в канале, меньше или равна емкости канала. Ядро следует алгоритму записи данных в обычный файл, за исключением того, что оно увеличивает размер канала автоматически после каждого выполнения функции write, поскольку по определению объем данных в канале растет с каждой операцией записи. Иначе происходит увеличение размера обычного файла: процесс увеличивает размер файла только тогда, когда он при записи данных переступает границу конца файла. Если следующее смещение в канале требует использования блока косвенной адресации, ядро устанавливает значение смещения в пространстве процесса таким образом, чтобы оно указывало на начало канала (смещение в байтах, равное 0). Ядро никогда не затирает данные в канале; оно может сбросить значение смещения в 0, поскольку оно уже установило, что данные не будут переполнять емкость канала. Когда процесс запишет в канал все свои данные, ядро откорректирует значение указателя записи (в индексе) канала таким образом, что следующий процесс продолжит запись в канал с того места, где остановилась предыдущая операция write. Затем ядро возобновит выполнение всех других процессов, приостановленных в ожидании считывания данных из канала.
Когда процесс запускает функцию чтения из канала, он проверяет, пустой ли канал или нет. Если в канале есть данные, ядро считывает их из канала так, как если бы канал был обычным файлом, выполняя соответствующий алгоритм. Однако, начальным смещением будет значение указателя чтения, хранящегося в индексе и показывающего протяженность прочитанных ранее данных. После считывания каждого блока ядро уменьшает размер канала в соответствии с количеством считанных данных и устанавливает значение смещения в пространстве процесса так, чтобы при достижении конца канала оно указывало на его начало. Когда выполнение системной функции read завершается, ядро возобновляет выполнение всех приостановленных процессов записи и запоминает текущее значение указателя чтения в индексе (а не в записи таблицы файлов).
Если процесс пытается считать больше информации, чем фактически есть в канале, функция read завершится успешно, возвратив все данные, находящиеся в данный момент в канале, пусть даже не полностью выполнив запрос пользователя. Если канал пуст, процесс обычно приостанавливается до тех пор, пока какой-нибудь другой процесс не запишет данные в канал, после чего все приостановленные процессы, ожидающие ввода данных, возобновят свое выполнение и начнут конкурировать за чтение из канала. Если, однако, процесс открывает поименованный канал с параметром "no delay" (без задержки), функция read возвратит управление немедленно, если в канале отсутствуют данные. Операции чтения и записи в канал имеют ту же семантику, что и аналогичные операции для терминальных устройств (глава 10), она позволяет процессам игнорировать тип тех файлов, с которыми эти программы имеют дело.
Если процесс ведет запись в канал и в канале нет места для всех данных, ядро помечает индекс и приостанавливает выполнение процесса до тех пор, пока канал не начнет очищаться от данных. Когда впоследствии другой процесс будет считывать данные из канала, ядро заметит существование процессов, приостановленных в ожидании очистки канала, и возобновит их выполнение подобно тому, как это было объяснено выше. Исключением из этого утверждения является ситуация, когда процесс записывает в канал данные, объем которых превышает емкость канала (то есть, объем данных, которые могут храниться в блоках прямой адресации); в этом случае ядро записывает в канал столько данных, сколько он может вместить в себя, и приостанавливает процесс до тех пор, пока не освободится дополнительное место. Таким образом, возможно положение, при котором записываемые данные не будут занимать непрерывное место в канале, если другие процессы ведут запись в канал в то время, на которое первый процесс прервал свою работу.
Анализируя реализацию каналов, можно заметить, что интерфейс процессов согласуется с интерфейсом обычных файлов, но его воплощение отличается, так как ядро запоминает смещения для чтения и записи в индексе вместо того, чтобы делать это в таблице файлов. Ядро вынуждено хранить значения смещений для поименованных каналов в индексе для того, чтобы процессы могли совместно использовать эти значения: они не могли бы совместно использовать значения, хранящиеся в таблице файлов, так как процесс получает новую запись в таблице файлов по каждому вызову функции open. Тем не менее, совместное использование смещений чтения и записи в индексе наблюдалось и до реализации поименованных каналов. Процессы, обращающиеся к непоименованным каналам, разделяют доступ к каналу через общие точки входа в таблицу файлов, поэтому они могли бы по умолчанию хранить смещения записи и чтения в таблице файлов, как это принято для обычных файлов. Это не было сделано, так как процедуры низкого уровня, работающие в ядре, больше не имеют доступа к записям в таблице файлов: программа упростилась за счет того, что процессы совместно используют значения смещений, хранящиеся в индексе.

5.12.4 Закрытие каналов

При закрытии канала процесс выполняет ту же самую процедуру, что и при закрытии обычного файла, за исключением того, что ядро, прежде чем освободить индекс канала, выполняет специальную обработку. Оно уменьшает количество процессов чтения из канала или записи в канал в зависимости от типа файлового дескриптора. Если значение счетчика числа записывающих в канал процессов становится равным 0 и имеются процессы, приостановленные в ожидании чтения данных из канала, ядро возобновляет выполнение последних и они завершают свои операции чтения без возврата каких-либо данных. Если становится равным 0 значение счетчика числа считывающих из канала процессов и имеются процессы, приостановленные в ожидании возможности записи данных в канал, ядро возобновляет выполнение последних и посылает им сигнал (глава 7) об ошибке. В обоих случаях не имеет смысла продолжать держать процессы приостановленными, если нет надежды на то, что состояние канала когда-нибудь изменится. Например, если процесс ожидает возможности производить чтение из непоименованного канала и в системе больше нет процессов, записывающих в этот канал, значит, записывающий процесс никогда не появится. Несмотря на то, что если канал поименованный, в принципе возможно появление нового считывающего или записывающего процесса, ядро трактует эту ситуацию точно так же, как и для непоименованных каналов. Если к каналу не обращается ни один записывающий или считывающий процесс, ядро освобождает все информационные блоки канала и переустанавливает индекс таким образом, чтобы он указывал на то, что канал пуст. Когда ядро освобождает индекс обычного канала, оно освобождает для переназначения и дисковую копию этого индекса.

5.12.5 Примеры

Программа на Рисунке 5.18 иллюстрирует искусственное использование каналов. Процесс создает канал и входит в бесконечный цикл, записывая в канал строку символов «hello» и считывая ее из канала. Ядру не нужно ни знать о том, что процесс, ведущий запись в канал, является и процессом, считывающим из канала, ни проявлять по этому поводу какое-либо беспокойство.
  char string[] = "hello";
  main()   {
   char buf[1024];
   char *cp1,*cp2;
   int fds[2];
   cp1 = string;
   cp2 = buf;
   while(*cp1) *cp2++ = *cp1++;
   pipe(fds); 
   for (;   {
    write(fds[1], buf, 6);
    read(fds[0], buf, 6);
   }
  }
  Рисунок 5.18. Чтение из канала и запись в канал
Процесс, выполняющий программу, которая приведена на Рисунке 5.19, создает поименованный канал с именем «fifo». Если этот процесс запущен с указанием второго (формального) аргумента, он постоянно записывает в канал строку символов «hello»; будучи запущен без второго аргумента, он ведет чтение из поименованного канала. Два процесса запускаются по одной и той же программе, тайно договорившись взаимодействовать между собой через поименованный канал «fifo», но им нет необходимости быть родственными процессами. Другие пользователи могут выполнять программу и участвовать в диалоге (или мешать ему).
  #include ‹fcntl.h›
  char string[] = "hello";
  main(argc, argv)
  int argc;
  char *argv[];
  {
   int fd;
   char buf[256];
   /* создание поименованного канала с разрешением чтения и записи для всех пользователей */
   mknod("fifo", 010777, 0);
   if (argc == 2)    fd = open("fifo", O_WRONLY);
   else   fd = open("fifo", O_RDONLY);
   for (;
   if (argc == 2)   write(fd, string, 6);
    else   read(fd, buf, 6);
  }
  Рисунок 5.19. Чтение и запись в поименованный канал

5.13 DUР

Системная функция dup копирует дескриптор файла в первое свободное место в таблице пользовательских дескрипторов файла, возвращая новый дескриптор пользователю. Она действует для всех типов файла. Синтаксис вызова функции:
newfd = dup(fd);
где fd — дескриптор файла, копируемый функцией, а newfd — новый дескриптор, ссылающийся на файл. Поскольку функция dup дублирует дескриптор файла, она увеличивает значение счетчика в соответствующей записи таблицы файлов — записи, на которую указывают связанные с ней точки входа в таблице файловых дескрипторов, которых теперь стало на одну больше. Например, обзор структур данных, изображенных на Рисунке 5.20, показывает, что процесс вызывает следующую последовательность функций: он открывает (open) файл с именем «/etc/passwd» (файловый дескриптор 3), затем открывает файл с именем «local» (файловый дескриптор 4), снова файл с именем «/etc/passwd» (файловый дескриптор 5) и, наконец, дублирует (dup) файловый дескриптор 3, возвращая дескриптор 6.
  Рисунок 5.20. Структуры данных после выполнения функции dup
Возможно, dup — функция, не отличающаяся изяществом, поскольку она предполагает, что пользователь знает о том, что система возвратит свободную точку входа в таблице пользовательских дескрипторов, имеющую наименьший номер. Однако, она служит важной задаче конструирования сложных программ из более простых конструкционных блоков, что, в частности, имеет место при создании конвейеров, составленных из командных процессоров.
Рассмотрим программу, приведенную на Рисунке 5.21. В переменной i хранится дескриптор файла, возвращаемый в результате открытия файла «/etc/passwd», а в переменной j — дескриптор файла, возвращаемый системой в результате дублирования дескриптора i с помощью функции dup. В адресном пространстве процесса оба пользовательских дескриптора, представленные переменными i и j, ссылаются на одну и ту же запись в таблице файлов и поэтому используют одно и то же значение смещения внутри файла. Таким образом, первые два вызова процессом функции read реализуют последовательное считывание данных, и в буферах buf1 и buf2 будут располагаться разные данные. Совсем другой результат получается, когда процесс открывает один и тот же файл дважды и читает дважды одни и те же данные (раздел 5.2). Процесс может освободить с помощью функции close любой из файловых дескрипторов по своему желанию, и ввод-вывод получит нормальное продолжение по другому дескриптору, как показано на примере. В частности, процесс может «закрыть» дескриптор файла стандартного вывода (файловый дескриптор 1), снять с него копию, имеющую то же значение, и затем рассматривать новый файл в качестве файла стандартного вывода. В главе 7 будет представлен более реалистический пример использования функций pipe и dup при описании особенностей реализации командного процессора.
#include ‹fcntl.h›
main() {
 int i, j;
 char buf1[512], buf2[512];
 i = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
 j = dup(i);
 read(i, buf1, sizeof(buf1));
 read(j, buf2, sizeof(buf2));
 close(i);
 read(j, buf2, sizeof(buf2));
}
  Рисунок 5.21. Программа на языке Си, иллюстрирующая использование функции dup

5.14 МОНТИРОВАНИЕ И ДЕМОНТИРОВАНИЕ ФАЙЛОВЫХ СИСТЕМ

Физический диск состоит из нескольких логических разделов, на которые он разбит дисковым драйвером, причем каждому разделу соответствует файл устройства, имеющий определенное имя. Процессы обращаются к данным раздела, открывая соответствующий файл устройства и затем ведя запись и чтение из этого «файла», представляя его себе в виде последовательности дисковых блоков. Это взаимодействие во всех деталях рассматривается в главе 10. Раздел диска может содержать логическую файловую систему, состоящую из блока начальной загрузки, суперблока, списка индексов и информационных блоков (см. главу 2). Системная функция mount (монтировать) связывает файловую систему из указанного раздела на диске с существующей иерархией файловых систем, а функция umount (демонтировать) выключает файловую систему из иерархии. Функция mount, таким образом, дает пользователям возможность обращаться к данным в дисковом разделе как к файловой системе, а не как к последовательности дисковых блоков.
Синтаксис вызова функции mount:
mount(special pathname, directory pathname, options);
где special pathname — имя специального файла устройства, соответствующего дисковому разделу с монтируемой файловой системой, directory pathname — каталог в существующей иерархии, где будет монтироваться файловая система (другими словами, точка или место монтирования), а options указывает, следует ли монтировать файловую систему «только для чтения» (при этом не будут выполняться такие функции, как write и creat, которые производят запись в файловую систему). Например, если процесс вызывает функцию mount следующим образом:
mount("/dev/dsk1", "/usr', 0);
ядро присоединяет файловую систему, находящуюся в дисковом разделе с именем «/dev/dsk1», к каталогу «/usr» в существующем дереве файловых систем (см. Рисунок 5.22). Файл «/dev/dsk1» является блочным специальным файлом, т. е. он носит имя устройства блочного типа, обычно имя раздела на диске. Ядро предполагает, что раздел на диске с указанным именем содержит файловую систему с суперблоком, списком индексов и корневым индексом. После выполнения функции mount к корню смонтированной файловой системы можно обращаться по имени «/usr». Процессы могут обращаться к файлам в монтированной файловой системе и игнорировать тот факт, что система может отсоединяться. Только системная функция link контролирует файловую систему, так как в версии V не разрешаются связи между файлами, принадлежащими разным файловым системам (см. раздел 5.15).
  Рисунок 5.22. Дерево файловых систем до и после выполнения функции mount
Ядро поддерживает таблицу монтирования с записями о каждой монтированной файловой системе. В каждой записи таблицы монтирования содержатся:
• номер устройства, идентифицирующий монтированную файловую систему (упомянутый выше логический номер файловой системы);
• указатель на буфер, где находится суперблок файловой системы;
• указатель на корневой индекс монтированной файловой системы («/» для файловой системы с именем «/dev/dsk1» на Рисунке 5.22);
• указатель на индекс каталога, ставшего точкой монтирования (на Рисунке 5.22 это каталог «usr», принадлежащий корневой файловой системе).
Связь индекса точки монтирования с корневым индексом монтированной файловой системы, возникшая в результате выполнения системной функции mount, дает ядру возможность легко двигаться по иерархии файловых систем без получения от пользователей дополнительных сведений.
  алгоритм mount
  входная информация:
   имя блочного специального файла
   имя каталога точки монтирования
   опции («только для чтения»)
  выходная информация: отсутствует 
  {
   if (пользователь не является суперпользователем)   return (ошибку);
   получить индекс для блочного специального файла (алгоритм namei);
   проверить допустимость значений параметров;
   получить индекс для имени каталога, где производится монтирование (алгоритм namei);
   if (индекс не является индексом каталога или счетчик ссылок имеет значение › 1)   {
    освободить индексы (алгоритм iput);
    return (ошибку);
   }
   найти свободное место в таблице монтирования;
   запустить процедуру открытия блочного устройства для данного драйвера;
   получить свободный буфер из буферного кеша;
   считать суперблок в свободный буфер;
   проинициализировать поля суперблока;
   получить корневой индекс монтируемой системы (алгоритм iget), сохранить его в таблице монтирования;
   сделать пометку в индексе каталога о том, что каталог является точкой монтирования;
   освободить индекс специального файла (алгоритм iput);
   снять блокировку с индекса каталога точки монтирования;
  }
  Рисунок 5.23. Алгоритм монтирования файловой системы
На Рисунке 5.23 показан алгоритм монтирования файловой системы. Ядро позволяет монтировать и демонтировать файловые системы только тем процессам, владельцем которых является суперпользователь. Предоставление возможности выполнять функции mount и umount всем пользователям привело бы к внесению с их стороны хаоса в работу файловой системы, как умышленному, так и явившемуся результатом неосторожности. Суперпользователи могут разрушить систему только случайно.
Ядро находит индекс специального файла, представляющего файловую систему, подлежащую монтированию, извлекает старший и младший номера, которые идентифицируют соответствующий дисковый раздел, и выбирает индекс каталога, в котором файловая система будет смонтирована. Счетчик ссылок в индексе каталога должен иметь значение, не превышающее 1 (и меньше 1 он не должен быть — почему?), в связи с наличием потенциально опасных побочных эффектов (см. упражнение 5.27). Затем ядро назначает свободное место в таблице монтирования, помечает его для использования и присваивает значение полю номера устройства в таблице. Вышеуказанные назначения производятся немедленно, поскольку вызывающий процесс может приостановиться, следуя процедуре открытия устройства или считывая суперблок файловой системы, а другой процесс тем временем попытался бы смонтировать файловую систему. Пометив для использования запись в таблице монтирования, ядро не допускает использования в двух вызовах функции mount одной и той же записи таблицы. Запоминая номер устройства с монтируемой системой, ядро может воспрепятствовать повторному монтированию одной и той же системы другими процессами, которое, будь оно допущено, могло бы привести к непредсказуемым последствиям (см. упражнение 5.26).
Ядро вызывает процедуру открытия для блочного устройства, содержащего файловую систему, точно так же, как оно делает это при непосредственном открытии блочного устройства (глава 10). Процедура открытия устройства обычно проверяет существование такого устройства, иногда производя инициализацию структур данных драйвера и посылая команды инициализации аппаратуре. Затем ядро выделяет из буферного пула свободный буфер (вариант алгоритма getblk) для хранения суперблока монтируемой файловой системы и считывает суперблок, используя один из вариантов алгоритма read. Ядро сохраняет указатель на индекс каталога, в котором монтируется система, давая возможность маршрутам поиска файловых имен, содержащих имя «…», пересекать точку монтирования, как мы увидим дальше. Оно находит корневой индекс монтируемой файловой системы и запоминает указатель на индекс в таблице монтирования. С точки зрения пользователя, место (точка) монтирования и корень файловой системы логически эквивалентны, и ядро упрочивает эту эквивалентность благодаря их сосуществованию в одной записи таблицы монтирования. Процессы больше не могут обращаться к индексу каталога — точки монтирования.
Ядро инициализирует поля в суперблоке файловой системы, очищая поля для списка свободных блоков и списка свободных индексов и устанавливая число свободных индексов в суперблоке равным 0. Целью инициализации (задания начальных значений полей) является сведение к минимуму опасности разрушить файловую систему, если монтирование осуществляется после аварийного завершения работы системы. Если ядро заставить думать, что в суперблоке отсутствуют свободные индексы, то это приведет к запуску алгоритма ialloc, ведущего поиск на диске свободных индексов. К сожалению, если список свободных дисковых блоков испорчен, ядро не исправляет этот список изнутри (см. раздел 5.17 о сопровождении файловой системы). Если пользователь монтирует файловую систему только для чтения, запрещая проведение всех операций записи в системе, ядро устанавливает в суперблоке соответствующий флаг. Наконец, ядро помечает индекс каталога как «точку монтирования», чтобы другие процессы позднее могли ссылаться на нее. На Рисунке 5.24 представлен вид различных структур данных по завершении выполнения функции mount.

5.14.1 Пересечение точек монтирования в маршрутах поиска имен файлов

Давайте повторно рассмотрим поведение алгоритмов namei и iget в случаях, когда маршрут поиска файлов проходит через точку монтирования. Точку монтирования можно пересечь двумя способами: из файловой системы, где производится монтирование, в файловую систему, которая монтируется (в направлении от глобального корня к листу), и в обратном направлении. Эти способы иллюстрирует следующая последовательность команд shell'а.
mount /dev/dsk1 /usr
cd /usr/src/uts
cd ../../..
По команде mount после выполнения некоторых логических проверок запускается системная функция mount, которая монтирует файловую систему в дисковом разделе с именем «/dev/dsk1» под управлением каталога «/usr». Первая из команд cd (сменить каталог) побуждает командный процессор shell вызвать системную функцию chdir, выполняя которую, ядро анализирует имя пути поиска, пересекающего точку монтирования в «/usr». Вторая из команд cd приводит к тому, что ядро анализирует имя пути поиска и пересекает точку монтирования в третьей компоненте «..» имени.
  Рисунок 5.24. Структуры данных после монтирования
Для случая пересечения точки монтирования в направлении из файловой системы, где производится монтирование, в файловую систему, которая монтируется, рассмотрим модификацию алгоритма iget (Рисунок 5.25), которая идентична версии алгоритма, приведенной на Рисунке 4.3, почти во всем, за исключением того, что в данной модификации производится проверка, является ли индекс индексом точки монтирования. Если индекс имеет соответствующую пометку, ядро соглашается, что это индекс точки монтирования. Оно обнаруживает в таблице монтирования запись с указанным индексом точки монтирования и запоминает номер устройства монтируемой файловой системы. Затем, используя номер устройства и номер индекса корня, общего для всех файловых систем, ядро обращается к индексу корня монтируемого устройства и возвращает при выходе из функции этот индекс. В первом примере смены каталога ядро обращается к индексу каталога «/usr» из файловой системы, в которой производится монтирование, обнаруживает, что этот индекс имеет пометку «точка монтирования», находит в таблице монтирования индекс корня монтируемой файловой системы и обращается к этому индексу.
  алгоритм iget
  входная информация: номер индекса в файловой системе
  выходная информация: заблокированный индекс
  {
   do   {
    if (индекс в индексном кеше)   {
     if (индекс заблокирован)   {
      sleep (до освобождения индекса);
      continue; /* цикл с условием продолжения */
     }
     /* специальная обработка для точек монтирования */
     if (индекс является индексом точки монтирования)   {
      найти запись в таблице монтирования для точки монтирования;
      получить новый номер файловой системы из таблицы монтирования;
      использовать номер индекса корня для просмотра;
      continue; /* продолжение цикла */
     }
     if (индекс в списке свободных индексов)   убрать из списка свободных индексов;
     увеличить счетчик ссылок для индекса;
     return (индекс);
    }
    /* индекс отсутствует в индексном кеше */
    убрать новый индекс из списка свободных индексов;
    сбросить номер индекса и файловой системы;
    убрать индекс из старой хеш-очереди, поместить в новую;
    считать индекс с диска (алгоритм bread);
    инициализировать индекс (например, установив счетчик ссылок в 1);
    return (индекс);
   }
  }
  Рисунок 5.25. Модификация алгоритма получения доступа к индексу
Для второго случая пересечения точки монтирования в направлении из файловой системы, которая монтируется, в файловую систему, где выполняется монтирование, рассмотрим модификацию алгоритма namei (Рисунок 5.26). Она похожа на версию алгоритма, приведенную на Рисунке 4.11. Однако, после обнаружения в каталоге номера индекса для данной компоненты пути поиска ядро проверяет, не указывает ли номер индекса на то, что это корневой индекс файловой системы. Если это так и если текущий рабочий индекс так же является корневым, а компонента пути поиска, в свою очередь, имеет имя «..», ядро идентифицирует индекс как точку монтирования. Оно находит в таблице монтирования запись, номер устройства в которой совпадает с номером устройства для последнего из найденных индексов, получает индекс для каталога, в котором производится монтирование, и продолжает поиск компоненты с именем «..», используя только что полученный индекс в качестве рабочего. В корне файловой системы, тем не менее, корневым каталогом является «..»
  алгоритм namei /* превращение имени пути поиска в индекс */
  входная информация: имя пути поиска
  выходная информация: заблокированный индекс
  {
   if (путь поиска берет начало с корня)   рабочий индекс = индексу корня (алгоритм iget);
   else   рабочий индекс = индексу текущего каталога (алгоритм iget);
   do (пока путь поиска не кончился)   {
    считать следующую компоненту имени пути поиска;
    проверить соответствие рабочего индекса каталогу и права доступа;
    if (рабочий индекс соответствует корню и компонента имени «..»)   continue; /* цикл с условием продолжения */
  поиск компоненты:
    считать каталог (рабочий индекс), повторяя алгоритмы bmap, bread и brelse;
    if (компонента соответствует записи в каталоге (рабочем индексе))   {
     получить номер индекса для совпавшей компоненты;
     if (найденный индекс является индексом корня и рабочий индекс является индексом корня и имя компоненты «..»)   {
      /* пересечение точки монтирования */
      получить запись в таблице монтирования для рабочего индекса;
      освободить рабочий индекс (алгоритм iput);
      рабочий индекс = индексу точки монтирования;
      заблокировать индекс точки монтирования;
      увеличить значение счетчика ссылок на рабочий индекс;
      перейти к поиску компоненты (для «..»);
     }
     освободить рабочий индекс (алгоритм iput);
     рабочий индекс = индексу с новым номером (алгоритм iget);
    }
    else /* компонента отсутствует в каталоге */   return (нет индекса);
   }
   return (рабочий индекс);
  }
  Рисунок 5.26. Модификация алгоритма синтаксического анализа имени файла
В вышеприведенном примере (cd «../../..») предполагается, что в начале процесс имеет текущий каталог с именем «/usr/src/uts». Когда имя пути поиска подвергается анализу в алгоритме namei, начальным рабочим индексом является индекс текущего каталога. Ядро меняет текущий рабочий индекс на индекс каталога с именем «/usr/src» в результате расшифровки первой компоненты «..» в имени пути поиска. Затем ядро анализирует вторую компоненту «..» в имени пути поиска, находит корневой индекс смонтированной (перед этим) файловой системы — индекс каталога «usr» — и делает его рабочим индексом при анализе имени с помощью алгоритма namei. Наконец, оно расшифровывает третью компоненту «..» в имени пути поиска. Ядро обнаруживает, что номер индекса для «..» совпадает с номером корневого индекса, рабочим индексом является корневой индекс, а «..» является текущей компонентой имени пути поиска. Ядро находит запись в таблице монтирования, соответствующую точке монтирования «usr», освобождает текущий рабочий индекс (корень файловой системы, смонтированной в каталоге «usr») и назначает индекс точки монтирования (каталога «usr» в корневой файловой системе) в качестве нового рабочего индекса. Затем оно просматривает записи в каталоге точки монтирования «/usr» в поисках имени «..» и находит номер индекса для корня файловой системы («/»). После этого системная функция chdir завершается как обычно, вызывающий процесс не обращает внимания на тот факт, что он пересек точку монтирования.

ГЛАВА 6. СТРУКТУРА ПРОЦЕССОВ

В главе 2 были сформулированы характеристики процессов. В настоящей главе на более формальном уровне определяется понятие «контекст процесса» и показывается, каким образом ядро идентифицирует процесс и определяет его местонахождение. В разделе 6.1 описаны модель состояний процессов для системы UNIX и последовательность возможных переходов из состояния в состояние. В ядре находится таблица процессов, каждая запись которой описывает состояние одного из активных процессов в системе. В пространстве процесса хранится дополнительная информация, используемая в управлении протеканием процесса. Запись в таблице процессов и пространство процесса составляют в совокупности контекст процесса. Аспектом контекста процесса, наиболее явно отличающим данный контекст от контекста другого процесса, без сомнения является содержимое адресного пространства процесса. В разделе 6.2 описываются принципы управления распределением памяти для процессов и ядра, а также взаимодействие операционной системы с аппаратными средствами при трансляции виртуальных адресов в физические. Раздел 6.3 посвящен рассмотрению составных элементов контекста процесса, а также описанию алгоритмов управления контекстом процесса. Раздел 6.4 демонстрирует, каким образом осуществляется сохранение контекста процесса ядром в случае прерывания, вызова системной функции или переключения контекста, а также каким образом возобновляется выполнение приостановленного процесса. В разделе 6.5 приводятся различные алгоритмы, используемые в тех системных функциях, которые работают с адресным пространством процесса и которые будут рассмотрены в следующей главе. И, наконец, в разделе 6.6 рассматриваются алгоритмы приостанова и возобновления выполнения процессов.

6.1 СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССА И ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ НИМИ

Как уже отмечалось в главе 2, время жизни процесса можно теоретически разбить на несколько состояний, описывающих процесс. Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне:
1. Процесс выполняется в режиме задачи.
2. Процесс выполняется в режиме ядра.
3. Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.
4. Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.
5. Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра. Это состояние будет предметом обсуждения в главе 9 при рассмотрении системы подкачки.
6. Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.
7. Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс. Об отличии этого состояния от состояния 3 (готовность к запуску) пойдет речь ниже.
8. Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.
9. Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.
Рисунок 6.1 представляет собой полную диаграмму переходов процесса из состояния в состояние. Рассмотрим с помощью модели переходов типичное поведение процесса. Ситуации, которые будут обсуждаться, несколько искусственны и процессы не всегда имеют дело с ними, но эти ситуации вполне применимы для иллюстрации различных переходов. Начальным состоянием модели является создание процесса родительским процессом с помощью системной функции fork; из этого состояния процесс неминуемо переходит в состояние готовности к запуску (3 или 5). Для простоты предположим, что процесс перешел в состояние «готовности к запуску в памяти» (3). Планировщик процессов в конечном счете выберет процесс для выполнения и процесс перейдет в состояние «выполнения в режиме ядра», где доиграет до конца роль, отведенную ему функцией fork.
  Рисунок 6.1. Диаграмма переходов процесса из состояния в состояние
После всего этого процесс может перейти в состояние «выполнения в режиме задачи». По прохождении определенного периода времени может произойти прерывание работы процессора по таймеру и процесс снова перейдет в состояние «выполнения в режиме ядра». Как только программа обработки прерывания закончит работу, ядру может понадобиться подготовить к запуску другой процесс, поэтому первый процесс перейдет в состояние «резервирования», уступив дорогу второму процессу. Состояние «резервирования» в действительности не отличается от состояния «готовности к запуску в памяти» (пунктирная линия на рисунке, соединяющая между собой оба состояния, подчеркивает их эквивалентность), но они выделяются в отдельные состояния, чтобы подчеркнуть, что процесс, выполняющийся в режиме ядра, может быть зарезервирован только в том случае, если он собирается вернуться в режим задачи. Следовательно, ядро может при необходимости подкачивать процесс из состояния «резервирования». При известных условиях планировщик выберет процесс для исполнения и тот снова вернется в состояние «выполнения в режиме задачи».
Когда процесс выполняет вызов системной функции, он из состояния «выполнения в режиме задачи» переходит в состояние «выполнения в режиме ядра». Предположим, что системной функции требуется ввод-вывод с диска и поэтому процесс вынужден дожидаться завершения ввода-вывода. Он переходит в состояние «приостанова в памяти», в котором будет находиться до тех пор, пока не получит извещения об окончании ввода-вывода. Когда ввод-вывод завершится, произойдет аппаратное прерывание работы центрального процессора и программа обработки прерывания возобновит выполнение процесса, в результате чего он перейдет в состояние «готовности к запуску в памяти».
Предположим, что система выполняет множество процессов, которые одновременно никак не могут поместиться в оперативной памяти, и программа подкачки (нулевой процесс) выгружает один процесс, чтобы освободить место для другого процесса, находящегося в состоянии «готов к запуску, но выгружен». Первый процесс, выгруженный из оперативной памяти, переходит в то же состояние. Когда программа подкачки выбирает наиболее подходящий процесс для загрузки в оперативную память, этот процесс переходит в состояние «готовности к запуску в памяти». Планировщик выбирает процесс для исполнения и он переходит в состояние «выполнения в режиме ядра». Когда процесс завершается, он исполняет системную функцию exit, последовательно переходя в состояния «выполнения в режиме ядра» и, наконец, в состояние «прекращения существования».
Процесс может управлять некоторыми из переходов на уровне задачи. Во-первых, один процесс может создать другой процесс. Тем не менее, в какое из состояний процесс перейдет после создания (т. е. в состояние «готов к выполнению, находясь в памяти» или в состояние «готов к выполнению, но выгружен») зависит уже от ядра. Процессу эти состояния не подконтрольны. Во-вторых, процесс может обратиться к различным системным функциям, чтобы перейти из состояния «выполнения в режиме задачи» в состояние «выполнения в режиме ядра», а также перейти в режим ядра по своей собственной воле. Тем не менее, момент возвращения из режима ядра от процесса уже не зависит; в результате каких-то событий он может никогда не вернуться из этого режима и из него перейдет в состояние «прекращения существования» (см. раздел 7.2, где говорится о сигналах). Наконец, процесс может завершиться с помощью функции exit по своей собственной воле, но как указывалось ранее, внешние события могут потребовать завершения процесса без явного обращения к функции exit. Все остальные переходы относятся к жестко закрепленной части модели, закодированной в ядре, и являются результатом определенных событий, реагируя на них в соответствии с правилами, сформулированными в этой и последующих главах. Некоторые из правил уже упоминались: например, то, что процесс может выгрузить другой процесс, выполняющийся в ядре.
Две принадлежащие ядру структуры данных описывают процесс: запись в таблице процессов и пространство процесса. Таблица процессов содержит поля, которые должны быть всегда доступны ядру, а пространство процесса — поля, необходимость в которых возникает только у выполняющегося процесса. Поэтому ядро выделяет место для пространства процесса только при создании процесса: в нем нет необходимости, если записи в таблице процессов не соответствует конкретный процесс.
Запись в таблице процессов состоит из следующих полей:
• Поле состояния, которое идентифицирует состояние процесса.
• Поля, используемые ядром при размещении процесса и его пространства в основной или внешней памяти. Ядро использует информацию этих полей для переключения контекста на процесс, когда процесс переходит из состояния «готов к выполнению, находясь в памяти» в состояние «выполнения в режиме ядра» или из состояния «резервирования» в состояние «выполнения в режиме задачи». Кроме того, ядро использует эту информацию при перекачки процессов из и в оперативную память (между двумя состояниями «в памяти» и двумя состояниями «выгружен»). Запись в таблице процессов содержит также поле, описывающее размер процесса и позволяющее ядру планировать выделение пространства для процесса.
• Несколько пользовательских идентификаторов (UID), устанавливающих различные привилегии процесса. Поля UID, например, описывают совокупность процессов, могущих обмениваться сигналами (см. следующую главу).
• Идентификаторы процесса (PID), указывающие взаимосвязь между процессами. Значения полей PID задаются при переходе процесса в состояние «создан» во время выполнения функции fork.
• Дескриптор события (устанавливается тогда, когда процесс приостановлен). В данной главе будет рассмотрено использование дескриптора события в алгоритмах функций sleep и wakeup.
• Параметры планирования, позволяющие ядру устанавливать порядок перехода процессов из состояния «выполнения в режиме ядра» в состояние «выполнения в режиме задачи».
• Поле сигналов, в котором перечисляются сигналы, посланные процессу, но еще не обработанные (раздел 7.2).
• Различные таймеры, описывающие время выполнения процесса и использование ресурсов ядра и позволяющие осуществлять слежение за выполнением и вычислять приоритет планирования процесса. Одно из полей является таймером, который устанавливает пользователь и который необходим для посылки процессу сигнала тревоги (раздел 8.3). Пространство процесса содержит поля, дополнительно характеризующие состояния процесса. В предыдущих главах были рассмотрены последние семь из приводимых ниже полей пространства процесса, которые мы для полноты вновь кратко перечислим:
• Указатель на таблицу процессов, который идентифицирует запись, соответствующую процессу.
• Пользовательские идентификаторы, устанавливающие различные привилегии процесса, в частности, права доступа к файлу (см. раздел 7.6).
• Поля таймеров, хранящие время выполнения процесса (и его потомков) в режиме задачи и в режиме ядра.
• Вектор, описывающий реакцию процесса на сигналы.
• Поле операторского терминала, идентифицирующее «регистрационный терминал», который связан с процессом.
• Поле ошибок, в которое записываются ошибки, имевшие место при выполнении системной функции.
• Поле возвращенного значения, хранящее результат выполнения системной функции.
• Параметры ввода-вывода: объем передаваемых данных, адрес источника (или приемника) данных в пространстве задачи, смещения в файле (которыми пользуются операции ввода-вывода) и т. д.
• Имена текущего каталога и текущего корня, описывающие файловую систему, в которой выполняется процесс.
• Таблица пользовательских дескрипторов файла, которая описывает файлы, открытые процессом.
• Поля границ, накладывающие ограничения на размерные характеристики процесса и на размер файла, в который процесс может вести запись.
• Поле прав доступа, хранящее двоичную маску установок прав доступа к файлам, которые создаются процессом. Пространство состояний процесса и переходов между ними рассматривалось в данном разделе на логическом уровне. Каждое состояние имеет также физические характеристики, управляемые ядром, в частности, виртуальное адресное пространство процесса. Следующий раздел посвящен описанию модели распределения памяти; в остальных разделах состояния процесса и переходы между ними рассматриваются на физическом уровне, особое внимание при этом уделяется состояниям «выполнения в режиме задачи», «выполнения в режиме ядра», «резервирования» и «приостанова (в памяти)». В следующей главе затрагиваются состояния «создания» и «прекращения существования», а в главе 8 — состояние «готовности к запуску в памяти». В главе 9 обсуждаются два состояния выгруженного процесса и организация подкачки по обращению.

6.2 ФОРМАТ ПАМЯТИ СИСТЕМЫ

Предположим, что физическая память машины имеет адреса, начиная с 0 и кончая адресом, равным объему памяти в байтах. Как уже отмечалось в главе 2, процесс в системе UNIX состоит из трех логических секций: команд, данных и стека. (Общую память, которая рассматривается в главе 11, можно считать в данном контексте частью секции данных). В секции команд хранится набор машинных инструкций, исполняемых под управлением процесса; адресами в секции команд выступают адреса команд (для команд перехода и обращений к подпрограммам), адреса данных (для обращения к глобальным переменным) и адреса стека (для обращения к структурам данных, которые локализованы в подпрограммах). Если адреса в сгенерированном коде трактовать как адреса в физической памяти, два процесса не смогут параллельно выполняться, если их адреса перекрываются. Компилятор мог бы генерировать адреса, непересекающиеся у разных программ, но на универсальных ЭВМ такой порядок не практикуется, поскольку объем памяти машины ограничен, а количество транслируемых программы неограничено. Даже если для того, чтобы избежать излишнего пересечения адресов в процессе их генерации, машина будет использовать некоторый набор эвристических процедур, подобная реализация не будет достаточно гибкой и не сможет удовлетворять предъявляемым к ней требованиям.
Поэтому компилятор генерирует адреса для виртуального адресного пространства заданного диапазона, а устройство управления памятью, называемое диспетчером памяти, транслирует виртуальные адреса, сгенерированные компилятором, в адреса ячеек, расположенных в физической памяти. Компилятору нет необходимости знать, в какое место в памяти ядро потом загрузит выполняемую программу. На самом деле, в памяти одновременно могут существовать несколько копий программы: все они могут выполняться, используя одни и те же виртуальные адреса, фактически же ссылаясь на разные физические ячейки. Те подсистемы ядра и аппаратные средства, которые сотрудничают в трансляции виртуальных адресов в физические, образуют подсистему управления памятью.

6.2.1 Области

Ядро в версии V делит виртуальное адресное пространство процесса на совокупность логических областей. Область — это непрерывная зона виртуального адресного пространства процесса, рассматриваемая в качестве отдельного объекта для совместного использования и защиты. Таким образом, команды, данные и стек обычно образуют автономные области, принадлежащие процессу. Несколько процессов могут использовать одну и ту же область. Например, если несколько процессов выполняют одну и ту же программу, вполне естественно, что они используют одну и ту же область команд. Точно так же, несколько процессов могут объединиться и использовать общую область разделяемой памяти.
Ядро поддерживает таблицу областей и выделяет запись в таблице для каждой активной области в системе. В разделе 6.5 описываются поля таблицы областей и операции над областями более подробно, но на данный момент предположим, что таблица областей содержит информацию, позволяющую определить местоположение области в физической памяти. Каждый процесс имеет частную таблицу областей процесса. Записи этой таблицы могут располагаться, в зависимости от конкретной реализации, в таблице процессов, в адресном пространстве процесса или в отдельной области памяти; для простоты предположим, что они являются частью таблицы процессов. Каждая запись частной таблицы областей содержит указатель на соответствующую запись общей таблицы областей и первый виртуальный адрес процесса в данной области. Разделяемые области могут иметь разные виртуальные адреса в каждом процессе. Запись частной таблицы областей также содержит поле прав доступа, в котором указывается тип доступа, разрешенный процессу: только чтение, только запись или только исполнение. Частная таблица областей и структура области аналогичны таблице файлов и структуре индекса в файловой системе: несколько процессов могут совместно использовать адресное пространство через область, подобно тому, как они разделяют доступ к файлу с помощью индекса; каждый процесс имеет доступ к области благодаря использованию записи в частной таблице областей, точно так же он обращается к индексу, используя соответствующие записи в таблице пользовательских дескрипторов файла и в таблице файлов, принадлежащей ядру.
На Рисунке 6.2 изображены два процесса, A и B, показаны их области, частные таблицы областей и виртуальные адреса, в которых эти области соединяются. Процессы разделяют область команд 'a' с виртуальными адресами 8К и 4К соответственно. Если процесс A читает ячейку памяти с адресом 8К, а процесс
  Рисунок 6.2. Процессы и области
B читает ячейку с адресом 4К, то они читают одну и ту же ячейку в области 'a'. Область данных и область стека у каждого процесса свои.
Область является понятием, не зависящим от способа реализации управления памятью в операционной системе. Управление памятью представляет собой совокупность действий, выполняемых ядром с целью повышения эффективности совместного использования оперативной памяти процессами. Примерами способов управления памятью могут служить рассматриваемые в главе 9 замещение страниц памяти и подкачка по обращению. Понятие области также не зависит и от собственно распределения памяти: например, от того, делится ли память на страницы или на сегменты. С тем, чтобы заложить фундамент для перехода к описанию алгоритмов подкачки по обращению (глава 9), все приводимые здесь рассуждения относятся, в первую очередь, к организации памяти, базирующейся на страницах, однако это не предполагает, что система управления памятью основывается на указанных алгоритмах.

6.2.2 Страницы и таблицы страниц

В этом разделе описывается модель организации памяти, которой мы будем пользоваться на протяжении всей книги, но которая не является особенностью системы UNIX. В организации памяти, базирующейся на страницах, физическая память разделяется на блоки одинакового размера, называемые страницами. Обычный размер страниц составляет от 512 байт до 4 Кбайт и определяется конфигурацией технических средств. Каждая адресуемая ячейка памяти содержится в некоторой странице и, следовательно, каждая ячейка памяти может адресоваться парой (номер страницы, смещение внутри страницы в байтах). Например, если объем машинной памяти составляет 2 в 32-й степени байт, а размер страницы 1 Кбайт, общее число страниц — 2 в 22-й степени; можно считать, что каждый 32-разрядный адрес состоит из 22-разрядного номера страницы и 10-разрядного смещения внутри страницы (Рисунок 6.3).
Когда ядро назначает области физические страницы памяти, необходимости в назначении смежных страниц и вообще в соблюдении какой-либо очередности при назначении не возникает. Целью страничной организации памяти является повышение гибкости назначения физической памяти, которое строится по аналогии с назначением дисковых блоков файлам в файловой системе. Как и при назначении блоков файлу, так и при назначении области страниц памяти, преследуется задача повышения гибкости и сокращения неиспользуемого (вследствие фрагментации) пространства памяти.

Шестнадцатиричный адрес 58432
Двоичный 0101 1000 0100 0011 0010
Номер страницы, смещение внутри страницы 01 0110 0001 00 0011 0010
В шестнадцатиричной системе 161 32

  Рисунок 6.3. Адресация физической памяти по страницам

Логический номер страницы Физический номер страницы
0 177
1 54
2 209
3 17

  Рисунок 6.4. Отображение логических номеров страниц на физические
Ядро устанавливает соотношение между виртуальными адресами области и машинными физическими адресами посредством отображения логических номеров страниц в области на физические номера страниц в машине, как это показано на Рисунке 6.4. Поскольку область это непрерывное пространство виртуальных адресов программы, логический номер страницы служит указателем на элемент массива физических номеров страниц. Запись таблицы областей содержит указатель на таблицу физических номеров страниц, именуемую таблицей страниц. Записи таблицы страниц содержат машинно-зависимую информацию, такую как права доступа на чтение или запись страницы. Ядро поддерживает таблицы страниц в памяти и обращается к ним так же, как и ко всем остальным структурам данных ядра.
На Рисунке 6.5 приведен пример отображения процесса в физические адреса памяти. Пусть размер страницы составляет 1 Кбайт и пусть процессу нужно обратиться к объекту в памяти, имеющему виртуальный адрес 68432. Из таблицы областей видно, что виртуальный адрес начала области стека — 65536 (64К), если предположить, что стек растет в направлении увеличения адресов. После вычитания этого адреса из адреса 68432 получаем смещение в байтах внутри области, равное 2896. Так как каждая страница имеет размер 1 Кбайт, адрес указывает со смещением 848 на 2-ю (начиная с 0) страницу области, расположенной по физическому адресу 986К. В разделе 6.5.5 (где идет речь о загрузке области) рассматривается случай, когда запись таблицы страниц помечается «пустой».
В современных машинах используются разнообразные аппаратные регистры и кеши, которые повышают скорость выполнения вышеописанной процедуры трансляции адресов и без которых пересылки в памяти и адресные вычисления чересчур бы замедлились. Возобновляя выполнение процесса, ядро посредством загрузки соответствующих регистров сообщает техническим средствам управления памятью о том, в каких физических адресах выполняется процесс и где располагаются таблицы страниц. Поскольку такие операции являются машинно-зависимыми и в разных версиях реализуются по-разному, здесь мы их рассматривать не будем. Часть вопросов, связанных с архитектурой вычислительных систем, затрагивается в упражнениях.
  Рисунок 6.5. Преобразование виртуальных адресов в физические
Организацию управления памятью попробуем пояснить на следующем простом примере. Пусть память разбита на страницы размером 1 Кбайт каждая, обращение к которым осуществляется через описанные ранее таблицы страниц. Регистры управления памятью в системе группируются по три; первый регистр в тройке содержит адрес таблицы страниц в физической памяти, второй регистр содержит первый виртуальный адрес, отображаемый с помощью тройки регистров, третий регистр содержит управляющую информацию, такую как номера страниц в таблице страниц и права доступа к страницам (только чтение, чтение и запись). Такая модель соответствует вышеописанной модели области. Когда ядро готовит процесс к выполнению, оно загружает тройки регистров соответствующей информацией из записей частной таблицы областей процесса.
Если процесс обращается к ячейкам памяти, расположенным за пределами принадлежащего ему виртуального пространства, создается исключительная ситуация. Например, если область команд имеет размер 16 Кбайт (Рисунок 6.5), а процесс обращается к виртуальному адресу 26К, создается исключительная ситуация, обрабатываемая операционной системой. То же самое происходит, если процесс пытается обратиться к памяти, не имея соответствующих прав доступа, например, пытается записать адрес в защищенную от записи область команд. И в том, и в другом примере процесс обычно завершается (более подробно об этом в следующей главе).

6.2.3 Размещение ядра

Несмотря на то, что ядро работает в контексте процесса, отображение виртуальных адресов, связанных с ядром, осуществляется независимо от всех процессов. Программы и структуры данных ядра резидентны в системе и совместно используются всеми процессами. При запуске системы происходит загрузка программ ядра в память с установкой соответствующих таблиц и регистров для отображения виртуальных адресов ядра в физические. Таблицы страниц для ядра имеют структуру, аналогичную структуре таблицы страниц, связанной с процессом, а механизмы отображения виртуальных адресов ядра похожи на механизмы, используемые для отображения пользовательских адресов. На многих машинах виртуальное адресное пространство процесса разбивается на несколько классов, в том числе системный и пользовательский, и каждый класс имеет свои собственные таблицы страниц. При работе в режиме ядра система разрешает доступ к адресам ядра, при работе же в режиме задачи такого рода доступ запрещен. Поэтому, когда в результате прерывания или выполнения системной функции происходит переход из режима задачи в режим ядра, операционная система по договоренности с техническими средствами разрешает ссылки на адреса ядра, а при возврате в режим ядра эти ссылки уже запрещены. В других машинах можно менять преобразование виртуальных адресов, загружая специальные регистры во время работы в режиме ядра.
На Рисунке 6.6 приведен пример, в котором виртуальные адреса от 0 до 4М-1 принадлежат ядру, а начиная с 4М — процессу. Имеются две группы регистров управления памятью, одна для адресов ядра и одна для адресов процесса, причем каждой группе соответствует таблица страниц, хранящая номера физических страниц со ссылкой на адреса виртуальных страниц. Адресные ссылки с использованием группы регистров ядра допускаются системой только в режиме ядра; следовательно, для перехода между режимом ядра и режимом задачи требуется только, чтобы система разрешила или запретила адресные ссылки с использованием группы регистров ядра.
В некоторых системах ядро загружается в память таким образом, что большая часть виртуальных адресов ядра совпадает с физическими адресами и функция преобразования виртуальных адресов в физические превращается в функцию тождественности. Работа с пространством процесса, тем не менее, требует, чтобы преобразование виртуальных адресов в физические производилось ядром.
  Рисунок 6.6. Переключение режима работы с непривилегированного (режима задачи) на привилегированный (режим ядра)

6.2.4 Пространство процесса

Каждый процесс имеет свое собственное пространство, однако ядро обращается к пространству выполняющегося процесса так, как если бы в системе оно было единственным. Ядро подбирает для текущего процесса карту трансляции виртуальных адресов, необходимую для работы с пространством процесса. При компиляции загрузчик назначает переменной 'u' (имени пространства процесса) фиксированный виртуальный адрес. Этот адрес известен остальным компонентам ядра, в частности модулю, выполняющему переключение контекста (раздел 6.4.3). Ядру также известно, какие таблицы управления памятью используются при трансляции виртуальных адресов, принадлежащих пространству процесса, и благодаря этому ядро может быстро перетранслировать виртуальный адрес пространства процесса в другой физический адрес. По одному и тому же виртуальному адресу ядро может получить доступ к двум разным физическим адресам, описывающим пространства двух процессов.
Процесс имеет доступ к своему пространству, когда выполняется в режиме ядра, но не тогда, когда выполняется в режиме задачи. Поскольку ядро в каждый момент времени работает только с одним пространством процесса, используя для доступа виртуальный адрес, пространство процесса частично описывает контекст процесса, выполняющегося в системе. Когда ядро выбирает процесс для исполнения, оно ищет в физической памяти соответствующее процессу пространство и делает его доступным по виртуальному адресу.
  Рисунок 6.7. Карта памяти пространства процесса в ядре
Предположим, например, что пространство процесса имеет размер 4 Кбайта и помещается по виртуальному адресу 2М. На Рисунке 6.7 показана карта памяти, где первые два регистра из группы относятся к программам и данным ядра (адреса и указатели не показаны), а третий регистр адресует к пространству процесса D. Если ядру нужно обратиться к пространству процесса A, оно копирует связанную с этим пространством информацию из соответствующей таблицы страниц в третий регистр. В любой момент третий регистр ядра описывает пространство текущего процесса, но ядро может сослаться на пространство другого процесса, переписав записи в таблице страниц с новым адресом. Информация в регистрах 1 и 2 для ядра неизменна, поскольку все процессы совместно используют программы и данные ядра.

6.3 КОНТЕКСТ ПРОЦЕССА

Контекст процесса включает в себя содержимое адресного пространства задачи, выделенного процессу, а также содержимое относящихся к процессу аппаратных регистров и структур данных ядра. С формальной точки зрения, контекст процесса объединяет в себе пользовательский контекст, регистровый контекст и системный контекст [17] . Пользовательский контекст состоит из команд и данных процесса, стека задачи и содержимого совместно используемого пространства памяти в виртуальных адресах процесса. Те части виртуального адресного пространства процесса, которые периодически отсутствуют в оперативной памяти вследствие выгрузки или замещения страниц, также включаются в пользовательский контекст.
Регистровый контекст состоит из следующих компонент:
• Счетчика команд, указывающего адрес следующей команды, которую будет выполнять центральный процессор; этот адрес является виртуальным адресом внутри пространства ядра или пространства задачи.
• Регистра состояния процессора (PS), который указывает аппаратный статус машины по отношению к процессу. Регистр PS, например, обычно содержит подполя, которые указывают, является ли результат последних вычислений нулевым, положительным или отрицательным, переполнен ли регистр с установкой бита переноса и т. д. Операции, влияющие на установку регистра PS, выполняются для отдельного процесса, потому-то в регистре PS и содержится аппаратный статус машины по отношению к процессу. В других имеющих важное значение подполях регистра PS указывается текущий уровень прерывания процессора, а также текущий и предыдущий режимы выполнения процесса (режим ядра/задачи). По значению подполя текущего режима выполнения процесса устанавливается, может ли процесс выполнять привилегированные команды и обращаться к адресному пространству ядра.
• Указателя вершины стека, в котором содержится адрес следующего элемента стека ядра или стека задачи, в соответствии с режимом выполнения процесса. В зависимости от архитектуры машины указатель вершины стека показывает на следующий свободный элемент стека или на последний используемый элемент. От архитектуры машины также зависит направление увеличения стека (к старшим или младшим адресам), но для нас сейчас эти вопросы несущественны.
• Регистров общего назначения, в которых содержится информация, сгенерированная процессом во время его выполнения. Чтобы облегчить последующие объяснения, выделим среди них два регистра — регистр 0 и регистр 1 — для дополнительного использования при передаче информации между процессами и ядром.
Системный контекст процесса имеет «статическую часть» (первые три элемента в нижеследующем списке) и «динамическую часть» (последние два элемента). На протяжении всего времени выполнения процесс постоянно располагает одной статической частью системного контекста, но может иметь переменное число динамических частей. Динамическую часть системного контекста можно представить в виде стека, элементами которого являются контекстные уровни, которые помещаются в стек ядром или выталкиваются из стека при наступлении различных событий. Системный контекст включает в себя следующие компоненты:
• Запись в таблице процессов, описывающая состояние процесса (раздел 6.1) и содержащая различную управляющую информацию, к которой ядро всегда может обратиться.
• Часть адресного пространства задачи, выделенная процессу, где хранится управляющая информация о процессе, доступная только в контексте процесса. Общие управляющие параметры, такие как приоритет процесса, хранятся в таблице процессов, поскольку обращение к ним должно производиться за пределами контекста процесса.
• Записи частной таблицы областей процесса, общие таблицы областей и таблицы страниц, необходимые для преобразования виртуальных адресов в физические, в связи с чем в них описываются области команд, данных, стека и другие области, принадлежащие процессу. Если несколько процессов совместно используют общие области, эти области входят составной частью в контекст каждого процесса, поскольку каждый процесс работает с этими областями независимо от других процессов. В задачи управления памятью входит идентификация участков виртуального адресного пространства процесса, не являющихся резидентными в памяти.
• Стек ядра, в котором хранятся записи процедур ядра, если процесс выполняется в режиме ядра. Несмотря на то, что все процессы пользуются одними и теми же программами ядра, каждый из них имеет свою собственную копию стека ядра для хранения индивидуальных обращений к функциям ядра. Пусть, например, один процесс вызывает функцию creat и приостанавливается в ожидании назначения нового индекса, а другой процесс вызывает функцию read и приостанавливается в ожидании завершения передачи данных с диска в память. Оба процесса обращаются к функциям ядра и у каждого из них имеется в наличии отдельный стек, в котором хранится последовательность выполненных обращений. Ядро должно иметь возможность восстанавливать содержимое стека ядра и положение указателя вершины стека для того, чтобы возобновлять выполнение процесса в режиме ядра. В различных системах стек ядра часто располагается в пространстве процесса, однако этот стек является логически-независимым и, таким образом, может помещаться в самостоятельной области памяти. Когда процесс выполняется в режиме задачи, соответствующий ему стек ядра пуст.
• Динамическая часть системного контекста процесса, состоящая из нескольких уровней и имеющая вид стека, который освобождается от элементов в порядке, обратном порядку их поступления. На каждом уровне системного контекста содержится информация, необходимая для восстановления предыдущего уровня и включающая в себя регистровый контекст предыдущего уровня.
Ядро помещает контекстный уровень в стек при возникновении прерывания, при обращении к системной функции или при переключении контекста процесса. Контекстный уровень выталкивается из стека после завершения обработки прерывания, при возврате процесса в режим задачи после выполнения системной функции, или при переключении контекста. Таким образом, переключение контекста влечет за собой как помещение контекстного уровня в стек, так и извлечение уровня из стека: ядро помещает в стек контекстный уровень старого процесса, а извлекает из стека контекстный уровень нового процесса. Информация, необходимая для восстановления текущего контекстного уровня, хранится в записи таблицы процессов.
На Рисунке 6.8 изображены компоненты контекста процесса. Слева на рисунке изображена статическая часть контекста. В нее входят: пользовательский контекст, состоящий из программ процесса (машинных инструкций), данных, стека и разделяемой памяти (если она имеется), а также статическая часть системного контекста, состоящая из записи таблицы процессов, пространства процесса и записей частной таблицы областей (информации, необходимой для трансляции виртуальных адресов пользовательского контекста). Справа на рисунке изображена динамическая часть контекста. Она имеет вид стека и включает в себя несколько элементов, хранящих регистровый контекст предыдущего уровня и стек ядра для текущего уровня. Нулевой контекстный уровень представляет собой пустой уровень, относящийся к пользовательскому контексту; увеличение стека здесь идет в адресном пространстве задачи, стек ядра недействителен. Стрелка, соединяющая между собой статическую часть системного контекста и верхний уровень динамической части контекста, означает то, что в таблице процессов хранится информация, позволяющая ядру восстанавливать текущий контекстный уровень процесса.
  Рисунок 6.8. Компоненты контекста процесса
Процесс выполняется в рамках своего контекста или, если говорить более точно, в рамках своего текущего контекстного уровня. Количество контекстных уровней ограничивается числом поддерживаемых в машине уровней прерывания. Например, если в машине поддерживаются разные уровни прерываний для программ, терминалов, дисков, всех остальных периферийных устройств и таймера, то есть 5 уровней прерывания, то, следовательно, у процесса может быть не более 7 контекстных уровней: по одному на каждый уровень прерывания, 1 для системных функций и 1 для пользовательского контекста. 7 уровней будет достаточно, даже если прерывания будут поступать в «наихудшем» из возможных порядков, поскольку прерывание данного уровня блокируется (то есть его обработка откладывается центральным процессором) до тех пор, пока ядро не обработает все прерывания этого и более высоких уровней.
Несмотря на то, что ядро всегда исполняет контекст какого-нибудь процесса, логическая функция, которую ядро реализует в каждый момент, не всегда имеет отношение к данному процессу. Например, если возвращая данные, дисковое запоминающее устройство посылает прерывание, то прерывается выполнение текущего процесса и ядро обрабатывает прерывание на новом контекстном уровне этого процесса, даже если данные относятся к другому процессу. Программы обработки прерываний обычно не обращаются к статическим составляющим контекста процесса и не видоизменяют их, так как эти части не связаны с прерываниями.

6.4 СОХРАНЕНИЕ КОНТЕКСТА ПРОЦЕССА

Как уже говорилось ранее, ядро сохраняет контекст процесса, помещая в стек новый контекстный уровень. В частности, это имеет место, когда система получает прерывание, когда процесс вызывает системную функцию или когда ядро выполняет переключение контекста. Каждый из этих случаев подробно рассматривается в этом разделе.

6.4.1 Прерывания и особые ситуации

Система отвечает за обработку всех прерываний, поступили ли они от аппаратуры (например, от таймера или от периферийных устройств), от программ (в связи с выполнением инструкций, вызывающих возникновение «программных прерываний») или явились результатом особых ситуаций (таких как обращение к отсутствующей странице). Если центральный процессор ведет обработку на более низком уровне по сравнению с уровнем поступившего прерывания, то перед выполнением следующей инструкции его работа прерывается, а уровень прерывания процессора повышается, чтобы другие прерывания с тем же (или более низким) уровнем не могли иметь места до тех пор, пока ядро не обработает текущее прерывание, благодаря чему обеспечивается сохранение целостности структур данных ядра. В процессе обработки прерывания ядро выполняет следующую последовательность действий:
1. Сохраняет текущий регистровый контекст выполняющегося процесса и создает в стеке (помещает в стек) новый контекстный уровень.
2. Устанавливает «источник» прерывания, идентифицируя тип прерывания (например, прерывание по таймеру или от диска) и номер устройства, вызвавшего прерывание (например, если прерывание вызвано дисковым запоминающим устройством). При возникновении прерывания система получает от машины число, которое использует в качестве смещения в таблице векторов прерывания. Содержимое векторов прерывания в разных машинах различно, но, как правило, в них хранится адрес программы обработки прерывания, соответствующей источнику прерывания, и указывается путь поиска параметра для программы. В качестве примера рассмотрим таблицу векторов прерывания, приведенную на Рисунке 6.9. Если источником прерывания явился терминал, ядро получает от аппаратуры номер прерывания, равный 2, и вызывает программу обработки прерываний от терминала, именуемую ttyintr.

Номер прерывания Программа обработки прерывания
0 clockintr
1 diskintr
2 ttyintr
3 devintr
4 softintr
5 otherintr

  Рисунок 6.9. Пример векторов прерывания
3. Вызов программы обработки прерывания. Стек ядра для нового контекстного уровня, если рассуждать логически, должен отличаться от стека ядра предыдущего контекстного уровня. В некоторых разработках стек ядра текущего процесса используется для хранения элементов, соответствующих программам обработки прерываний, в других разработках эти элементы хранятся в глобальном стеке прерываний, благодаря чему обеспечивается возврат из программы без переключения контекста.
4. Программа завершает свою работу и возвращает управление ядру. Ядро исполняет набор машинных команд по сохранению регистрового контекста и стека ядра предыдущего контекстного уровня в том виде, который они имели в момент прерывания, после чего возобновляет выполнение восстановленного контекстного уровня. Программа обработки прерываний может повлиять на поведение процесса, поскольку она может внести изменения в глобальные структуры данных ядра и возобновить выполнение приостановленных процессов. Однако, обычно процесс продолжает выполняться так, как если бы прерывание никогда не происходило.
  алгоритм inthand /* обработка прерываний */
  входная информация: отсутствует
  выходная информация: отсутствует 
  {
   сохранить (поместить в стек) текущий контекстный уровень;
   установить источник прерывания;
   найти вектор прерывания;
   вызвать программу обработки прерывания;
   восстановить (извлечь из стека) предыдущий контекстный уровень;
  }
  Рисунок 6.10. Алгоритм обработки прерываний
На Рисунке 6.10 кратко изложено, каким образом ядро обрабатывает прерывания. С помощью использования в отдельных случаях последовательности машинных операций или микрокоманд на некоторых машинах достигается больший эффект по сравнению с тем, когда все операции выполняются программным обеспечением, однако имеются узкие места, связанные с числом сохраняемых контекстных уровней и скоростью выполнения машинных команд, реализующих сохранение контекста. По этой причине определенные операции, выполнения которых требует реализация системы UNIX, являются машинно-зависимыми.
На Рисунке 6.11 показан пример, в котором процесс запрашивает выполнение системной функции (см. следующий раздел) и получает прерывание от диска при ее выполнении. Запустив программу обработки прерывания от диска, система получает прерывание по таймеру и вызывает уже программу обработки прерывания по таймеру. Каждый раз, когда система получает прерывание (или вызывает системную функцию), она создает в стеке новый контекстный уровень и сохраняет регистровый контекст предыдущего уровня.

6.4.2 Взаимодействие с операционной системой через вызовы системных функций

Такого рода взаимодействие с ядром было предметом рассмотрения в предыдущих главах, где шла речь об обычном вызове функций. Очевидно, что обычная последовательность команд обращения к функции не в состоянии переключить выполнения процесса с режима задачи на режим ядра. Компилятор с языка Си использует библиотеку функций, имена которых совпадают с именами системных функций, иначе ссылки на системные функции в пользовательских программах были бы ссылками на неопределенные имена. В библиотечных функциях обычно исполняется команда, переводящая выполнение процесса в режим ядра и побуждающая ядро к запуску исполняемого кода системной функции. В дальнейшем эта команда именуется «внутренним прерыванием операционной системы». Библиотечные процедуры исполняются в режиме задачи, а взаимодействие с операционной системой через вызов системной функции можно определить в нескольких словах как особый случай программы обработки прерывания. Библиотечные функции передают ядру уникальный номер системной функции одним из машинно-зависимых способов — либо как параметр внутреннего прерывания операционной системы, либо через отдельный регистр, либо через стек — а ядро таким образом определяет тип вызываемой функции.
  Рисунок 6.11. Примеры прерываний
Обрабатывая внутреннее прерывание операционной системы, ядро по номеру системной функции ведет в таблице поиск адреса соответствующей процедуры ядра, то есть точки входа системной функции, и количества передаваемых функции параметров (Рисунок 6.12). Ядро вычисляет адрес (пользовательский) первого параметра функции, прибавляя (или вычитая, в зависимости от направления увеличения стека) смещение к указателю вершины стека задачи (аналогично для всех параметров функции). Наконец, ядро копирует параметры задачи в пространство процесса и вызывает соответствующую процедуру, которая выполняет системную функцию. После исполнения процедуры ядро выясняет, не было ли ошибки. Если ошибка была, ядро делает соответствующие установки в сохраненном регистровом контексте задачи, при этом в регистре PS обычно устанавливается бит переноса, а в нулевой регистр заносится номер ошибки. Если при выполнении системной функции не было ошибок, ядро очищает в регистре PS бит переноса и заносит возвращаемые функцией значения в регистры 0 и 1 в сохраненном регистровом контексте задачи. Когда ядро возвращается после обработки внутреннего прерывания операционной системы в режим задачи, оно попадает в следующую библиотечную инструкцию после прерывания. Библиотечная функция интерпретирует возвращенные ядром значения и передает их программе пользователя.
  алгоритм syscall /* алгоритм запуска системной функции */
  входная информация: номер системной функции
  выходная информация: результат системной функции
  {
   найти запись в таблице системных функций, соответствующую указанному номеру функции;
   определить количество параметров, передаваемых функции;
   скопировать параметры из адресного пространства задачи в пространство процесса;
   сохранить текущий контекст для аварийного завершения (см. раздел 6.44);
   запустить в ядре исполняемый код системной функции;
   if (во время выполнения функции произошла ошибка)   {
    установить номер ошибки в нулевом регистре сохраненного регистрового контекста задачи;
    включить бит переноса в регистре PS сохраненного регистрового контекста задачи;
   }
   else
    занести возвращаемые функцией значения в регистры 0 и 1 в сохраненном регистровом контексте задачи;
  }
  Рисунок 6.12. Алгоритм обращения к системным функциям
В качестве примера рассмотрим программу, которая создает файл с разрешением чтения и записи в него для всех пользователей (режим доступа 0666) и которая приведена в верхней части Рисунка 6.13. Далее на рисунке изображен отредактированный фрагмент сгенерированного кода программы после компиляции и дисассемблирования (создания по объектному коду эквивалентной программы на языке ассемблера) в системе Motorola 68000. На Рисунке 6.14 изображена конфигурация стека для системной функции создания. Компилятор генерирует программу помещения в стек задачи двух параметров, один из которых содержит установку прав доступа (0666), а другой — переменную «имя файла» [18] . Затем из адреса 64 процесс вызывает библиотечную функцию creat (адрес 7a), аналогичную соответствующей системной функции. Адрес точки возврата из функции 6a, этот адрес помещается процессом в стек. Библиотечная функция creat засылает в регистр 0 константу 8 и исполняет команду прерывания (trap), которая переключает процесс из режима задачи в режим ядра и заставляет его обратиться к системной функции. Заметив, что процесс вызывает системную функцию, ядро выбирает из регистра 0 номер функции (8) и определяет таким образом, что вызвана функция creat. Просматривая внутреннюю таблицу, ядро обнаруживает, что системной функции creat необходимы два параметра; восстанавливая регистровый контекст предыдущего уровня, ядро копирует параметры из пользовательского пространства в пространство процесса. Процедуры ядра, которым понадобятся эти параметры, могут найти их в определенных местах адресного пространства процесса. По завершении исполнения кода функции creat управление возвращается программе обработки обращений к операционной системе, которая проверяет, установлено ли поле ошибки в пространстве процесса (то есть имела ли место во время выполнения функции ошибка); если да, программа устанавливает в регистре PS бит переноса, заносит в регистр 0 код ошибки и возвращает управление ядру. Если ошибок не было, в регистры 0 и 1 ядро заносит код завершения. Возвращая управление из программы обработки обращений к операционной системе в режим задачи, библиотечная функция проверяет состояние бита переноса в регистре PS (по адресу 7): если бит установлен, управление передается по адресу 13c, из нулевого регистра выбирается код ошибки и помещается в глобальную переменную errno по адресу 20, в регистр 0 заносится -1, и управление возвращается на следующую после адреса 64 (где производится вызов функции) команду. Код завершения функции имеет значение -1, что указывает на ошибку в выполнении системной функции. Если же бит переноса в регистре PS при переходе из режима ядра в режим задачи имеет нулевое значение, процесс с адреса 7 переходит по адресу 86 и возвращает управление вызвавшей программе (адрес 64); регистр 0 содержит возвращаемое функцией значение.
  char name[] = "file";
  main()   {
   int fd;
   fd = creat(name, 0666);
  }
Фрагменты ассемблерной программы, сгенерированной в системе Motorola 68000
  Адрес Команда
           —
  # текст главной программы
           —
  58: mov &0x1b6, (%sp) # поместить код 0666 в стек
  5e: mov &0x204, -(%sp) # поместить указатель вершины стека и переменную «имя файла» в стек 
  64: jsr 0x7a # вызов библиотечной функции создания файла
           —
  # текст библиотечной функции создания файла
  7a: movq &0x8, %d0 # занести значение 8 в регистр 0
  7c: trap &0x0 # внутреннее прерывание операционной системы
  7e: bcc &0x6 ‹86› # если бит переноса очищен, перейти по адресу 86
  80: jmp 0x13c # перейти по адресу 13c
  86: rts # возврат из подпрограммы
          —
  # текст обработки ошибок функции
  13c: mov %d0, &0x20e # поместить содержимое регистра 0 в ячейку 20e (переменная errno)
  142: movq &-0x1, %d0 # занести в регистр 0 константу -1
  144: mova %d0, %a0
  146: rts # возврат из подпрограммы
  Рисунок 6.13. Системная функция creat и сгенерированная программа ее выполнения в системе Motorola 68000
  Рисунок 6.14. Конфигурация стека для системной функции creat
Несколько библиотечных функций могут отображаться на одну точку входа в список системных функций. Каждая точка входа определяет точные синтаксис и семантику обращения к системной функции, однако более удобный интерфейс обеспечивается с помощью библиотек. Существует, например, несколько конструкций системной функции exec, таких как execl и execle, выполняющих одни и те же действия с небольшими отличиями. Библиотечные функции, соответствующие этим конструкциям, при обработке параметров реализуют заявленные свойства, но в конечном итоге, отображаются на одну и ту же функцию ядра.

6.6 ПРИОСТАНОВКА ВЫПОЛНЕНИЯ

К настоящему моменту мы рассмотрели все функции работы с внутренними структурами процесса, выполняющиеся на нижнем уровне взаимодействия с процессом и обеспечивающие переход в состояние «выполнения в режиме ядра» и выход из этого состояния в другие состояния, за исключением функций, переводящих процесс в состояние «приостанова выполнения». Теперь перейдем к рассмотрению алгоритмов, с помощью которых процесс переводится из состояния «выполнения в режиме ядра» в состояние «приостанова в памяти» и из состояния приостанова в состояния «готовности к запуску» с выгрузкой и без выгрузки из памяти.
  Рисунок 6.29. Стандартные контекстные уровни приостановленного процесса
Выполнение процесса приостанавливается обычно во время исполнения запрошенной им системной функции: процесс переходит в режим ядра (контекстный уровень 1), исполняя внутреннее прерывание операционной системы, и приостанавливается в ожидании ресурсов. При этом процесс переключает контекст, запоминая в стеке свой текущий контекстный уровень и исполняясь далее в рамках системного контекстного уровня 2 (Рисунок 6.29). Выполнение процессов приостанавливается также и в том случае, когда оно наталкивается на отсутствие страницы в результате обращения к виртуальным адресам, не загруженным физически; процессы не будут выполняться, пока ядро не считает содержимое страниц.

6.6.1 События, вызывающие приостанов выполнения, и их адреса

Как уже говорилось во второй главе, процессы приостанавливаются до наступления определенного события, после которого они «пробуждаются» и переходят в состояние «готовности к выполнению» (с выгрузкой и без выгрузки из памяти). Такого рода абстрактное рассуждение недалеко от истины, ибо в конкретном воплощении совокупность событий отображается на совокупность виртуальных адресов (ядра). Адреса, с которыми связаны события, закодированы в ядре, и их единственное назначение состоит в их использовании в процессе отображения ожидаемого события на конкретный адрес. Как для абстрактного рассмотрения, так и для конкретной реализации события безразлично, сколько процессов одновременно ожидают его наступления. Как результат, возможно возникновение некоторых противоречий. Во-первых, когда событие наступает и процессы, ожидающие его, соответствующим образом оповещаются об этом, все они «пробуждаются» и переходят в состояние «готовности к выполнению». Ядро выводит процессы из состояния приостанова все сразу, а не по одному, несмотря на то, что они в принципе могут конкурировать за одну и ту же заблокированную структуру данных и большинство из них через небольшой промежуток времени опять вернется в состояние приостанова (более подробно об этом шла речь в главах 2 и 3). На Рисунке 6.30 изображены несколько процессов, приостановленных до наступления определенных событий.
  Рисунок 6.30. Процессы, приостановленные до наступления событий, и отображение событий на конкретные адреса
Еще одно противоречие связано с тем, что на один и тот же адрес могут отображаться несколько событий. На Рисунке 6.30, например, события «освобождение буфера» и «завершение ввода-вывода» отображаются на адрес буфера («адрес A»). Когда ввод-вывод в буфер завершается, ядро возобновляет выполнение всех процессов, приостановленных в ожидании наступления как того, так и другого события. Поскольку процесс, ожидающий завершения ввода-вывода, удерживает буфер заблокированным, другие процессы, которые ждали освобождения буфера, вновь приостановятся, ибо буфер все еще занят. Функционирование системы было бы более эффективным, если бы отображение событий на адреса было однозначным. Однако на практике такого рода противоречие на производительности системы не отражается, поскольку отображение на один адрес более одного события имеет место довольно редко, а также поскольку выполняющийся процесс обычно освобождает заблокированные ресурсы до того, как начнут выполняться другие процессы. Стилистически, тем не менее, механизм функционирования ядра стал бы более понятен, если бы отображение было однозначным.

6.6.2 Алгоритмы приостанова и возобновления выполнения

  алгоритм sleep
  входная информация:
   (1) адрес приостанова
   (2) приоритет
  выходная информация:
   1, если процесс возобновляется по сигналу, который ему удалось уловить;
   вызов алгоритма longjump, если процесс возобновляется по сигналу, который ему не удалось уловить;
   0 — во всех остальных случаях;
  {
   поднять приоритет работы процессора таким образом, чтобы заблокировать все прерывания;
   перевести процесс в состояние приостанова;
   включить процесс в хеш-очередь приостановленных процессов, базирующуюся на адресах приостанова;
   сохранить адрес приостанова в таблице процессов;
   сделать ввод для процесса приоритетным;
   if (приостанов процесса НЕ допускает прерываний)   {
    выполнить переключение контекста;
     /* с этого места процесс возобновляет выполнение, когда «пробуждается» */
    снизить приоритет работы процессора так, чтобы вновь разрешить прерывания (как было до приостанова процесса);
    return (0);
   }
   /* приостанов процесса принимает прерывания, вызванные сигналами */
   if (к процессу не имеет отношения ни один из сигналов)   {
    выполнить переключение контекста;
     /* с этого места процесс возобновляет выполнение, когда «пробуждается» */
    if (к процессу не имеет отношения ни один из сигналов)   {
     восстановить приоритет работы процессора таким, каким он был в момент приостанова процесса;
     return (0);
    }
   }
   удалить процесс из хеш-очереди приостановленных процессов, если он все еще находится там;
   восстановить приоритет работы процессора таким, каким он был в момент приостанова процесса;
   if (приоритет приостановленного процесса позволяет принимать сигналы)   return (1);
   запустить алгоритм longjump;
  }
  Рисунок 6.31. Алгоритм приостанова процесса
На Рисунке 6.31 приведен алгоритм приостанова процесса. Сначала ядро повышает приоритет работы процессора так, чтобы заблокировать все прерывания, которые могли бы (путем создания конкуренции) помешать работе с очередями приостановленных процессов, и запоминает старый приоритет, чтобы восстановить его, когда выполнение процесса будет возобновлено. Процесс получает пометку «приостановленного», адрес приостанова и приоритет запоминаются в таблице процессов, а процесс помещается в хеш-очередь приостановленных процессов. В простейшем случае (когда приостанов не допускает прерываний) процесс выполняет переключение контекста и благополучно «засыпает». Когда приостановленный процесс «пробуждается», ядро начинает планировать его запуск: процесс возвращает сохраненный в алгоритме sleep контекст, восстанавливает старый приоритет работы процессора (который был у него до начала выполнения алгоритма) и возвращает управление ядру.
  алгоритм wakeup /* возобновление приостановленного процесса */
  входная информация: адрес приостанова
  выходная информация: отсутствует 
  {
   повысить приоритет работы процессора таким образом, чтобы заблокировать все прерывания;
   найти хеш-очередь приостановленных процессов с указанным адресом приостанова;
   for (каждого процесса, приостановленного по указанному адресу)   {
    удалить процесс из хеш-очереди;
    сделать пометку о том, что процесс находится в состоянии «готовности к запуску»;
    включить процесс в список процессов, готовых к запуску (для планировщика процессов);
    очистить поле, содержащее адрес приостанова, в записи таблицы процессов;
    if (процесс не загружен в память)
     возобновить выполнение программы подкачки (нулевой процесс);
    else   if (возобновляемый процесс более подходит для исполнения, чем ныне выполняющийся)
      установить соответствующий флаг для планировщика;
   }
   восстановить первоначальный приоритет работы процессора;
  }
  Рисунок 6.32. Алгоритм возобновления приостановленного процесса
Чтобы возобновить выполнение приостановленных процессов, ядро обращается к алгоритму wakeup (Рисунок 6.32), причем делает это как во время исполнения алгоритмов реализации стандартных системных функций, так и в случае обработки прерываний. Алгоритм iput, например, освобождает заблокированный индекс и возобновляет выполнение всех процессов, ожидающих снятия блокировки. Точно так же и программа обработки прерываний от диска возобновляет выполнение процессов, ожидающих завершения ввода-вывода. В алгоритме wakeup ядро сначала повышает приоритет работы процессора, чтобы заблокировать прерывания. Затем для каждого процесса, приостановленного по указанному адресу, выполняются следующие действия: делается пометка в поле, описывающем состояние процесса, о том, что процесс готов к запуску; процесс удаляется из списка приостановленных процессов и помещается в список процессов, готовых к запуску; поле в записи таблицы процессов, содержащее адрес приостанова, очищается. Если возобновляемый процесс не загружен в память, ядро запускает процесс подкачки, обеспечивающий подкачку возобновляемого процесса в память (подразумевается система, в которой подкачка страниц по обращению не поддерживается); в противном случае, если возобновляемый процесс более подходит для исполнения, чем ныне выполняющийся, ядро устанавливает для планировщика специальный флаг, сообщающий о том, что процессу по возвращении в режим задачи следует пройти через алгоритм планирования (глава 8). Наконец, ядро восстанавливает первоначальный приоритет работы процессора. При этом на ядро не оказывается никакого давления: «пробуждение» (wakeup) процесса не вызывает его немедленного исполнения; благодаря «пробуждению», процесс становится только доступным для запуска.
Все, о чем говорилось выше, касается простейшего случая выполнения алгоритмов sleep и wakeup, поскольку предполагается, что процесс приостанавливается до наступления соответствующего события. Во многих случаях процессы приостанавливаются в ожидании событий, которые «должны» наступить, например, в ожидании освобождения ресурса (индексов или буферов) или в ожидании завершения ввода-вывода, связанного с диском. Уверенность процесса в неминуемом возобновлении основана на том, что подобные ресурсы могут быть предоставлены только во временное пользование. Тем не менее, иногда процесс может приостановиться в ожидании события, не будучи уверенным в неизбежном наступлении последнего, в таком случае у процесса должна быть возможность в любом случае вернуть себе управление и продолжить выполнение. В подобных ситуациях ядро немедленно нарушает «сон» приостановленного процесса, посылая ему сигнал. Более подробно о сигналах мы поговорим в следующей главе; здесь же примем допущение, что ядро может (выборочно) возобновлять приостановленные процессы по сигналу и что процесс может распознавать получаемые сигналы.
Например, если процесс обратился к системной функции чтения с терминала, ядро не будет в состоянии выполнить запрос процесса до тех пор, пока пользователь не введет данные с клавиатуры терминала (глава 10). Тем не менее, пользователь, запустивший процесс, может оставить терминал на весь день, при этом процесс останется приостановленным в ожидании ввода, а терминал может понадобиться другому пользователю. Если другой пользователь прибегнет к решительным мерам (таким как выключение терминала), ядро должно иметь возможность восстановить отключенный процесс: в качестве первого шага ядру следует возобновить приостановленный процесс по сигналу. В том, что процессы могут приостановиться на длительное время, нет ничего плохого. Приостановленный процесс занимает позицию в таблице процессов и может поэтому удлинять время поиска (ожидания) путем выполнения определенных алгоритмов, которые не занимают время центрального процессора и поэтому выполняются практически незаметно.
Чтобы как-то различать между собой состояния приостанова, ядро устанавливает для приостанавливаемого процесса (при входе в это состояние) приоритет планирования на основании соответствующего параметра алгоритма sleep. То есть ядро запускает алгоритм sleep с параметром «приоритет», в котором отражается наличие уверенности в неизбежном наступлении ожидаемого события. Если приоритет превышает пороговое значение, процесс не будет преждевременно выходить из приостанова по получении сигнала, а будет продолжать ожидать наступления события. Если же значение приоритета ниже порогового, процесс будет немедленно возобновлен по получении сигнала [20] .
Проверка того, имеет ли процесс уже сигнал при входе в алгоритм sleep, позволяет выяснить, приостанавливался ли процесс ранее. Например, если значение приоритета в вызове алгоритма sleep превышает пороговое значение, процесс приостанавливается в ожидании выполнения алгоритма wakeup. Если же значение приоритета ниже порогового, выполнение процесса не приостанавливается, но на сигнал процесс реагирует точно так же, как если бы он был приостановлен. Если ядро не проверит наличие сигналов перед приостановом, возможна опасность, что сигнал больше не поступит вновь и в этом случае процесс никогда не возобновится.
Когда процесс «пробуждается» по сигналу (или когда он не переходит в состояние приостанова из-за наличия сигнала), ядро может выполнить алгоритм longjump (в зависимости от причины, по которой процесс был приостановлен). С помощью алгоритма longjump ядро восстанавливает ранее сохраненный контекст, если нет возможности завершить выполняемую системную функцию. Например, если из-за того, что пользователь отключил терминал, было прервано чтение данных с терминала, функция read не будет завершена, но возвратит признак ошибки. Это касается всех системных функций, которые могут быть прерваны во время приостанова. После выхода из приостанова процесс не сможет нормально продолжаться, поскольку ожидаемое событие не наступило. Перед выполнением большинства системных функций ядро сохраняет контекст процесса, используя алгоритм setjump и вызывая тем самым необходимость в последующем выполнении алгоритма longjump.
Встречаются ситуации, когда ядро требует, чтобы процесс возобновился по получении сигнала, но не выполняет алгоритм longjump. Ядро запускает алгоритм sleep со специальным значением параметра «приоритет», подавляющим исполнение алгоритма longjump и заставляющим алгоритм sleep возвращать код, равный 1. Такая мера более эффективна по сравнению с немедленным выполнением алгоритма setjump перед вызовом sleep и последующим выполнением алгоритма longjump для восстановления первоначального контекста процесса. Задача заключается в том, чтобы позволить ядру очищать локальные структуры данных. Драйвер устройства, например, может выделить свои частные структуры данных и приостановиться с приоритетом, допускающим прерывания; если по сигналу его работа возобновляется, он освобождает выделенные структуры, а затем выполняет алгоритм longjump, если необходимо. Пользователь не имеет возможности проконтролировать, выполняет ли процесс алгоритм longjump; выполнение этого алгоритма зависит от причины приостановки процесса, а также от того, требуют ли структуры данных ядра внесения изменений перед выходом из системной функции.

6.7 ВЫВОДЫ

Мы завершили рассмотрение контекста процесса. Процессы в системе UNIX могут находиться в различных логических состояниях и переходить из состояния в состояние в соответствии с установленными правилами перехода, при этом информация о состоянии сохраняется в таблице процессов и в адресном пространстве процесса. Контекст процесса состоит из пользовательского контекста и системного контекста. Пользовательский контекст состоит из программ процесса, данных, стека задачи и областей разделяемой памяти, а системный контекст состоит из статической части (запись в таблице процессов, адресное пространство процесса и информация, необходимая для отображения адресного пространства) и динамической части (стек ядра и сохраненное состояние регистров предыдущего контекстного уровня системы), которые запоминаются в стеке и выбираются из стека при выполнении процессом обращений к системным функциям, при обработке прерываний и при переключениях контекста. Пользовательский контекст процесса распадается на отдельные области, которые представляют собой непрерывные участки виртуального адресного пространства и трактуются как самостоятельные объекты использования и защиты. В модели управления памятью, которая использовалась при описании формата виртуального адресного пространства процесса, предполагалось наличие у каждой области процесса своей таблицы страниц. Ядро располагает целым набором различных алгоритмов для работы с областями. В заключительной части главы были рассмотрены алгоритмы приостанова (sleep) и возобновления (wakeup) процессов. Структуры и алгоритмы, описанные в данной главе, будут использоваться в последующих главах при рассмотрении системных функций управления процессами и планирования их выполнения, а также при объяснении различных методов распределения памяти.

6.8 УПРАЖНЕНИЯ

1. Составьте алгоритм преобразования виртуальных адресов в физические, на входе которого задаются виртуальный адрес и адрес точки входа в частную таблицу областей.
2. В машинах AT&T 3B2 и NSC серии 32000 используется двухуровневая схема трансляции виртуальных адресов в физические (с сегментацией). То есть в системе поддерживается указатель на таблицу страниц, каждая запись которой может адресовать фиксированную часть адресного пространства процесса по смещению в таблице. Сравните алгоритм трансляции виртуальных адресов на этих машинах с алгоритмом, изложенным в тексте при обсуждении модели управления памятью. Подумайте над проблемами производительности и потребности в памяти для размещения вспомогательных таблиц.
3. В архитектуре системы VAX-11 поддерживаются два набора регистров защиты памяти, используемых машиной в процессе трансляции пользовательских адресов. Механизм трансляции используется тот же, что и в предыдущем пункте, за одним исключением: указателей на таблицу страниц здесь два. Если процесс располагает тремя областями — команд, данных и стека — то каким образом, используя два набора регистров, следует производить отображение областей на таблицы страниц? Увеличение стека в архитектуре системы VAX-11 идет в направлении младших виртуальных адресов. Какой тогда вид имела бы область стека? В главе 11 будет рассмотрена область разделяемой памяти: как она может быть реализована в архитектуре системы VAX-11?
4. Составьте алгоритм выделения и освобождения страниц памяти и таблиц страниц. Какие структуры данных следует использовать, чтобы достичь наивысшей производительности или наибольшей простоты реализации алгоритма?
5. Устройство управления памятью MC68451 для семейства микропроцессоров Motorola 68000 допускает выделение сегментов памяти размером от 256 байт до 16 мегабайт. Каждое (физическое) устройство управления памятью поддерживает 32 дескриптора сегментов. Опишите эффективный метод выделения памяти для этого случая. Каким образом осуществлялась бы реализация областей?
6. Рассмотрим отображение виртуальных адресов, представленное на Рисунке 6.5. Предположим, что ядро выгружает процесс (в системе с подкачкой процессов) или откачивает в область стека большое количество страниц (в системе с замещением страниц). Если через какое-то время процесс обратится к виртуальному адресу 68432, будет ли он должен обратиться к соответствующей ячейке физической памяти, из которой он считывал данные до того, как была выполнена операция выгрузки (откачки)? Если нижние уровни системы управления памятью реализуются с использованием таблицы страниц, следует ли эти таблицы располагать в тех же, что и сами страницы, местах физической памяти?
*7. Можно реализовать систему, в которой стек ядра располагается над вершиной стека задачи. Подумайте о достоинствах и недостатках подобной системы.
8. Каким образом, присоединяя область к процессу, ядро может проверить то, что эта область не накладывается на виртуальные адреса областей, уже присоединенных к процессу?
9. Обратимся к алгоритму переключения контекста. Допустим, что в системе готов к выполнению только один процесс. Другими словами, ядро выбирает для выполнения процесс с только что сохраненным контекстом. Объясните, что произойдет при этом.
10. Предположим, что процесс приостановился, но в системе нет процессов, готовых к выполнению. Что произойдет, когда приостановившийся процесс переключит контекст?
11. Предположим, что процесс, выполняемый в режиме задачи, израсходовал выделенный ему квант времени и в результате прерывания по таймеру ядро выбирает для выполнения новый процесс. Объясните, почему переключение контекста произойдет на системном контекстном уровне 2.
12. В системе с замещением страниц процесс, выполняемый в режиме задачи, может столкнуться с отсутствием нужной страницы, которая не была загружена в память. В ходе обработки прерывания ядро считывает страницу из области подкачки и приостанавливается. Объясните, почему переключение контекста (в момент приостанова) произойдет на системном контекстном уровне 2.
13. Процесс использует системную функцию read с форматом вызова read(fd,buf,1024);
в системе с замещением страниц памяти. Предположим, что ядро исполняет алгоритм read для считывания данных в системный буфер, однако при попытке копирования данных в адресное пространство задачи сталкивается с отсутствием нужной страницы, содержащей структуру buf, вследствие того, что она была ранее выгружена из памяти. Ядро обрабатывает возникшее прерывание, считывая отсутствующую страницу в память. Что происходит на каждом из системных контекстных уровней? Что произойдет, если программа обработки прерывания приостановится в ожидании завершения считывания страницы?
14. Что произошло бы, если бы во время копирования данных из адресного пространства задачи в память ядра (Рисунок 6.17) обнаружилось, что указанный пользователем адрес неверен?
*15. При выполнении алгоритмов sleep и wakeup ядро повышает приоритет работы процессора так, чтобы не допустить прерываний, препятствующих ей. Какие отрицательные последствия могли бы возникнуть, если бы ядро не предпринимало этих действий? (Намек: ядро зачастую возобновляет приостановленные процессы прямо из программ обработки прерываний).
*16. Предположим, что процесс пытается приостановиться до наступления события A, но, запуская алгоритм sleep, еще не заблокировал прерывания; допустим, что в этот момент происходит прерывание и программа его обработки пытается возобновить все процессы, приостановленные до наступления события A. Что случится с первым процессом? Не представляет ли эта ситуация опасность? Если да, то может ли ядро избежать ее возникновения?
17. Что произойдет, если ядро запустит алгоритм wakeup для всех процессов, приостановленных по адресу A, в то время, когда по этому адресу не окажется ни одного приостановленного процесса?
18. По одному адресу может приостановиться множество процессов, но ядру может потребоваться возобновление только некоторых из них — тех, которым будет послан соответствующий сигнал. С помощью механизма посылки сигналов можно идентифицировать отдельные процессы. Подумайте, какие изменения следует произвести в алгоритме wakeup для того, чтобы можно было возобновлять выполнение только одного процесса, а не всех процессов, приостановленных по заданному адресу.
19. Обращения к алгоритмам sleep и wakeup в системе Multics имеют следующий синтаксис:
sleep(событие);
wakeup(событие, приоритет);
Таким образом, в алгоритме wakeup возобновляемому процессу присваивается приоритет. Сравните форму вызова этих алгоритмов с формой вызова события.

7.2.2 Группы процессов

Несмотря на то, что в системе UNIX процессы идентифицируются уникальным кодом (PID), системе иногда приходится использовать для идентификации процессов номер «группы», в которую они входят. Например, процессы, имеющие общего предка в лице регистрационного shell'а, взаимосвязаны, и поэтому когда пользователь нажимает клавиши «delete» или «break», или когда терминальная линия «зависает», все эти процессы получают соответствующие сигналы. Ядро использует код группы процессов для идентификации группы взаимосвязанных процессов, которые при наступлении определенных событий должны получать общий сигнал. Код группы запоминается в таблице процессов; процессы из одной группы имеют один и тот же код группы.
Для того, чтобы присвоить коду группы процессов начальное значение, приравняв его коду идентификации процесса, следует воспользоваться системной функцией setpgrp. Синтаксис вызова функции:
grp = setpgrp();
где grp — новый код группы процессов. При выполнении функции fork процесс-потомок наследует код группы своего родителя. Использование функции setpgrp при назначении для процесса операторского терминала имеет важные особенности, на которые стоит обратить внимание (см. раздел 10.3.5).

7.2.3 Посылка сигналов процессами

Для посылки сигналов процессы используют системную функцию kill. Синтаксис вызова функции:
kill(pid, signum)
где в pid указывается адресат посылаемого сигнала (область действия сигнала), а в signum — номер посылаемого сигнала. Связь между значением pid и совокупностью выполняющихся процессов следующая:
• Если pid — положительное целое число, ядро посылает сигнал процессу с идентификатором pid.
• Если значение pid равно 0, сигнал посылается всем процессам, входящим в одну группу с процессом, вызвавшим функцию kill.
• Если значение pid равно -1, сигнал посылается всем процессам, у которых реальный код идентификации пользователя совпадает с тем, под которым исполняется процесс, вызвавший функцию kill (об этих кодах более подробно см. в разделе 7.6). Если процесс, пославший сигнал, исполняется под кодом идентификации суперпользователя, сигнал рассылается всем процессам, кроме процессов с идентификаторами 0 и 1.
• Если pid — отрицательное целое число, но не -1, сигнал посылается всем процессам, входящим в группу с номером, равным абсолютному значению pid.
Во всех случаях, если процесс, пославший сигнал, исполняется под кодом идентификации пользователя, не являющегося суперпользователем, или если коды идентификации пользователя (реальный и исполнительный) у этого процесса не совпадают с соответствующими кодами процесса, принимающего сигнал, kill завершается неудачно.
В программе, приведенной на Рисунке 7.13, главный процесс сбрасывает установленное ранее значение номера группы и порождает 10 новых процессов. При рождении каждый процесс-потомок наследует номер группы процессов своего родителя, однако, процессы, созданные в нечетных итерациях цикла, сбрасывают это значение. Системные функции getpid и getpgrp возвращают значения кода идентификации выполняемого процесса и номера группы, в которую он входит, а функция pause приостанавливает выполнение процесса до момента получения сигнала. В конечном итоге родительский процесс запускает функцию kill и посылает сигнал о прерывании всем процессам, входящим в одну с ним группу. Ядро посылает сигнал пяти «четным» процессам, не сбросившим унаследованное значение номера группы, при этом пять «нечетных» процессов продолжают свое выполнение.
  #include ‹signal.h›
  main()   {
   register int i;
   setpgrp();
   for (i = 0; i ‹ 10; i++)    {
    if (fork() == 0)     {
     /* порожденный процесс */
     if (i & 1)   setpgrp();
     printf("pid = %d pgrp = %d\n", getpid(), getpgrp());
     pause(); /* системная функция приостанова выполнения */
    }
   }
   kill(0, SIGINT);
  }
  Рисунок 7.13. Пример использования функции setpgrp

7.3 ЗАВЕРШЕНИЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССА

В системе UNIX процесс завершает свое выполнение, запуская системную функцию exit. После этого процесс переходит в состояние «прекращения существования» (см. Рисунок 6.1), освобождает ресурсы и ликвидирует свой контекст. Синтаксис вызова функции:
exit(status);
где status — значение, возвращаемое функцией родительскому процессу. Процессы могут вызывать функцию exit как в явном, так и в неявном виде (по окончании выполнения программы: начальная процедура (startup), компонуемая со всеми программами на языке Си, вызывает функцию exit на выходе программы из функции main, являющейся общей точкой входа для всех программ). С другой стороны, ядро может вызывать функцию exit по своей инициативе, если процесс не принял посланный ему сигнал (об этом мы уже говорили выше). В этом случае значение параметра status равно номеру сигнала.
Система не накладывает никакого ограничения на продолжительность выполнения процесса, и зачастую процессы существуют в течение довольно длительного времени. Нулевой процесс (программа подкачки) и процесс 1 (init), к примеру, существуют на протяжении всего времени жизни системы. Продолжительными процессами являются также getty-процессы, контролирующие работу терминальной линии, ожидая регистрации пользователей, и процессы общего назначения, выполняемые под руководством администратора.
На Рисунке 7.14 приведен алгоритм функции exit. Сначала ядро отменяет обработку всех сигналов, посылаемых процессу, поскольку ее продолжение становится бессмысленным. Если процесс, вызывающий функцию exit, возглавляет группу процессов, ассоциированную с операторским терминалом (см. раздел 10.3.5), ядро делает предположение о том, что пользователь прекращает работу, и посылает всем процессам в группе сигнал о «зависании». Таким образом, если пользователь в регистрационном shell'е нажмет последовательность клавиш, означающую «конец файла» (Ctrl-d), при этом с терминалом остались связанными некоторые из существующих процессов, процесс, выполняющий функцию exit, пошлет им всем сигнал о «зависании». Кроме того, ядро сбрасывает в ноль значение кода группы процессов для всех процессов, входящих в данную группу, поскольку не исключена возможность того, что позднее текущий код идентификации процесса (процесса, который вызвал функцию exit) будет присвоен другому процессу и тогда последний возглавит группу с указанным кодом. Процессы, входившие в старую группу, в новую группу входить не будут. После этого ядро просматривает дескрипторы открытых файлов, закрывает каждый из этих файлов по алгоритму close и освобождает по алгоритму iput индексы текущего каталога и корня (если он изменялся).
  алгоритм exit
  входная информация: код, возвращаемый родительскому процессу
  выходная информация: отсутствует
  {
   игнорировать все сигналы;
   if (процесс возглавляет группу процессов, ассоциированную с операторским терминалом)   {
    послать всем процессам, входящим в группу, сигнал о «зависании»;
    сбросить в ноль код группы процессов;
   }
   закрыть все открытые файлы (внутренняя модификация алгоритма close);
   освободить текущий каталог (алгоритм iput);
   освободить области и память, ассоциированную с процессом (алгоритм freereg);
   создать запись с учетной информацией;
   прекратить существование процесса (перевести его в соответствующее состояние);
   назначить всем процессам-потомкам в качестве родителя процесс init (1);
   если кто-либо из потомков прекратил существование, послать процессу init сигнал «гибель потомка»;
   послать сигнал «гибель потомка» родителю данного процесса;
   переключить контекст;
  }
  Рисунок 7.14. Алгоритм функции exit
Наконец, ядро освобождает всю выделенную задаче память вместе с соответствующими областями (по алгоритму detachreg) и переводит процесс в состояние прекращения существования. Ядро сохраняет в таблице процессов код возврата функции exit (status), а также суммарное время исполнения процесса и его потомков в режиме ядра и режиме задачи. В разделе 7.4 при рассмотрении функции wait будет показано, каким образом процесс получает информацию о времени выполнения своих потомков. Ядро также создает в глобальном учетном файле запись, которая содержит различную статистическую информацию о выполнении процесса, такую как код идентификации пользователя, использование ресурсов центрального процессора и памяти, объем потоков ввода-вывода, связанных с процессом. Пользовательские программы могут в любой момент обратиться к учетному файлу за статистическими данными, представляющими интерес с точки зрения слежения за функционированием системы и организации расчетов с пользователями. Ядро удаляет процесс из дерева процессов, а его потомков передает процессу 1 (init). Таким образом, процесс 1 становится законным родителем всех продолжающих существование потомков завершающегося процесса. Если кто-либо из потомков прекращает существование, завершающийся процесс посылает процессу init сигнал «гибель потомка» для того, чтобы процесс начальной загрузки мог удалить запись о потомке из таблицы процессов (см. раздел 7.9); кроме того, завершающийся процесс посылает этот сигнал своему родителю. В типичной ситуации родительский процесс синхронизирует свое выполнение с завершающимся потомком с помощью системной функции wait. Прекращая существование, процесс переключает контекст и ядро может теперь выбирать для исполнения следующий процесс; ядро с этих пор уже не будет исполнять процесс, прекративший существование.
В программе, приведенной на Рисунке 7.15, процесс создает новый процесс, который печатает свой код идентификации и вызывает системную функцию pause, приостанавливаясь до получения сигнала. Процесс-родитель печатает PID своего потомка и завершается, возвращая только что выведенное значение через параметр status. Если бы вызов функции exit отсутствовал, начальная процедура сделала бы его по выходе процесса из функции main. Порожденный процесс продолжает ожидать получения сигнала, даже если его родитель уже завершился.

7.4 ОЖИДАНИЕ ЗАВЕРШЕНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССА

Процесс может синхронизировать продолжение своего выполнения с моментом завершения потомка, если воспользуется системной функцией wait. Синтаксис вызова функции:
pid = wait(stat_addr);
где pid — значение кода идентификации (PID) прекратившего свое существование потомка, stat_addr — адрес переменной целого типа, в которую будет помещено возвращаемое функцией exit значение, в пространстве задачи.
  main()   {
   int child;
   if ((child = fork()) == 0)    {
    printf("PID потомка %d\n", getpid());
    pause(); /* приостанов выполнения до получения сигнала */
   } 
   /* родитель */
   printf("PID потомка %d\n", child);
   exit(child);
  }
  Рисунок 7.15. Пример использования функции exit
Алгоритм функции wait приведен на Рисунке 7.16. Ядро ведет поиск потомков процесса, прекративших существование, и в случае их отсутствия возвращает ошибку. Если потомок, прекративший существование, обнаружен, ядро передает его код идентификации и значение, возвращаемое через параметр функции exit, процессу, вызвавшему функцию wait. Таким образом, через параметр функции exit (status) завершающийся процесс может передавать различные значения, в закодированном виде содержащие информацию о причине завершения процесса, однако на практике этот параметр используется по назначению довольно редко. Ядро передает в соответствующие поля, принадлежащие пространству родительского процесса, накопленные значения продолжительности исполнения процесса-потомка в режиме ядра и в режиме задачи и, наконец, освобождает в таблице процессов место, которое в ней занимал прежде прекративший существование процесс. Это место будет предоставлено новому процессу.
Если процесс, выполняющий функцию wait, имеет потомков, продолжающих существование, он приостанавливается до получения ожидаемого сигнала. Ядро не возобновляет по своей инициативе процесс, приостановившийся с помощью функции wait: такой процесс может возобновиться только в случае получения сигнала. На все сигналы, кроме сигнала «гибель потомка», процесс реагирует ранее рассмотренным образом. Реакция процесса на сигнал «гибель потомка» проявляется по-разному в зависимости от обстоятельств:
• По умолчанию (то есть если специально не оговорены никакие другие действия) процесс выходит из состояния останова, в которое он вошел с помощью функции wait, и запускает алгоритм issig для опознания типа поступившего сигнала. Алгоритм issig (Рисунок 7.7) рассматривает особый случай поступления сигнала типа «гибель потомка» и возвращает «ложь». Поэтому ядро не выполняет longjump из функции sleep, а возвращает управление функции wait. Оно перезапускает функцию wait, находит потомков, прекративших существование (по крайней мере, одного), освобождает место в таблице процессов, занимаемое этими потомками, и выходит из функции wait, возвращая управление процессу, вызвавшему ее.
• Если процессы принимает сигналы данного типа, ядро делает все необходимые установки для запуска пользовательской функции обработки сигнала, как и в случае поступления сигнала любого другого типа.
• Если процесс игнорирует сигналы данного типа, ядро перезапускает функцию wait, освобождает в таблице процессов место, занимаемое потомками, прекратившими существование, и исследует оставшихся потомков.
  алгоритм wait
  входная информация:   адрес переменной для хранения значения status, возвращаемого завершающимся процессом
  выходная информация: идентификатор потомка и код возврата функции   exit
  {
   if (процесс, вызвавший функцию wait, не имеет потомков)   return (ошибку);
   for (; {  /* цикл с внутренним циклом */ 
    if (процесс, вызвавший функцию wait, имеет потомков, прекративших существование)   {
     выбрать произвольного потомка;
     передать его родителю информацию об использовании потомком ресурсов центрального процессора;
     освободить в таблице процессов место, занимаемое потомком;
     return (идентификатор потомка, код возврата функции exit, вызванной потомком);
    }
    if (у процесса нет потомков)   return ошибку;
    приостановиться с приоритетом, допускающим прерывания (до завершения потомка);
   }
  }
  Рисунок 7.16. Алгоритм функции wait
Например, если пользователь запускает программу, приведенную на Рисунке 7.17, с параметром и без параметра, он получит разные результаты. Сначала рассмотрим случай, когда пользователь запускает программу без параметра (единственный параметр — имя программы, то есть argc равно 1). Родительский процесс порождает 15 потомков, которые в конечном итоге завершают свое выполнение с кодом возврата i, номером процесса в порядке очередности создания. Ядро, исполняя функцию wait для родителя, находит потомка, прекратившего существование, и передает родителю его идентификатор и код возврата функции exit. При этом заранее не известно, какой из потомков будет обнаружен. Из текста программы, реализующей системную функцию exit, написанной на языке Си и включенной в библиотеку стандартных подпрограмм, видно, что программа запоминает код возврата функции exit в битах 8-15 поля ret_code и возвращает функции wait идентификатор процесса-потомка. Таким образом, в ret_code хранится значение, равное 256*i, где i — номер потомка, а в ret_val заносится значение идентификатора потомка.
Если пользователь запускает программу с параметром (то есть argc › 1), родительский процесс с помощью функции signal делает распоряжение игнорировать сигналы типа «гибель потомка». Предположим, что родительский процесс, выполняя функцию wait, приостановился еще до того, как его потомок произвел обращение к функции exit: когда процесс-потомок переходит к выполнению функции exit, он посылает своему родителю сигнал «гибель потомка»; родительский процесс возобновляется, поскольку он был приостановлен с приоритетом, допускающим прерывания. Когда так или иначе родительский процесс продолжит свое выполнение, он обнаружит, что сигнал сообщал о «гибели» потомка; однако, поскольку он игнорирует сигналы этого типа и не обрабатывает их, ядро удаляет из таблицы процессов запись, соответствующую прекратившему существование потомку, и продолжает выполнение функции wait так, словно сигнала и не было. Ядро выполняет эти действия всякий раз, когда родительский процесс получает сигнал типа «гибель потомка», до тех пор, пока цикл выполнения функции wait не будет завершен и пока не будет установлено, что у процесса больше потомков нет. Тогда функция wait возвращает значение, равное -1. Разница между двумя способами запуска программы состоит в том, что в первом случае процесс-родитель ждет завершения любого из потомков, в то время как во втором случае он ждет, пока завершатся все его потомки.
  #include ‹signal.h›
  main(argc, argv)
  int argc;
  char *argv[];
  {
   int i, ret_val, ret_code;
   if (argc ›= 1)   signal(SIGCLD, SIG_IGN); /* игнорировать гибель потомков */
   for (i = 0; i ‹ 15; i++)   if (fork() == 0)   {
     /* процесс-потомок */
     printf("процесс-потомок %x\n", getpid());
     exit(i);
    }
    ret_val = wait(&ret_code);
    printf("wait ret_val %x ret_code %x\n", ret_val, ret_code);
  }
  Рисунок 7.17. Пример использования функции wait и игнорирования сигнала «гибель потомка»
В ранних версиях системы UNIX функции exit и wait не использовали и не рассматривали сигнал типа «гибель потомка». Вместо посылки сигнала функция exit возобновляла выполнение родительского процесса. Если родительский процесс при выполнении функции wait приостановился, он возобновляется, находит потомка, прекратившего существование, и возвращает управление. В противном случае возобновления не происходит; процесс-родитель обнаружит «погибшего» потомка при следующем обращении к функции wait. Точно так же и процесс начальной загрузки (init) может приостановиться, используя функцию wait, и завершающиеся по exit процессы будут возобновлять его, если он имеет усыновленных потомков, прекращающих существование.
В такой реализации функций exit и wait имеется одна нерешенная проблема, связанная с тем, что процессы, прекратившие существование, нельзя убирать из системы до тех пор, пока их родитель не исполнит функцию wait. Если процесс создал множество потомков, но так и не исполнил функцию wait, может произойти переполнение таблицы процессов из-за наличия потомков, прекративших существование с помощью функции exit. В качестве примера рассмотрим текст программы планировщика процессов, приведенный на Рисунке 7.18. Процесс производит считывание данных из файла стандартного ввода до тех пор, пока не будет обнаружен конец файла, создавая при каждом исполнении функции read нового потомка. Однако, процесс-родитель не дожидается завершения каждого потомка, поскольку он стремится запускать процессы на выполнение как можно быстрее, тем более, что может пройти довольно много времени, прежде чем процесс-потомок завершит свое выполнение. Если, обратившись к функции signal, процесс распорядился игнорировать сигналы типа «гибель потомка», ядро будет очищать записи, соответствующие прекратившим существование процессам, автоматически. Иначе в конечном итоге из-за таких процессов может произойти переполнение таблицы.
  #include ‹signal.h›
  main(argc, argv)   {
   char buf[256];
   if (argc != 1)   signal(SIGCLD, SIG_IGN); /* игнорировать гибель потомков */
   while (read(0, buf, 256))
    if (fork() == 0) {
     /* здесь процесс-потомок обычно выполняет какие-то операции над буфером (buf) */
     exit(0);
   }
  }
  Рисунок 7.18. Пример указания причины появления сигнала «гибель потомков»

7.5 ВЫЗОВ ДРУГИХ ПРОГРАММ

Системная функция exec дает возможность процессу запускать другую программу, при этом соответствующий этой программе исполняемый файл будет располагаться в пространстве памяти процесса. Содержимое пользовательского контекста после вызова функции становится недоступным, за исключением передаваемых функции параметров, которые переписываются ядром из старого адресного пространства в новое. Синтаксис вызова функции:
execve(filename, argv, envp)
где filename — имя исполняемого файла, argv — указатель на массив параметров, которые передаются вызываемой программе, а envp — указатель на массив параметров, составляющих среду выполнения вызываемой программы. Вызов системной функции exec осуществляют несколько библиотечных функций, таких как execl, execv, execle и т. д. В том случае, когда программа использует параметры командной строки
main(argc, argv),
массив argv является копией одноименного параметра, передаваемого функции exec. Символьные строки, описывающие среду выполнения вызываемой программы, имеют вид «имя=значение» и содержат полезную для программ информацию, такую как начальный каталог пользователя и путь поиска исполняемых программ. Процессы могут обращаться к параметрам описания среды выполнения, используя глобальную переменную environ, которую заводит начальная процедура Си-интерпретатора.
  алгоритм exec
  входная информация:
   (1) имя файла
   (2) список параметров
   (3) список переменных среды
  выходная информация: отсутствует 
  {
   получить индекс файла (алгоритм namei);
   проверить, является ли файл исполнимым и имеет ли пользователь право на его исполнение;
   прочитать информацию из заголовков файла и проверить, является ли он загрузочным модулем;
   скопировать параметры, переданные функции, из старого адресного пространства в системное пространство;
   for (каждой области, присоединенной к процессу)
    отсоединить все старые области (алгоритм detachreg);
   for (каждой области, определенной в загрузочном модуле)   {
    выделить новые области (алгоритм allocreg);
    присоединить области (алгоритм attachreg);
    загрузить область в память по готовности (алгоритм loadreg);
   }
   скопировать параметры, переданные функции, в новую область стека задачи;
   специальная обработка для setuid-программ, трассировка;
   проинициализировать область сохранения регистров задачи (в рамках подготовки к возвращению в режим задачи);
   освободить индекс файла (алгоритм iput);
  }
  Рисунок 7.19. Алгоритм функции exec
На Рисунке 7.19 представлен алгоритм выполнения системной функции exec. Сначала функция обращается к файлу по алгоритму namei, проверяя, является ли файл исполнимым и отличным от каталога, а также проверяя наличие у пользователя права исполнять программу. Затем ядро, считывая заголовок файла, определяет размещение информации в файле (формат файла).
На Рисунке 7.20 изображен логический формат исполняемого файла в файловой системе, обычно генерируемый транслятором или загрузчиком. Он разбивается на четыре части:
1. Главный заголовок, содержащий информацию о том, на сколько разделов делится файл, а также содержащий начальный адрес исполнения процесса и некоторое «магическое число», описывающее тип исполняемого файла.
2. Заголовки разделов, содержащие информацию, описывающую каждый раздел в файле: его размер, виртуальные адреса, в которых он располагается, и др.
3. Разделы, содержащие собственно «данные» файла (например, текстовые), которые загружаются в адресное пространство процесса.
4. Разделы, содержащие смешанную информацию, такую как таблицы идентификаторов и другие данные, используемые в процессе отладки.
  Рисунок 7.20. Образ исполняемого файла
Указанные составляющие с развитием самой системы видоизменяются, однако во всех исполняемых файлах обязательно присутствует главный заголовок с полем типа файла.
Тип файла обозначается коротким целым числом (представляется в машине полусловом), которое идентифицирует файл как загрузочный модуль, давая тем самым ядру возможность отслеживать динамические характеристики его выполнения. Например, в машине PDP 11/70 определение типа файла как загрузочного модуля свидетельствует о том, что процесс, исполняющий файл, может использовать до 128 Кбайт памяти вместо 64 Кбайт [22] , тем не менее в системах с замещением страниц тип файла все еще играет существенную роль, в чем нам предстоит убедиться во время знакомства с главой 9.
Вернемся к алгоритму. Мы остановились на том, что ядро обратилось к индексу файла и установило, что файл является исполнимым. Ядру следовало бы освободить память, занимаемую пользовательским контекстом процесса. Однако, поскольку в памяти, подлежащей освобождению, располагаются передаваемые новой программе параметры, ядро первым делом копирует их из адресного пространства в промежуточный буфер на время, пока не будут отведены области для нового пространства памяти.
Поскольку параметрами функции exec выступают пользовательские адреса массивов символьных строк, ядро по каждой строке сначала копирует в системную память адрес строки, а затем саму строку. Для хранения строки в разных версиях системы могут быть выбраны различные места. Чаще принято хранить строки в стеке ядра (локальная структура данных, принадлежащая программе ядра), на нераспределяемых участках памяти (таких как страницы), которые можно занимать только временно, а также во внешней памяти (на устройстве выгрузки).
С точки зрения реализации проще всего для копирования параметров в новый пользовательский контекст обратиться к стеку ядра. Однако, поскольку размер стека ядра, как правило, ограничивается системой, а также поскольку параметры функции exec могут иметь произвольную длину, этот подход следует сочетать с другими подходами. При рассмотрении других вариантов обычно останавливаются на способе хранения, обеспечивающем наиболее быстрый доступ к строкам. Если доступ к страницам памяти в системе реализуется довольно просто, строки следует размещать на страницах, поскольку обращение к оперативной памяти осуществляется быстрее, чем к внешней (устройству выгрузки).
После копирования параметров функции exec в системную память ядро отсоединяет области, ранее присоединенные к процессу, используя алгоритм detachreg. Несколько позже мы еще поговорим о специальных действиях, выполняемых в отношении областей команд. К рассматриваемому моменту процесс уже лишен пользовательского контекста и поэтому возникновение в дальнейшем любой ошибки неизбежно будет приводить к завершению процесса по сигналу. Такими ошибками могут быть обращение к пространству, не описанному в таблице областей ядра, попытка загрузить программу, имеющую недопустимо большой размер или использующую области с пересекающимися адресами, и др. Ядро выделяет и присоединяет к процессу области команд и данных, загружает в оперативную память содержимое исполняемого файла (алгоритмы allocreg, attachreg и loadreg, соответственно). Область данных процесса изначально поделена на две части: данные, инициализация которых была выполнена во время компиляции, и данные, не определенные компилятором («bss»). Область памяти первоначально выделяется для проинициализированных данных. Затем ядро увеличивает размер области данных для размещения данных типа «bss» (алгоритм growreg) и обнуляет их значения. Напоследок ядро выделяет и присоединяет к процессу область стека и отводит пространство памяти для хранения параметров функции exec. Если параметры функции размещаются на страницах, те же страницы могут быть использованы под стек. В противном случае параметры функции размещаются в стеке задачи.
В пространстве процесса ядро стирает адреса пользовательских функций обработки сигналов, поскольку в новом пользовательском контексте они теряют свое значение. Однако и в новом контексте рекомендации по игнорированию тех или иных сигналов остаются в силе. Ядро устанавливает в регистрах для режима задачи значения из сохраненного регистрового контекста, в частности первоначальное значение указателя вершины стека (sp) и счетчика команд (pc): первоначальное значение счетчика команд было занесено загрузчиком в заголовок файла. Для setuid-программ и для трассировки процесса ядро предпринимает особые действия, на которых мы еще остановимся во время рассмотрения глав 8 и 11, соответственно. Наконец, ядро запускает алгоритм iput, освобождая индекс, выделенный по алгоритму namei в самом начале выполнения функции exec. Алгоритмы namei и iput в функции exec выполняют роль, подобную той, которую они выполняют при открытии и закрытии файла; состояние файла во время выполнения функции exec похоже на состояние открытого файла, если не принимать во внимание отсутствие записи о файле в таблице файлов. По выходе из функции процесс исполняет текст новой программы. Тем не менее, процесс остается тем же, что и до выполнения функции; его идентификатор не изменился, как не изменилось и его место в иерархии процессов. Изменению подвергся только пользовательский контекст процесса.
  main()   {
   int status;
   if (fork() == 0)   execl("/bin/date", "date", 0);
   wait(&status);
  }
  Рисунок 7.21. Пример использования функции exec
В качестве примера можно привести программу (Рисунок 7.21), в которой создается процесс-потомок, запускающий функцию exec. Сразу по завершении функции fork процесс-родитель и процесс-потомок начинают исполнять независимо друг от друга копии одной и той же программы. К моменту вызова процессом-потомком функции exec в его области команд находятся инструкции этой программы, в области данных располагаются строки «/bin/date» и «date», а в стеке — записи, которые будут извлечены по выходе из exec. Ядро ищет файл «/bin/date» в файловой системе, обнаружив его, узнает, что его может исполнить любой пользователь, а также то, что он представляет собой загрузочный модуль, готовый для исполнения. По условию первым параметром функции exec, включаемым в список параметров argv, является имя исполняемого файла (последняя компонента имени пути поиска файла). Таким образом, процесс имеет доступ к имени программы на пользовательском уровне, что иногда может оказаться полезным [23] . Затем ядро копирует строки «/bin/date» и «date» во внутреннюю структуру хранения и освобождает области команд, данных и стека, занимаемые процессом. Процессу выделяются новые области команд, данных и стека, в область команд переписывается командная секция файла «/bin/date», в область данных — секция данных файла. Ядро восстанавливает первоначальный список параметров (в данном случае это строка символов «date») и помещает его в область стека. Вызвав функцию exec, процесс-потомок прекращает выполнение старой программы и переходит к выполнению программы «date»; когда программа «date» завершится, процесс-родитель, ожидающий этого момента, получит код завершения функции exit.
Вплоть до настоящего момента мы предполагали, что команды и данные размещаются в разных секциях исполняемой программы и, следовательно, в разных областях текущего процесса. Такое размещение имеет два основных преимущества: простота организации защиты от несанкционированного доступа и возможность разделения областей различными процессами. Если бы команды и данные находились в одной области, система не смогла бы предотвратить затирание команд, поскольку ей не были бы известны адреса, по которым они располагаются. Если же команды и данные находятся в разных областях, система имеет возможность пользоваться механизмами аппаратной защиты области команд процесса. Когда процесс случайно попытается что-то записать в область, занятую командами, он получит отказ, порожденный системой защиты и приводящий обычно к аварийному завершению процесса.
  #include ‹signal.h›
  main()   {
   int i, *ip;
   extern f(), sigcatch();
   ip = (int *)f; /* присвоение переменной ip значения адреса функции f */
   for (i = 0; i ‹ 20; i++)   signal(i, sigcatch);
   *ip = 1; /* попытка затереть адрес функции f */
   printf("после присвоения значения ip\n");
   f();
  }
  f()   {  }
  sigcatch(n)
  int n; 
  {
   printf("принят сигнал %d\n", n);
   exit(1);
  }
  Рисунок 7.22. Пример программы, ведущей запись в область команд
В качестве примера можно привести программу (Рисунок 7.22), которая присваивает переменной ip значение адреса функции f и затем делает распоряжение принимать все сигналы. Если программа скомпилирована так, что команды и данные располагаются в разных областях, процесс, исполняющий программу, при попытке записать что-то по адресу в ip встретит порожденный системой защиты отказ, поскольку область команд защищена от записи. При работе на компьютере AT&T 3B20 ядро посылает процессу сигнал SIGBUS, в других системах возможна посылка других сигналов. Процесс принимает сигнал и завершается, не дойдя до выполнения команды вывода на печать в процедуре main. Однако, если программа скомпилирована так, что команды и данные располагаются в одной области (в области данных), ядро не поймет, что процесс пытается затереть адрес функции f. Адрес f станет равным 1. Процесс исполнит команду вывода на печать в процедуре main, но когда запустит функцию f, произойдет ошибка, связанная с попыткой выполнения запрещенной команды. Ядро пошлет процессу сигнал SIGILL и процесс завершится.
Расположение команд и данных в разных областях облегчает поиск и предотвращение ошибок адресации. Тем не менее, в ранних версиях системы UNIX команды и данные разрешалось располагать в одной области, поскольку на машинах PDP размер процесса был сильно ограничен: программы имели меньший размер и существенно меньшую сегментацию, если команды и данные занимали одну и ту же область. В последних версиях системы таких строгих ограничений на размер процесса нет и в дальнейшем возможность загрузки команд и данных в одну область компиляторами не будет поддерживаться.
Второе преимущество раздельного хранения команд и данных состоит в возможности совместного использования областей процессами. Если процесс не может вести запись в область команд, команды процесса не претерпевают никаких изменений с того момента, как ядро загрузило их в область команд из командной секции исполняемого файла. Если один и тот же файл исполняется несколькими процессами, в целях экономии памяти они могут иметь одну область команд на всех. Таким образом, когда ядро при выполнении функции exec отводит область под команды процесса, оно проверяет, имеется ли возможность совместного использования процессами команд исполняемого файла, что определяется «магическим числом» в заголовке файла. Если да, то с помощью алгоритма xalloc ядро ищет существующую область с командами файла или назначает новую в случае ее отсутствия (см. Рисунок 7.23).
Исполняя алгоритм xalloc, ядро просматривает список активных областей в поисках области с командами файла, индекс которого совпадает с индексом исполняемого файла. В случае ее отсутствия ядро выделяет новую область (алгоритм allocreg), присоединяет ее к процессу (алгоритм attachreg), загружает ее в память (алгоритм loadreg) и защищает от записи (read-only). Последний шаг предполагает, что при попытке процесса записать что-либо в область команд будет получен отказ, вызванный системой защиты памяти. В случае обнаружения области с командами файла в списке активных областей осуществляется проверка ее наличия в памяти (она может быть либо загружена в память, либо выгружена из памяти) и присоединение ее к процессу. В завершение выполнения алгоритма xalloc ядро снимает с области блокировку, а позднее, следуя алгоритму detachreg при выполнении функций exit или exec, уменьшает значение счетчика областей. В традиционных реализациях системы поддерживается таблица команд, к которой ядро обращается в случаях, подобных описанному. Таким образом, совокупность областей команд можно рассматривать как новую версию этой таблицы.
Напомним, что если область при выполнении алгоритма allocreg (Раздел 6.5.2) выделяется впервые, ядро увеличивает значение счетчика ссылок на индекс, ассоциированный с областью, при этом значение счетчика ссылок нами уже было увеличено в самом начале выполнения функции exec (алгоритм namei). Поскольку ядро уменьшает значение счетчика только один раз в завершение выполнения функции exec (по алгоритму iput), значение счетчика ссылок на индекс файла, ассоциированного с разделяемой областью команд и исполняемого в настоящий момент, равно по меньшей мере 1. Поэтому когда процесс разрывает связь с файлом (функция unlink), содержимое файла остается нетронутым (не претерпевает изменений). После загрузки в память сам файл ядру становится ненужен, ядро интересует только указатель на копию индекса файла в памяти, содержащийся в таблице областей; этот указатель и будет идентифицировать файл, связанный с областью. Если бы значение счетчика ссылок стало равным 0, ядро могло бы передать копию индекса в памяти другому файлу, тем самым делая сомнительным значение указателя на индекс в записи таблицы областей: если бы пользователю пришлось исполнить новый файл, используя функцию exec, ядро по ошибке связало бы его с областью команд старого файла. Эта проблема устраняется благодаря тому, что ядро при выполнении алгоритма allocreg увеличивает значение счетчика ссылок на индекс, предупреждая тем самым переназначение индекса в памяти другому файлу. Когда процесс во время выполнения функций exit или exec отсоединяет область команд, ядро уменьшает значение счетчика ссылок на индекс (по алгоритму freereg), если только связь индекса с областью не помечена как «неотъемлемая».
  алгоритм xalloc /* выделение и инициализация области команд */
  входная информация: индекс исполняемого файла
  выходная информация: отсутствует 
  {
   if (исполняемый файл не имеет отдельной области команд)   return;
   if (уже имеется область команд, ассоциированная с индексом исполняемого файла)   {
    /* область команд уже существует… подключиться к ней */
    заблокировать область;
    do while (содержимое области еще не доступно)   {
     /* операции над счетчиком ссылок, предохраняющие от глобального удаления области */
     увеличить значение счетчика ссылок на область;
     снять с области блокировку;
     sleep (пока содержимое области не станет доступным);
     заблокировать область;
     уменьшить значение счетчика ссылок на область;
    }
    присоединить область к процессу (алгоритм attachreg);
    снять с области блокировку;
    return;
   }
   /* интересующая нас область команд не существует — создать новую */
   выделить область команд (алгоритм allocreg); /* область заблокирована */
   if (область помечена как «неотъемлемая»)
    отключить соответствующий флаг;
   подключить область к виртуальному адресу, указанному в заголовке файла (алгоритм attachreg);
   if (файл имеет специальный формат для системы с замещением страниц) /* этот случай будет рассмотрен в главе 9 */
   else /* файл не имеет специального формата */
    считать команды из файла в область (алгоритм loadreg);
   изменить режим защиты области в записи частной таблицы областей процесса на «read-only»;
   снять с области блокировку;
  }
  Рисунок 7.23. Алгоритм выделения областей команд
  Рисунок 7.24. Взаимосвязь между таблицей индексов и таблицей областей в случае совместного использования процессами одной области команд
Рассмотрим в качестве примера ситуацию, приведенную на Рисунке 7.21, где показана взаимосвязь между структурами данных в процессе выполнения функции exec по отношению к файлу «/bin/date» при условии расположения команд и данных файла в разных областях. Когда процесс исполняет файл «/bin/date» первый раз, ядро назначает для команд файла точку входа в таблице областей (Рисунок 7.24) и по завершении выполнения функции exec оставляет счетчик ссылок на индекс равным 1. Когда файл «/bin/date» завершается, ядро запускает алгоритмы detachreg и freereg, сбрасывая значение счетчика ссылок в 0. Однако, если ядро в первом случае не увеличило значение счетчика, оно по завершении функции exec останется равным 0 и индекс на всем протяжении выполнения процесса будет находиться в списке свободных индексов. Предположим, что в это время свободный индекс понадобился процессу, запустившему с помощью функции exec файл «/bin/who», тогда ядро может выделить этому процессу индекс, ранее принадлежавший файлу «/ bin/date». Просматривая таблицу областей в поисках индекса файла «/bin/who», ядро вместо него выбрало бы индекс файла «/bin/date». Считая, что область содержит команды файла «/bin/who», ядро исполнило бы совсем не ту программу. Поэтому значение счетчика ссылок на индекс активного файла, связанного с разделяемой областью команд, должно быть не меньше единицы, чтобы ядро не могло переназначить индекс другому файлу.
Возможность совместного использования различными процессами одних и тех же областей команд позволяет экономить время, затрачиваемое на запуск программы с помощью функции exec. Администраторы системы могут с помощью системной функции (и команды) chmod устанавливать для часто исполняемых файлов режим «sticky-bit», сущность которого заключается в следующем. Когда процесс исполняет файл, для которого установлен режим «sticky-bit», ядро не освобождает область памяти, отведенную под команды файла, отсоединяя область от процесса во время выполнения функций exit или exec, даже если значение счетчика ссылок на индекс становится равным 0. Ядро оставляет область команд в первоначальном виде, при этом значение счетчика ссылок на индекс равно 1, пусть даже область не подключена больше ни к одному из процессов. Если же файл будет еще раз запущен на выполнение (уже другим процессом), ядро в таблице областей обнаружит запись, соответствующую области с командами файла. Процесс затратит на запуск файла меньше времени, так как ему не придется читать команды из файловой системы. Если команды файла все еще находятся в памяти, в их перемещении не будет необходимости; если же команды выгружены во внешнюю память, будет гораздо быстрее загрузить их из внешней памяти, чем из файловой системы (см. об этом в главе 9).
Ядро удаляет из таблицы областей записи, соответствующие областям с командами файла, для которого установлен режим «sticky-bit» (иными словами, когда область помечена как «неотъемлемая» часть файла или процесса), в следующих случаях:
1. Если процесс открыл файл для записи, в результате соответствующих операций содержимое файла изменится, при этом будет затронуто и содержимое области.
2. Если процесс изменил права доступа к файлу (chmod), отменив режим «sticky-bit», файл не должен оставаться в таблице областей.
3. Если процесс разорвал связь с файлом (unlink), он не сможет больше исполнять этот файл, поскольку у файла не будет точки входа в файловую систему; следовательно, и все остальные процессы не будут иметь доступа к записи в таблице областей, соответствующей файлу. Поскольку область с командами файла больше не используется, ядро может освободить ее вместе с остальными ресурсами, занимаемыми файлом.
4. Если процесс демонтирует файловую систему, файл перестает быть доступным и ни один из процессов не может его исполнить. В остальном — все как в предыдущем случае.
5. Если ядро использовало уже все пространство внешней памяти, отведенное под выгрузку задач, оно пытается освободить часть памяти за счет областей, имеющих пометку «sticky-bit», но не используемых в настоящий момент. Несмотря на то, что эти области могут вскоре понадобиться другим процессам, потребности ядра являются более срочными.
В первых двух случаях область команд с пометкой «sticky-bit» должна быть освобождена, поскольку она больше не отражает текущее состояние файла. В остальных случаях это делается из практических соображений. Конечно же ядро освобождает область только при том условии, что она не используется ни одним из выполняющихся процессов (счетчик ссылок на нее имеет нулевое значение); в противном случае это привело бы к аварийному завершению выполнения системных функций open, unlink и umount (случаи 1, 3 и 4, соответственно).
Если процесс запускает с помощью функции exec самого себя, алгоритм выполнения функции несколько усложняется. По команде sh script командный процессор shell порождает новый процесс (новую ветвь), который инициирует запуск shell'а (с помощью функции exec) и исполняет команды файла «script». Если процесс запускает самого себя и при этом его область команд допускает совместное использование, ядру придется следить за тем, чтобы при обращении ветвей процесса к индексам и областям не возникали взаимные блокировки. Иначе говоря, ядро не может, не снимая блокировки со «старой» области команд, попытаться заблокировать «новую» область, поскольку на самом деле это одна и та же область. Вместо этого ядро просто оставляет «старую» область команд присоединенной к процессу, так как в любом случае ей предстоит повторное использование.
Обычно процессы вызывают функцию exec после функции fork; таким образом, во время выполнения функции fork процесс-потомок копирует адресное пространство своего родителя, но сбрасывает его во время выполнения функции exec и по сравнению с родителем исполняет образ уже другой программы. Не было бы более естественным объединить две системные функции в одну, которая бы загружала программу и исполняла ее под видом нового процесса? Ричи высказал предположение, что возникновение fork и exec как отдельных системных функций обязано тому, что при создании системы UNIX функция fork была добавлена к уже существующему образу ядра системы (см. [Ritchie 84a], стр.1584). Однако, разделение fork и exec важно и с функциональной точки зрения, поскольку в этом случае процессы могут работать с дескрипторами файлов стандартного ввода-вывода независимо, повышая тем самым «элегантность» использования каналов. Пример, показывающий использование этой возможности, приводится в разделе 7.8.

7.6 КОД ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОЦЕССА

Ядро связывает с процессом два кода идентификации пользователя, не зависящих от кода идентификации процесса: реальный (действительный) код идентификации пользователя и исполнительный код или setuid (от «set user ID» — установить код идентификации пользователя, под которым процесс будет исполняться). Реальный код идентифицирует пользователя, несущего ответственность за выполняющийся процесс. Исполнительный код используется для установки прав собственности на вновь создаваемые файлы, для проверки прав доступа к файлу и разрешения на посылку сигналов процессам через функцию kill. Процессы могут изменять исполнительный код, запуская с помощью функции exec программу setuid или запуская функцию setuid в явном виде.
Программа setuid представляет собой исполняемый файл, имеющий в поле режима доступа установленный бит setuid. Когда процесс запускает программу setuid на выполнение, ядро записывает в поля, содержащие реальные коды идентификации, в таблице процессов и в пространстве процесса код идентификации владельца файла. Чтобы как-то различать эти поля, назовем одно из них, которое хранится в таблице процессов, сохраненным кодом идентификации пользователя. Рассмотрим пример, иллюстрирующий разницу в содержимом этих полей.
Синтаксис вызова системной функции setuid:
setuid(uid)
где uid — новый код идентификации пользователя. Результат выполнения функции зависит от текущего значения реального кода идентификации. Если реальный код идентификации пользователя процесса, вызывающего функцию, указывает на суперпользователя, ядро записывает значение uid в поля, хранящие реальный и исполнительный коды идентификации, в таблице процессов и в пространстве процесса. Если это не так, ядро записывает uid в качестве значения исполнительного кода идентификации в пространстве процесса и то только в том случае, если значение uid равно значению реального кода или значению сохраненного кода. В противном случае функция возвращает вызывающему процессу ошибку. Процесс наследует реальный и исполнительный коды идентификации у своего родителя (в результате выполнения функции fork) и сохраняет их значения после вызова функции exec.
На Рисунке 7.25 приведена программа, демонстрирующая использование функции setuid. Предположим, что исполняемый файл, полученный в результате трансляции исходного текста программы, имеет владельца с именем «maury» (код идентификации 8319) и установленный бит setuid; право его исполнения предоставлено всем пользователям. Допустим также, что пользователи «mjb» (код идентификации 5088) и «maury» являются владельцами файлов с теми же именами, каждый из которых доступен только для чтения и только своему владельцу. Во время исполнения программы пользователю «mjb» выводится следующая информация:
uid 5088 euid 8319
 fdmjb -1 fdmaury 3
 after setuid(5088): uid 5088 euid 5088
 fdmjb 4 fdmaury -1
 after setuid(8319): uid 5088 euid 8319
Системные функции getuid и geteuid возвращают значения реального и исполнительного кодов идентификации пользователей процесса, для пользователя «mjb» это, соответственно, 5088 и 8319. Поэтому процесс не может открыть файл «mjb» (ибо он имеет исполнительный код идентификации пользователя (8319), не разрешающий производить чтение файла), но может открыть файл «maury». После вызова функции setuid, в результате выполнения которой в поле исполнительного кода идентификации пользователя («mjb») заносится значение реального кода идентификации, на печать выводятся значения и того, и другого кода идентификации пользователя "mjb": оба равны 5088. Теперь процесс может открыть файл „mjb“, поскольку он исполняется под кодом идентификации пользователя, имеющего право на чтение из файла, но не может открыть файл „maury“. Наконец, после занесения в поле исполнительного кода идентификации значения, сохраненного функцией setuid (8319), на печать снова выводятся значения 5088 и 8319. Мы показали, таким образом, как с помощью программы setuid процесс может изменять значение кода идентификации пользователя, под которым он исполняется.
  #include ‹fcntl.h›
  main()   {
   int uid, euid, fdmjb, fdmaury;
   uid = getuid(); /* получить реальный UID */
   euid = geteuid(); /* получить исполнительный UID */
   printf("uid %d euid %d\n", uid, euid);
   fdmjb = open("mjb", O_RDONLY);
   fdmaury = open("maury", O_RDONLY);
   printf("fdmjb %d fdmaury %d\n", fdmjb, fdmaury);
   setuid(uid);
   printf("after setuid(%d): uid %d euid %d\n", uid, getuid(), geteuid());
   fdmjb = open("mjb", O_RDONLY);
   fdmaury = open("maury", O_RDONLY);
   printf("fdmjb %d fdmaury %d\n", fdmjb, fdmaury);
   setuid(uid);
   printf("after setuid(%d): uid %d euid %d\n", euid, getuid(), geteuid());
  }
  Рисунок 7.25. Пример выполнения программы setuid
Во время выполнения программы пользователем „maury“ на печать выводится следующая информация:
uid 8319 euid 8319
 fdmjb -1 fdmaury 3
 after setuid(8319): uid 8319 euid 8319
 fdmjb -1 fdmaury 4
 after setuid(8319): uid 8319 euid 8319
Реальный и исполнительный коды идентификации пользователя во время выполнения программы остаются равны 8319: процесс может открыть файл „maury“, но не может открыть файл „mjb“. Исполнительный код, хранящийся в пространстве процесса, занесен туда в результате последнего исполнения функции или программы setuid; только его значением определяются права доступа процесса к файлу. С помощью функции setuid исполнительному коду может быть присвоено значение сохраненного кода (из таблицы процессов), т. е. то значение, которое исполнительный код имел в самом начале.
Примером программы, использующей вызов системной функции setuid, может служить программа регистрации пользователей в системе (login). Параметром функции setuid при этом является код идентификации суперпользователя, таким образом, программа login исполняется под кодом суперпользователя из корня системы. Она запрашивает у пользователя различную информацию, например, имя и пароль, и если эта информация принимается системой, программа запускает функцию setuid, чтобы установить значения реального и исполнительного кодов идентификации в соответствии с информацией, поступившей от пользователя (при этом используются данные файла „/etc/passwd“). В заключение программа login инициирует запуск командного процессора shell, который будет исполняться под указанными пользовательскими кодами идентификации.
Примером setuid-программы является программа, реализующая команду mkdir. В разделе 5.8 уже говорилось о том, что создать каталог может только процесс, выполняющийся под управлением суперпользователя. Для того, чтобы предоставить возможность создания каталогов простым пользователям, команда mkdir была выполнена в виде setuid-программы, принадлежащей корню системы и имеющей права суперпользователя. На время исполнения команды mkdir процесс получает права суперпользователя, создает каталог, используя функцию mknod, и предоставляет права собственности и доступа к каталогу истинному пользователю процесса.

ГЛАВА 8. ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ И ЕЕ ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В системе разделения времени ядро предоставляет процессу ресурсы центрального процессора (ЦП) на интервал времени, называемый квантом, по истечении которого выгружает этот процесс и запускает другой, периодически переупорядочивая очередь процессов. Алгоритм планирования процессов в системе UNIX использует время выполнения в качестве параметра. Каждый активный процесс имеет приоритет планирования; ядро переключает контекст на процесс с наивысшим приоритетом. При переходе выполняющегося процесса из режима ядра в режим задачи ядро пересчитывает его приоритет, периодически и в режиме задачи переустанавливая приоритет каждого процесса, готового к выполнению.
Информация о времени, связанном с выполнением, нужна также и некоторым из пользовательских процессов: используемая ими, например, команда time позволяет узнать, сколько времени занимает выполнение другой команды, команда date выводит текущую дату и время суток. С помощью различных системных функций процессы могут устанавливать или получать временные характеристики выполнения в режиме ядра, а также степень загруженности центрального процессора. Время в системе поддерживается с помощью аппаратных часов, которые посылают ЦП прерывания с фиксированной, аппаратно-зависимой частотой, обычно 50-100 раз в секунду. Каждое поступление прерывания по таймеру (часам) именуется таймерным тиком. В настоящей главе рассматриваются особенности реализации процессов во времени, включая планирование процессов в системе UNIX, описание связанных со временем системных функций, а также функций, выполняемых программой обработки прерываний по таймеру.

8.1 ПЛАНИРОВАНИЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ

Планировщик процессов в системе UNIX принадлежит к общему классу планировщиков, работающих по принципу "карусели с многоуровневой обратной связью". В соответствии с этим принципом ядро предоставляет процессу ресурсы ЦП на квант времени, по истечении которого выгружает этот процесс и возвращает его в одну из нескольких очередей, регулируемых приоритетами. Прежде чем процесс завершится, ему может потребоваться множество раз пройти через цикл с обратной связью. Когда ядро выполняет переключение контекста и восстанавливает контекст процесса, процесс возобновляет выполнение с точки приостанова.

8.1.1 Алгоритм

Сразу после переключения контекста ядро запускает алгоритм планирования выполнения процессов (Рисунок 8.1), выбирая на выполнение процесс с наивысшим приоритетом среди процессов, находящихся в состояниях "резервирования" и "готовности к выполнению, будучи загруженным в память". Рассматривать процессы, не загруженные в память, не имеет смысла, поскольку не будучи загружен, процесс не может выполняться. Если наивысший приоритет имеют сразу несколько процессов, ядро, используя принцип кольцевого списка (карусели), выбирает среди них тот процесс, который находится в состоянии "готовности к выполнению" дольше остальных. Если ни один из процессов не может быть выбран для выполнения, ЦП простаивает до момента получения следующего прерывания, которое произойдет не позже чем через один таймерный тик; после обработки этого прерывания ядро снова запустит алгоритм планирования.
  алгоритм schedule_process
  входная информация: отсутствует
  выходная информация: отсутствует
  {
   выполнять пока (для запуска не будет выбран один из процессов)   {
    for (каждого процесса в очереди готовых к выполнению)
     выбрать процесс с наивысшим приоритетом из загруженных в память;
    if (ни один из процессов не может быть избран для выполнения)
     приостановить машину;
   /* машина выходит из состояния простоя по прерыванию */
   }
   удалить выбранный процесс из очереди готовых к выполнению;
   переключиться на контекст выбранного процесса, возобновить его выполнение;
  }
  Рисунок 8.1. Алгоритм планирования выполнения процессов

8.1.2 Параметры диспетчеризации

В каждой записи таблицы процессов есть поле приоритета, используемое планировщиком процессов. Приоритет процесса в режиме задачи зависит от того, как этот процесс перед этим использовал ресурсы ЦП. Можно выделить два класса приоритетов процесса (Рисунок 8.2): приоритеты выполнения в режиме ядра и приоритеты выполнения в режиме задачи. Каждый класс включает в себя ряд значений, с каждым значением логически ассоциирована некоторая очередь процессов. Приоритеты выполнения в режиме задачи оцениваются для процессов, выгруженных по возвращении из режима ядра в режим задачи, приоритеты выполнения в режиме ядра имеют смысл только в контексте алгоритма sleep. Приоритеты выполнения в режиме задачи имеют верхнее пороговое значение, приоритеты выполнения в режиме ядра имеют нижнее пороговое значение. Среди приоритетов выполнения в режиме ядра далее можно выделить высокие и низкие приоритеты: процессы с низким приоритетом возобновляются по получении сигнала, а процессы с высоким приоритетом продолжают оставаться в состоянии приостанова (см. раздел 7.2.1).
Пороговое значение между приоритетами выполнения в режимах ядра и задачи на Рисунке 8.2 отмечено двойной линией, проходящей между приоритетом ожидания завершения потомка (в режиме ядра) и нулевым приоритетом выполнения в режиме задачи. Приоритеты процесса подкачки, ожидания ввода-вывода, связанного с диском, ожидания буфера и индекса являются высокими, не допускающими прерывания системными приоритетами, с каждым из которых связана очередь из 1, 3, 2 и 1 процесса, соответственно, в то время как приоритеты ожидания ввода с терминала, вывода на терминал и завершения потомка являются низкими, допускающими прерывания системными приоритетами, с каждым из которых связана очередь из 4, 0 и 2 процессов, соответственно. На рисунке представлены также уровни приоритетов выполнения в режиме задачи [24] .
Ядро вычисляет приоритет процесса в следующих случаях:
• Непосредственно перед переходом процесса в состояние приостанова ядро назначает ему приоритет исходя из причины приостанова. Приоритет не зависит от динамических характеристик процесса (продолжительности ввода-вывода или времени счета), напротив, это постоянная величина, жестко устанавливаемая в момент приостанова и зависящая только от причины перехода процесса в данное состояние. Процессы, приостановленные алгоритмами низкого уровня, имеют тенденцию порождать тем больше узких мест в системе, чем дольше они находятся в этом состоянии; поэтому им назначается более высокий приоритет по сравнению с остальными процессами. Например, процесс, приостановленный в ожидании завершения ввода-вывода, связанного с диском, имеет более высокий приоритет по сравнению с процессом, ожидающим освобождения буфера, по нескольким причинам. Прежде всего, у первого процесса уже есть буфер, поэтому не исключена возможность, что когда он возобновится, он успеет освободить и буфер, и другие ресурсы. Чем больше ресурсов свободно, тем меньше шансов для возникновения взаимной блокировки процессов. Системе не придется часто переключать контекст, благодаря чему сократится время реакции процесса и увеличится производительность системы. Во-вторых, буфер, освобождения которого ожидает процесс, может быть занят процессом, ожидающим в свою очередь завершения ввода-вывода. По завершении ввода-вывода будут возобновлены оба процесса, поскольку они были приостановлены по одному и тому же адресу. Если первым запустить на выполнение процесс, ожидающий освобождения буфера, он в любом случае снова приостановится до тех пор, пока буфер не будет освобожден; следовательно, его приоритет должен быть ниже.
• По возвращении процесса из режима ядра в режим задачи ядро вновь вычисляет приоритет процесса. Процесс мог до этого находиться в состоянии приостанова, изменив свой приоритет на приоритет выполнения в режиме ядра, поэтому при переходе процесса из режима ядра в режим задачи ему должен быть возвращен приоритет выполнения в режиме задачи. Кроме того, ядро "штрафует" выполняющийся процесс в пользу остальных процессов, отбирая используемые им ценные системные ресурсы.
• Приоритеты всех процессов в режиме задачи с интервалом в 1 секунду (в версии V) пересчитывает программа обработки прерываний по таймеру, побуждая тем самым ядро выполнять алгоритм планирования, чтобы не допустить монопольного использования ресурсов ЦП одним процессом.
  Рисунок 8.2. Диапазон приоритетов процесса
В течение кванта времени таймер может послать процессу несколько прерываний; при каждом прерывании программа обработки прерываний по таймеру увеличивает значение, хранящееся в поле таблицы процессов, которое описывает продолжительность использования ресурсов центрального процессора (ИЦП). В версии V каждую секунду программа обработки прерываний переустанавливает значение этого поля, используя функцию полураспада (decay):
decay(ИЦП) = ИЦП/2;
После этого программа пересчитывает приоритет каждого процесса, находящегося в состоянии "зарезервирован, но готов к выполнению", по формуле
приоритет = (ИЦП/2) + (базовый уровень приоритета задачи)
где под "базовым уровнем приоритета задачи" понимается пороговое значение, расположенное между приоритетами выполнения в режимах ядра и задачи. Высокому приоритету планирования соответствует количественно низкое значение. Анализ функций пересчета продолжительности использования ресурсов ЦП и приоритета процесса показывает: чем ниже скорость полураспада значения ИЦП, тем медленнее приоритет процесса достигает значение базового уровня; поэтому процессы в состоянии "готовности к выполнению" имеют тенденцию занимать большое число уровней приоритетов.
Результатом ежесекундного пересчета приоритетов является перемещение процессов, находящихся в режиме задачи, от одной очереди к другой, как показано на Рисунке 8.3. По сравнению с Рисунком 8.2 один процесс перешел из очереди, соответствующей уровню 1, в очередь, соответствующую нулевому уровню. В реальной системе все процессы, имеющие приоритеты выполнения в режиме задачи, поменяли бы свое местоположение в очередях. При этом следует указать на невозможность изменения приоритета процесса в режиме ядра, а также на невозможность пересечения пороговой черты процессами, выполняющимися в режиме задачи, до тех пор, пока они не обратятся к операционной системе и не перейдут в состояние приостанова.
Ядро стремится производить пересчет приоритетов всех активных процессов ежесекундно, однако интервал между моментами пересчета может слегка варьироваться. Если прерывание по таймеру поступило тогда, когда ядро исполняло критический отрезок программы (другими словами, в то время, когда приоритет работы ЦП был повышен, но, очевидно, не настолько, чтобы воспрепятствовать прерыванию данного типа), ядро не пересчитывает приоритеты, иначе ему пришлось бы надолго задержаться на критическом отрезке. Вместо этого ядро запоминает то, что ему следует произвести пересчет приоритетов, и делает это при первом же прерывании по таймеру, поступающем после снижения приоритета работы ЦП. Периодический пересчет приоритета процессов гарантирует проведение стратегии планирования, основанной на использовании кольцевого списка процессов, выполняющихся в режиме задачи. При этом конечно же ядро откликается на интерактивные запросы таких программ, как текстовые редакторы или программы форматного ввода: процессы, их реализующие, имеют высокий коэффициент простоя (отношение времени простоя к продолжительности использования ЦП) и поэтому естественно было бы повышать их приоритет, когда они готовы для выполнения (см. [Thompson 78], стр.1937). В других механизмах планирования квант времени, выделяемый процессу на работу с ресурсами ЦП, динамически изменяется в интервале между 0 и 1 сек. в зависимости от степени загрузки системы. При этом время реакции на запросы процессов может сократиться за счет того, что на ожидание момента запуска процессам уже не нужно отводить по целой секунде; однако, с другой стороны, ядру приходится чаще прибегать к переключению контекстов.
  Рисунок 8.3. Переход процесса из одной очереди в другую

8.1.3 Примеры диспетчеризации процессов

На Рисунке 8.4 показана динамика изменений приоритетов процессов A, B и C в версии V при следующих допущениях: все эти процессы были созданы с первоначальным приоритетом 60, который является наивысшим приоритетом выполнения в режиме задачи, прерывания по таймеру поступают 60 раз в секунду, процессы не используют вызов системных функций, в системе нет других процессов, готовых к выполнению. Ядро вычисляет полураспад показателя ИЦП по формуле:
ИЦП = decay(ИЦП) = ИЦП/2;
а приоритет процесса по формуле:
приоритет = (ИЦП/2) + 60;
Если предположить, что первым запускается процесс A и ему выделяется квант времени, он выполняется в течение 1 секунды: за это время таймер посылает системе 60 прерываний и столько же раз программа обработки прерываний увеличивает для процесса A значение поля, содержащего показатель ИЦП (с 0 до 60). По прошествии секунды ядро переключает контекст и, произведя пересчет приоритетов для всех процессов, выбирает для выполнения процесс B. В течение следующей секунды программа обработки прерываний по таймеру 60 раз повышает значение поля ИЦП для процесса B, после чего ядро пересчитывает параметры диспетчеризации для всех процессов и вновь переключает контекст. Процедура повторяется многократно, сопровождаясь поочередным запуском процессов на выполнение.
  Рисунок 8.4. Пример диспетчеризации процессов
Теперь рассмотрим процессы с приоритетами, приведенными на Рисунке 8.5, и предположим, что в системе имеются и другие процессы. Ядро может выгрузить процесс A, оставив его в состоянии "готовности к выполнению", после того, как он получит подряд несколько квантов времени для работы с ЦП и снизит таким образом свой приоритет выполнения в режиме задачи (Рисунок 8.5а). Через некоторое время после запуска процесса A в состояние "готовности к выполнению" может перейти процесс B, приоритет которого в тот момент окажется выше приоритета процесса A (Рисунок 8.5б). Если ядро за это время не запланировало к выполнению любой другой процесс (из тех, что не показаны на рисунке), оба процесса (A и B) при известных обстоятельствах могут на некоторое время оказаться на одном уровне приоритетности, хотя процесс B попадет на этот уровень первым из-за того, что его первоначальный приоритет был ближе (Рисунок 8.5в и 8.5 г). Тем не менее, ядро запустит процесс A впереди процесса B, поскольку процесс A находился в состоянии "готовности к выполнению" более длительное время (Рисунок 8.5д) — это решающее условие, если выбор производится из процессов с одинаковыми приоритетами.
В разделе 6.4.3 уже говорилось о том, что ядро запускает процесс на выполнение после переключения контекста: прежде чем перейти в состояние приостанова или завершить свое выполнение процесс должен переключить контекст, кроме того он имеет возможность переключать контекст в момент перехода из режима ядра в режим задачи. Ядро выгружает процесс, который собирается перейти в режим задачи, если имеется готовый к выполнению процесс с более высоким приоритетом. Такая ситуация возникает, если ядро вывело из состояния приостанова процесс с приоритетом, превышающим приоритет текущего процесса, или если в результате обработки прерывания по таймеру изменились приоритеты всех готовых к выполнению процессов. В первом случае текущий процесс не может выполняться в режиме задачи, поскольку имеется процесс с более высоким приоритетом выполнения в режиме ядра. Во втором случае программа обработки прерываний по таймеру решает, что процесс использовал выделенный ему квант времени, и поскольку множество процессов при этом меняют свои приоритеты, ядро выполняет переключение контекста.

8.1.4 Управление приоритетами

Процессы могут управлять своими приоритетами с помощью системной функции nice:
nice(value);
где value — значение, в процессе пересчета прибавляемое к приоритету процесса:
приоритет = (ИЦП/константа) + (базовый приоритет) + (значение nice)
Системная функция nice увеличивает или уменьшает значение поля nice в таблице процессов на величину параметра функции, при этом только суперпользователю дозволено указывать значения, увеличивающие приоритет процесса. Кроме того, только суперпользователь может указывать значения, лежащие ниже определенного порога. Пользователи, вызывающие системную функцию nice для того, чтобы понизить приоритет во время выполнения интенсивных вычислительных работ, "удобны, приятны" (nice) для остальных пользователей системы, отсюда название функции. Процессы наследуют значение nice у своего родителя при выполнении системной функции fork. Функция nice действует только для выполняющихся процессов; процесс не может сбросить значение nice у другого процесса. С практической точки зрения это означает, что если администратору системы понадобилось понизить приоритеты различных процессов, требующих для своего выполнения слишком много времени, у него не будет другого способа сделать это быстро, кроме как вызвать функцию удаления (kill) для всех них сразу.
  Рисунок 8.5. Планирование на основе кольцевого списка и приоритеты процессов

8.1.5 Планирование на основе справедливого раздела

Вышеописанный алгоритм планирования не видит никакой разницы между пользователями различных классов (категорий). Другими словами, невозможно выделить определенной совокупности процессов, например, половину сеанса работы с ЦП. Тем не менее, такая возможность имеет важное значение для организации работы в условиях вычислительного центра, где группа пользователей может пожелать купить только половину машинного времени на гарантированной основе и с гарантированным уровнем реакции. Здесь мы рассмотрим схему, именуемую "Планированием на основе справедливого раздела" (Fair Share Scheduler) и реализованную на вычислительном центре Indian Hill фирмы AT&T Bell Laboratories [Henry 84].
Принцип "планирования на основе справедливого раздела" состоит в делении совокупности пользователей на группы, являющиеся объектами ограничений, накладываемых обычным планировщиком на обработку процессов из каждой группы. При этом система выделяет время ЦП пропорционально числу групп, вне зависимости от того, сколько процессов выполняется в группе. Пусть, например, в системе имеются четыре планируемые группы, каждая из которых загружает ЦП на 25 % и содержит, соответственно, 1, 2, 3 и 4 процесса, реализующих счетные задачи, которые никогда по своей воле не уступят ЦП. При условии, что в системе больше нет никаких других процессов, каждый процесс при использовании традиционного алгоритма планирования получил бы 10 % времени ЦП (поскольку всего процессов 10 и между ними не делается никаких различий). При использовании алгоритма планирования на основе справедливого раздела процесс из первой группы получит в два раза больше времени ЦП по сравнению с каждым процессом из второй группы, в 3 раза больше по сравнению с каждым процессом из третьей группы и в 4 раза больше по сравнению с каждым процессом из четвертой. В этом примере всем процессам в группе выделяется равное время, поскольку продолжительность цикла, реализуемого каждым процессом, заранее не установлена.
Реализация этой схемы довольно проста, что и делает ее привлекательной. В формуле расчета приоритета процесса появляется еще один термин — "приоритет группы справедливого раздела". В пространстве процесса также появляется новое поле, описывающее продолжительность ИЦП на основе справедливого раздела, общую для всех процессов из группы. Программа обработки прерываний по таймеру увеличивает значение этого поля для текущего процесса и ежесекундно пересчитывает значения соответствующих полей для всех процессов в системе. Новая компонента формулы вычисления приоритета процесса представляет собой нормализованное значение ИЦП для каждой группы. Чем больше процессорного времени выделяется процессам группы, тем выше значение этого показателя и ниже приоритет.
В качестве примера рассмотрим две группы процессов (Рисунок 8.6), в одной из которых один процесс (A), в другой — два (B и C). Предположим, что ядро первым запустило на выполнение процесс A, в течение секунды увеличивая соответствующие этому процессу значения полей, описывающих индивидуальное и групповое ИЦП. В результате пересчета приоритетов по истечении секунды процессы B и C будут иметь наивысшие приоритеты. Допустим, что ядро выбирает на выполнение процесс B. В течение следующей секунды значение поля ИЦП для процесса B поднимается до 60, точно такое же значение принимает поле группового ИЦП для процессов B и C. Таким образом, по истечении второй секунды процесс C получит приоритет, равный 75 (сравните с Рисунком 8.4), и ядро запустит на выполнение процесс A с приоритетом 74. Дальнейшие действия можно проследить на рисунке: ядро по очереди запускает процессы A, B, A, C, A, B и т. д.

8.1.6 Работа в режиме реального времени

Режим реального времени подразумевает возможность обеспечения достаточной скорости реакции на внешние прерывания и выполнения отдельных процессов в темпе, соизмеримом с частотой возникновения вызывающих прерывания событий. Примером системы, работающей в режиме реального времени, может служить система управления жизнеобеспечением пациентов больниц, мгновенно реагирующая на изменение состояния пациента. Процессы, подобные текстовым редакторам, не считаются процессами реального времени: в них быстрая реакция на действия пользователя является желательной, но не необходимой (ничего страшного не произойдет, если пользователь, выполняющий редактирование текста, подождет ответа несколько лишних секунд, хотя у пользователя на этот счет могут быть и свои соображения). Вышеописанные алгоритмы планирования выполнения процессов предназначены специально для использования в системах разделения времени и не годятся для условий работы в режиме реального времени, поскольку не гарантируют запуск ядром каждого процесса в течение фиксированного интервала времени, позволяющего говорить о взаимодействии вычислительной системы с процессами в темпе, соизмеримом со скоростью протекания этих процессов. Другой помехой в поддержке работы в режиме реального времени является невыгружаемость ядра; ядро не может планировать выполнение процесса реального времени в режиме задачи, если оно уже исполняет другой процесс в режиме ядра, без внесения в работу существенных изменений. В настоящее время системным программистам приходится переводить процессы реального времени в режим ядра, чтобы обеспечить достаточную скорость реакции. Правильное решение этой проблемы — дать таким процессам возможность динамического протекания (другими словами, они не должны быть встроены в ядро) с предоставлением соответствующего механизма, с помощью которого они могли бы сообщать ядру о своих нуждах, вытекающих из особенностей работы в режиме реального времени. На сегодняшний день в стандартной системе UNIX такая возможность отсутствует.
  Рисунок 8.6. Пример планирования на основе справедливого раздела, в котором используются две группы с тремя процессами

8.2 СИСТЕМНЫЕ ОПЕРАЦИИ, СВЯЗАННЫЕ СО ВРЕМЕНЕМ

Существует несколько системных функций, имеющих отношение к времени протекания процесса: stime, time, times и alarm. Первые две имеют дело с глобальным системным временем, последние две — с временем выполнения отдельных процессов.
Функция stime дает суперпользователю возможность заносить в глобальную переменную значение глобальной переменной. Выбирается время из этой переменной с помощью функции time:
time(tloc);
где tloc — указатель на переменную, принадлежащую процессу, в которую заносится возвращаемое функцией значение. Функция возвращает это значение и из самой себя, например, команде date, которая вызывает эту функцию, чтобы определить текущее время.
Функция times возвращает суммарное время выполнения процесса и всех его потомков, прекративших существование, в режимах ядра и задачи. Синтаксис вызова функции:
times(tbuffer)
struct tms *tbuffer;
где tms — имя структуры, в которую помещаются возвращаемые значения и которая описывается следующим образом:
struct tms {
/* time_t — имя структуры данных, в которой хранится время */
 time_t tms_utime; /* время выполнения процесса в режиме задачи */
 time_t tms_stime; /* время выполнения процесса в режиме ядра */
 time_t tms_cutime; /* время выполнения потомков в режиме задачи */
 time_t tms_cstime; /* время выполнения потомков в режиме ядра */
};
Функция times возвращает время, прошедшее "с некоторого произвольного момента в прошлом", как правило, с момента загрузки системы.
  #include ‹sys/types.h›
  #include ‹sys/times.h›
  extern long times();
  main() {
   int i;
   /* tms — имя структуры данных, состоящей из 4 элементов */
   struct tms pb1, pb2;
   long pt1, pt2;
   pt1 = times(&pb1);
   for (i = 0; i ‹ 10; i++) if (fork() == 0) child(i);
   for (i = 0; i ‹ 10; i++) wait((int*) 0);
   pt2 = times(&pb2);
   printf("процесс-родитель: реальное время %u в режиме задачи %u в режиме ядра %u потомки: в режиме задачи %u в режиме ядра %u\n",
          pt2 - pt1, pb2.tms_utime - pb1.tms_utime, pb2.tms_stime - pb1.tms_stime, pb2.tms_cutime - pb1.tms_cutime, pb2.tms_cstime - pb1.tms_cstime);
  }
  child(n)
  int n;
  {
   int i;
   struct tms cb1, cb2;
   long t1, t2;
   t1 = times(&cb1);
   for (i = 0; i ‹ 10000; i++);
   t2 = times(&cb2);
   printf("потомок %d: реальное время %u в режиме задачи %u в режиме ядра %u\n",
            n, t2 - t1, cb2.tms_utime - cb1.tms_utime, cb2.tms_stime - cb1.tms_stime);
   exit();
  }
  Рисунок 8.7. Пример программы, использующей функцию times
На Рисунке 8.7 приведена программа, в которой процесс-родитель создает 10 потомков, каждый из которых 10000 раз выполняет пустой цикл. Процесс-родитель обращается к функции times перед созданием потомков и после их завершения, в свою очередь потомки вызывают эту функцию перед началом цикла и после его завершения. Кто-то по наивности может подумать, что время выполнения потомков процесса в режимах задачи и ядра равно сумме соответствующих слагаемых каждого потомка, а реальное время процесса-родителя является суммой реального времени его потомков. Однако, время выполнения потомков не включает в себя время, затраченное на исполнение системных функций fork и exit, кроме того оно может быть искажено за счет обработки прерываний и переключений контекста.
С помощью системной функции alarm пользовательские процессы могут инициировать посылку сигналов тревоги ("будильника") через кратные промежутки времени. Например, программа на Рисунке 8.8 каждую минуту проверяет время доступа к файлу и, если к файлу было произведено обращение, выводит соответствующее сообщение. Для этого в цикле, с помощью функции stat, устанавливается момент последнего обращения к файлу и, если оно имело место в течение последней минуты, выводится сообщение. Затем процесс с помощью функции signal делает распоряжение принимать сигналы тревоги, с помощью функции alarm задает интервал между сигналами в 60 секунд и с помощью функции pause приостанавливает свое выполнение до момента получения сигнала. Через 60 секунд сигнал поступает, ядро подготавливает стек задачи к вызову функции обработки сигнала wakeup, функция возвращает управление на оператор, следующий за вызовом функции pause, и процесс исполняет цикл вновь.
Все перечисленные функции работы с временем протекания процесса объединяет то, что они опираются на показания системных часов (таймера). Обрабатывая прерывания по таймеру, ядро обращается к различным таймерным счетчикам и инициирует соответствующее действие.

8.3 ТАЙМЕР

В функции программы обработки прерываний по таймеру входит:
• перезапуск часов,
• вызов на исполнение функций ядра, использующих встроенные часы,
• поддержка возможности профилирования выполнения процессов в режимах ядра и задачи;
• сбор статистики о системе и протекающих в ней процессах,
• слежение за временем,
• посылка процессам сигналов "будильника" по запросу,
• периодическое возобновление процесса подкачки (см. следующую главу),
• управление диспетчеризацией процессов.
Некоторые из функций реализуются при каждом прерывании по таймеру, другие — по прошествии нескольких таймерных тиков. Программа обработки прерываний по таймеру запускается с высоким приоритетом обращения к процессору, не допуская во время работы возникновения других внешних событий (таких как прерывания от периферийных устройств). Поэтому программа обработки прерываний по таймеру работает очень быстро, за максимально-короткое время пробегая свои критические отрезки, которые должны выполняться без прерываний со стороны других процессов. Алгоритм обработки прерываний по таймеру приведен на Рисунке 8.9.
  #include ‹sys/types.h›
  #include ‹sys/stat.h›
  #include ‹sys/signal.h›
  main(argc, argv)
  int argc;
  char *argv[];
  {
   extern unsigned alarm();
   extern wakeup();
   struct stat statbuf;
   time_t axtime;
   if (argc != 2) {
    printf("только 1 аргумент\n");
    exit();
   }
   axtime = (time_t) 0;
   for (; {
     /* получение значения времени доступа к файлу */
    if (stat(argv[1], &statbuf) == -1) {
     printf("файла с именем %s нет\n", argv[1]);
     exit();
    }
    if (axtime != statbuf.st_atime) {
     printf("к файлу %s было обращение\n", argv[1]);
     axtime = statbuf.st_atime;
    }
    signal(SIGALRM, wakeup); /* подготовка к приему сигнала */
    alarm(60);
    pause(); /* приостанов до получения сигнала */
   }
  }
   wakeup() {}
  Рисунок 8.8. Программа, использующая системную функцию alarm
  алгоритм clock
  входная информация: отсутствует
  выходная информация: отсутствует
  {
   перезапустить часы; /* чтобы они снова посылали прерывания */
   if (таблица ответных сигналов не пуста)   {
    установить время для ответных сигналов;
    запустить функцию callout, если время истекло;
   }
   if (профилируется выполнение в режиме ядра)
    запомнить значение счетчика команд в момент прерывания;
   if (профилируется выполнение в режиме задачи)
    запомнить значение счетчика команд в момент прерывания;
   собрать статистику о самой системе;
   собрать статистику о протекающих в системе процессах;
   выверить значение продолжительности ИЦП процессом;
   if (прошла 1 секунда или более и исполняется отрезок, не являющийся критическим)   {
    for (всех процессов в системе)   {
     установить "будильник", если он активен;
     выверить значение продолжительности ИЦП;
     if (процесс будет исполняться в режиме задачи) выверить приоритет процесса;
    }
    возобновить в случае необходимости выполнение процесса подкачки;
   }
  }
  Рисунок 8.9. Алгоритм обработки прерываний по таймеру

8.3.1 Перезапуск часов

В большинстве машин после получения прерывания по таймеру требуется программными средствами произвести перезапуск часов, чтобы они по прошествии интервала времени могли вновь прерывать работу процессора. Такие средства являются машинно-зависимыми и мы их рассматривать не будем.

8.3.2 Внутренние системные тайм-ауты

Некоторым из процедур ядра, в частности драйверам устройств и сетевым протоколам, требуется вызов функций ядра в режиме реального времени. Например, процесс может перевести терминал в режим ввода без обработки символов, при котором ядро выполняет запросы пользователя на чтение с терминала через фиксированные промежутки времени, не дожидаясь, когда пользователь нажмет клавишу "возврата каретки" (см.раздел 10.3.3). Ядро хранит всю необходимую информацию в таблице ответных сигналов (Рисунок 8.9), в том числе имя функции, запускаемой по истечении интервала времени, параметр, передаваемый этой функции, а также продолжительность интервала (в таймерных тиках) до момента запуска функции.
Пользователь не имеет возможности напрямую контролировать записи в таблице ответных сигналов; для работы с ними существуют различные системные алгоритмы. Ядро сортирует записи в этой таблице в соответствии с величиной интервала до момента запуска функций. В связи с этим для каждой записи таблицы запоминается не общая продолжительность интервала, а только промежуток времени между моментами запуска данной и предыдущей функций. Общая продолжительность интервала до момента запуска функции складывается из промежутков времени между моментами запуска всех функций, начиная с первой и вплоть до текущей.
  Рисунок 8.10. Включение новой записи в таблицу ответных сигналов
На Рисунке 8.10 приведен пример добавления новой записи в таблицу ответных сигналов. (К отрицательному значению поля "время до запуска" для функции a мы вернемся несколько позже). Создавая новую запись, ядро отводит для нее надлежащее место и соответствующим образом переустанавливает значение поля "время до запуска" в записи, следующей за добавляемой. Судя по рисунку, ядро собирается запустить функцию f через 5 таймерных тиков: оно отводит место для нее в таблице сразу после функции b и заносит в поле "время до запуска" значение, равное 2 (тогда сумма значений этих полей для функций b и f составит 5), и меняет "время до запуска" функции c на 8 (при этом функция c все равно запускается через 13 таймерных тиков). В одних версиях ядро пользуется связным списком указателей на записи таблицы ответных сигналов, в других меняет положение записей при корректировке таблицы. Последний способ требует значительно меньших издержек при условии, что ядро не будет слишком часто обращаться к таблице.
При каждом поступлении прерывания по таймеру программа обработки прерывания проверяет наличие записей в таблице ответных сигналов и в случае их обнаружения уменьшает значение поля "время до запуска" в первой записи. Способ хранения продолжительности интервалов до момента запуска каждой функции, выбранный ядром, позволяет, уменьшив значение поля "время до запуска" в одной только первой записи, соответственно уменьшить продолжительность интервала до момента запуска функций, описанных во всех записях таблицы. Если в указанном поле первой записи хранится отрицательное или нулевое значение, соответствующую функцию следует запустить. Программа обработки прерываний по таймеру не запускает функцию немедленно, таким образом она не блокирует возникновение последующих прерываний данного типа. Текущий приоритет работы процессора вроде бы не позволяет таким прерываниям вмешиваться в выполнение процесса, однако ядро не имеет представления о том, сколько времени потребуется на исполнение функции. Казалось бы, если функция выполняется дольше одного таймерного тика, все последующие прерывания должны быть заблокированы. Вместо этого, программа обработки прерываний в типичной ситуации оформляет вызов функции как "программное прерывание", порождаемое выполнением отдельной машинной команды. Поскольку среди всех прерываний программные прерывания имеют самый низкий приоритет, они блокируются, пока ядро не закончит обработку всех остальных прерываний. С момента завершения подготовки к запуску функции и до момента возникновения вызываемого запуском функции программного прерывания может произойти множество прерываний, в том числе и программных, в таком случае в поле "время до запуска", принадлежащее первой записи таблицы, будет занесено отрицательное значение. Когда же наконец программное прерывание происходит, программа обработки прерываний убирает из таблицы все записи с истекшими значениями полей "время до запуска" и вызывает соответствующую функцию.
Поскольку в указанном поле в начальных записях таблицы может храниться отрицательное или нулевое значение, программа обработки прерываний должна найти в таблице первую запись с положительным значением поля и уменьшить его. Пусть, например, функции a соответствует "время до запуска", равное -2 (Рисунок 8.10), то есть перед тем, как функция a была выбрана на выполнение, система получила 2 прерывания по таймеру. При условии, что функция b 2 тика назад уже была в таблице, ядро пропускает запись, соответствующую функции a, и уменьшает значение поля "время до запуска" для функции b.

8.3.3 Построение профиля

Построение профиля ядра включает в себя измерение продолжительности выполнения системы в режиме задачи против режима ядра, а также продолжительности выполнения отдельных процедур ядра. Драйвер параметров ядра следит за относительной эффективностью работы модулей ядра, замеряя параметры работы системы в момент прерывания по таймеру. Драйвер параметров имеет список адресов ядра (главным образом, функций ядра); эти адреса ранее были загружены процессом путем обращения к драйверу параметров. Если построение профиля ядра возможно, программа обработки прерывания по таймеру запускает подпрограмму обработки прерываний, принадлежащую драйверу параметров, которая определяет, в каком из режимов — ядра или задачи — работал процессор в момент прерывания. Если процессор работал в режиме задачи, система построения профиля увеличивает значение параметра, описывающего продолжительность выполнения в режиме задачи, если же процессор работал в режиме ядра, система увеличивает значение внутреннего счетчика, соответствующего счетчику команд. Пользовательские процессы могут обращаться к драйверу параметров, чтобы получить значения параметров ядра и различную статистическую информацию.
  Рисунок 8.11. Адреса некоторых алгоритмов ядра
На Рисунке 8.11 приведены гипотетические адреса некоторых процедур ядра. Пусть в результате 10 измерений, проведенных в моменты поступления прерываний по таймеру, были получены следующие значения счетчика команд: 110, 330, 145, адрес в пространстве задачи, 125, 440, 130, 320, адрес в пространстве задачи и 104. Ядро сохранит при этом те значения, которые показаны на рисунке. Анализ этих значений показывает, что система провела 20 % своего времени в режиме задачи (user) и 50 % времени потратила на выполнение алгоритма bread в режиме ядра.
Если измерение параметров ядра выполняется в течение длительного периода времени, результаты измерений приближаются к истинной картине использования системных ресурсов. Тем не менее, описываемый механизм не учитывает время, потраченное на обработку прерываний по таймеру и выполнение процедур, блокирующих поступление прерываний данного типа, поскольку таймер не может прерывать выполнение критических отрезков программ и, таким образом, не может в это время обращаться к подпрограмме обработки прерываний драйвера параметров. В этом недостаток описываемого механизма, ибо критические отрезки программ ядра чаще всего наиболее важны для измерений. Следовательно, результаты измерения параметров ядра содержат определенную долю приблизительности. Уайнбергер [Weinberger 84] описал механизм включения счетчиков в главных блоках программы, таких как "if-then" и "else", с целью повышения точности измерения частоты их выполнения. Однако, данный механизм увеличивает время счета программ на 50-200 %, поэтому его использование в качестве постоянного механизма измерения параметров ядра нельзя признать рациональным.
На пользовательском уровне для измерения параметров выполнения процессов можно использовать системную функцию profil:
profil(buff, bufsize, offset, scale);
где buff — адрес массива в пространстве задачи, bufsize — размер массива, offset — виртуальный адрес подпрограммы пользователя (обычно, первой по счету), scale — способ отображения виртуальных адресов задачи на адрес массива. Ядро трактует аргумент "scale" как двоичную дробь с фиксированной точкой слева. Так, например, значение аргумента в шестнадцатиричной системе счисления, равное 0xffff, соответствует однозначному отображению счетчика команд на адреса массива, значение, равное 0x7fff, соответствует размещению в одном слове массива buff двух адресов программы, 0x3fff — четырех адресов программы и т. д. Ядро хранит параметры, передаваемые при вызове системной функции, в пространстве процесса. Если таймер прерывает выполнение процесса тогда, когда он находится в режиме задачи, программа обработки прерываний проверяет значение счетчика команд в момент прерывания, сравнивает его со значением аргумента offset и увеличивает содержимое ячейки памяти, адрес которой является функцией от bufsize и scale.
Рассмотрим в качестве примера программу, приведенную на Рисунке 8.12, измеряющую продолжительность выполнения функций f и g. Сначала процесс, используя системную функцию signal, делает указание при получении сигнала о прерывании вызывать функцию theend, затем он вычисляет диапазон адресов программы, в пределах которых будет производиться измерение продолжительности (начиная с адреса функции main и кончая адресом функции theend), и, наконец, запускает функцию profil, сообщая ядру о том, что он собирается начать измерение. В результате выполнения программы в течение 10 секунд на несильно загруженной машине AT&T 3B20 были получены данные, представленные на Рисунке 8.13. Адрес функции f превышает адрес начала профилирования на 204 байта; поскольку текст функции f имеет размер 12 байт, а размер целого числа в машине AT&T 3B20 равен 4 байтам, адреса функции f отображаются на элементы массива buf с номерами 51, 52 и 53. По такому же принципу адреса функции g отображаются на элементы buf c номерами 54, 55 и 56. Элементы buf с номерами 46, 48 и 49 предназначены для адресов, принадлежащих циклу функции main. В обычном случае диапазон адресов, в пределах которого выполняется измерение параметров, определяется в результате обращения к таблице идентификаторов для данной программы, где указываются адреса программных секций. Пользователи сторонятся функции profil из-за того, что она кажется им слишком сложной; вместо нее они используют при компиляции программ на языке Си параметр, сообщающий компилятору о необходимости сгенерировать код, следящий за ходом выполнения процессов.
  #include ‹signal.h›
  int buffer[4096];
  main() {
   int offset, endof, scale, eff, gee, text;
   extern theend(), f(), g();
   signal(SIGINT, theend);
   endof = (int) theend;
   offset = (int) main; /* вычисляется количество слов в тексте программы */
   text = (endof - offset + sizeof(int) - 1) / sizeof(int);
   scale = Oxffff;
   printf("смещение до начала %d до конца %d длина текста %d\n", offset, endof, text);
   eff = (int) f;
   gee = (int) g;
   printf("f %d g %d fdiff %d gdiff %d\n", eff ,gee, eff - offset, gee - offset);
   profil(buffer, sizeof(int) * text, offset, scale);
   for (; {
    f(); g();
   }
  }
  f() {}
  g() {}
  theend() {
   int i; 
   for (i = 0; i ‹ 4096; i++) if (buffer[i]) printf("buf[%d] = %d\n", i, buffer[i]);
   exit();
  }
  Рисунок 8.12. Программа, использующая системную функцию profil
смещение до начала 212 до конца 440 длина текста 57
f 416 g 428 fdiff 204 gdiff 216
buf[46] = 50
buf[48] = 8585216
buf[49] = 151
buf[51] = 12189799
buf[53] = 65
buf[54] = 10682455
buf[56] = 67
  Рисунок 8.13. Пример результатов выполнения программы, использующей системную функцию profil

8.3.4 Учет и статистика

В момент поступления прерывания по таймеру система может выполняться в режиме ядра или задачи, а также находиться в состоянии простоя (бездействия). Состояние простоя означает, что все процессы приостановлены в ожидании наступления события. Для каждого состояния процессора ядро имеет внутренние счетчики, устанавливаемые при каждом прерывании по таймеру. Позже пользовательские процессы могут проанализировать накопленную ядром статистическую информацию.
В пространстве каждого процесса имеются два поля для записи продолжительности времени, проведенного процессом в режиме ядра и задачи. В ходе обработки прерываний по таймеру ядро корректирует значение поля, соответствующего текущему режиму выполнения процесса. Процессы-родители собирают статистику о своих потомках при выполнении функции wait, беря за основу информацию, поступающую от завершающих свое выполнение потомков.
В пространстве каждого процесса имеется также одно поле для ведения учета использования памяти. В ходе обработки прерывания по таймеру ядро вычисляет общий объем памяти, занимаемый текущим процессом, исходя из размера частных областей процесса и его долевого участия в использовании разделяемых областей памяти. Если, например, процесс использует области данных и стека размером 25 и 40 Кбайт, соответственно, и разделяет с четырьмя другими процессами одну область команд размером 50 Кбайт, ядро назначает процессу 75 Кбайт памяти (50К/5 + 25К + 40К). В системе с замещением страниц ядро вычисляет объем используемой памяти путем подсчета числа используемых в каждой области страниц. Таким образом, если прерываемый процесс имеет две частные области и еще одну область разделяет с другим процессом, ядро назначает ему столько страниц памяти, сколько содержится в этих частных областях, плюс половину страниц, принадлежащих разделяемой области. Вся указанная информация отражается в учетной записи при завершении процесса и может быть использована для расчетов с заказчиками машинного времени.

8.3.5 Поддержание времени в системе

Ядро увеличивает показание системных часов при каждом прерывании по таймеру, измеряя время в таймерных тиках от момента загрузки системы. Это значение возвращается процессу через системную функцию time и дает возможность определять общее время выполнения процесса. Время первоначального запуска процесса сохраняется ядром в адресном пространстве процесса при исполнении системной функции fork, в момент завершения процесса это значение вычитается из текущего времени, результат вычитания и составляет реальное время выполнения процесса. В другой переменной таймера, устанавливаемой с помощью системной функции stime и корректируемой раз в секунду, хранится календарное время.

8.4 ВЫВОДЫ

В настоящей главе был описан основной алгоритм диспетчеризации процессов в системе UNIX. С каждым процессом в системе связывается приоритет планирования, значение которого появляется в момент перехода процесса в состояние приостанова и периодически корректируется программой обработки прерываний по таймеру. Приоритет, присваиваемый процессу в момент перехода в состояние приостанова, имеет значение, зависящее от того, какой из алгоритмов ядра исполнялся процессом в этот момент. Значение приоритета, присваиваемое процессу во время выполнения программой обработки прерываний по таймеру (или в тот момент, когда процесс возвращается из режима ядра в режим задачи), зависит от того, сколько времени процесс занимал ЦП: процесс получает низкий приоритет, если он обращался к ЦП, и высокий — в противном случае. Системная функция nice дает процессу возможность влиять на собственный приоритет путем добавления параметра, участвующего в пересчете приоритета. В главе были также рассмотрены системные функции, связанные с временем выполнения системы и протекающих в ней процессов: с установкой и получением системного времени, получением времени выполнения процессов и установкой сигналов "будильника". Кроме того, описаны функции программы обработки прерываний по таймеру, которая следит за временем в системе, управляет таблицей ответных сигналов, собирает статистику, а также подготавливает запуск планировщика процессов, программы подкачки и "сборщика" страниц. Программа подкачки и "сборщик" страниц являются объектами рассмотрения в следующей главе.

8.5 УПРАЖНЕНИЯ

1. При переводе процессов в состояние приостанова ядро назначает процессу, ожидающему снятия блокировки с индекса, более высокий приоритет по сравнению с процессом, ожидающим освобождения буфера. Точно так же, процессы, ожидающие ввода с терминала, получают более высокий приоритет по сравнению с процессами, ожидающими возможности производить вывод на терминал. Объясните причины такого поведения ядра.
*2.  В алгоритме обработки прерываний по таймеру предусмотрен пересчет приоритетов и перезапуск процессов на выполнение с интервалом в 1 секунду. Придумайте алгоритм, в котором интервал перезапуска динамически меняется в зависимости от степени загрузки системы. Перевесит ли выигрыш усилия по усложнению алгоритма?
3. В шестой редакции системы UNIX для расчета продолжительности ИЦП текущим процессом используется следующая формула:
decay(ИЦП) = max (пороговый приоритет, ИЦП-10);
а в седьмой редакции:
decay(ИЦП) =.8 * ИЦП;
Приоритет процесса в обеих редакциях вычисляется по формуле:
приоритет = ИЦП/16 + (базовый уровень приоритета);
Повторите пример на Рисунке 8.4, используя приведенные формулы.
4.Проделайте еще раз пример на Рисунке 8.4 с семью процессами вместо трех, а затем измените частоту прерываний по таймеру с 60 на 100 прерываний в секунду. Прокомментируйте результат.
5.Разработайте схему, в которой система накладывает ограничение на продолжительность выполнения процесса, при превышении которого процесс завершается. Каким образом пользователь должен отличать такой процесс от процессов, для которых не должны существовать подобные ограничения? Каким образом должна работать схема, если единственным условием является ее запуск из shell'а?
6. Когда процесс выполняет системную функцию wait и обнаруживает прекратившего существование потомка, ядро приплюсовывает к его ИЦП значение поля ИЦП потомка. Чем объясняется такое "наказание" процесса-родителя?
7. Команда nice запускает последующую команду с передачей ей указанного значения, например:
nice 6 nroff -mm big_memo › output
Напишите на языке Си программу, реализующую команду nice.
8. Проследите на примере Рисунка 8.4, каким образом будет осуществляться диспетчеризация процессов в том случае, если значение, передаваемое функцией nice для процесса A, равно 5 или -5.
9. Проведите эксперимент с системной функцией renice x y, где x — код идентификации процесса (активного), а y — новое значение nice для указанного процесса.
10. Вернемся к примеру, приведенному на Рисунке 8.6. Предположим, что группе, в которую входит процесс A, выделяется 33 % процессорного времени, а группе, в которую входит процесс B, — 66 % процессорного времени. В какой последовательности будут исполняться процессы? Обобщите алгоритм вычисления приоритетов таким образом, чтобы значение группового ИЦП усреднялось.
11. Выполните команду date. Команда без аргументов выводит текущую дату:
указав аргумент, например:
date mmddhhmmyy
(супер)пользователь может установить текущую дату в системе (соответственно, месяц, число, часы, минуты и год). Так,
date 0911205084
устанавливает в качестве текущего времени 11 сентября 1984 года 8:50 пополудни.
12. В программах можно использовать функцию пользовательского уровня sleep:
sleep(seconds);
с помощью которой выполнение программы приостанавливается на указанное число секунд. Разработайте ее алгоритм, в котором используйте системные функции alarm и pause. Что произойдет, если процесс вызовет функцию alarm раньше функции sleep? Рассмотрите две возможности: 1) действие ранее вызванной функции alarm истекает в то время, когда процесс находится в состоянии приостанова, 2) действие ранее вызванной функции alarm истекает после завершения функции sleep.
*13. Обратимся еще раз к последней проблеме. Ядро может выполнить переключение контекста во время исполнения функции sleep между вызовами alarm и pause. Тогда есть опасность, что процесс получит сигнал alarm до того, как вызовет функцию pause. Что произойдет в этом случае? Как вовремя распознать эту ситуацию?

9.2.1.1 Функция fork в системе с замещением страниц

Как уже говорилось в разделе 7.1, во время выполнения функции fork ядро создает копию каждой области родительского процесса и присоединяет ее к процессу-потомку. В системе с замещением страниц ядро по традиции создает физическую копию адресного пространства процесса-родителя, что в общем случае является довольно расточительной операцией, поскольку процесс часто после выполнения функции fork обращается к функции exec и незамедлительно освобождает только что скопированное пространство. Если область разделяемая, в версии V вместо копирования страницы ядро просто увеличивает значение счетчика ссылок на область (в таблице областей, в таблице страниц и в таблице pfdata). Тем не менее, для частных областей, таких как область данных и стека, ядро отводит в таблице областей и таблице страниц новую запись, после чего просматривает в таблице страниц все записи процесса-родителя: если запись верна, ядро увеличивает значение счетчика ссылок в таблице pfdata, отражающее количество процессов, использующих страницу через разные области (в отличие от тех процессов, которые используют данную страницу через разделяемую область). Если страница располагается на устройстве выгрузки, ядро увеличивает значение счетчика ссылок в таблице использования области подкачки.
  Рисунок 9.14. Взаимосвязь между структурами данных, участвующими в реализации механизма замещения страниц по обращению
Теперь на страницу могут ссылаться обе области, использующие эту страницу совместно, пока процесс не ведет на нее запись. Как только страница понадобится процессу для записи, ядро создаст ее копию, с тем, чтобы у каждой области была своя личная версия страницы. Для этого при выполнении функции fork в каждой записи таблицы страниц, соответствующей частным областям родителя и потомка, ядро устанавливает бит "копирования при записи". Если один из процессов попытается что-то записать на страницу, он получит отказ системы защиты, после чего для него будет создана новая копия содержимого страницы. Таким образом, физическое копирование страницы откладывается до того момента, когда в этом возникнет реальная потребность.
В качестве примера рассмотрим Рисунок 9.15. Процессы разделяют доступ к таблице страниц совместно используемой области команд T, поэтому значение счетчика ссылок на область равно 2, а на страницы области единице (в таблице pfdata). Ядро назначает процессу-потомку новую область данных C1, являющуюся копией области P1 процесса-родителя. Обе области используют одни и те же записи таблицы страниц, это видно на примере страницы с виртуальным адресом 97К. Этой странице в таблице pfdata соответствует запись с номером 613, счетчик ссылок в которой равен 2, ибо на страницу ссылаются две области.
  Рисунок 9.15. Адресация страниц, участвующих в процессе выполнения функции fork
В ходе выполнения функции fork в системе BSD создается физическая копия страниц родительского процесса. Однако, учитывая наличие ситуаций, в которых создание физической копии не является обязательным, в системе BSD существует также функция vfork, которая используется в том случае, если процесс сразу по завершении функции fork собирается запустить функцию exec. Функция vfork не копирует таблицы страниц, поэтому она работает быстрее, чем функция fork в версии V системы UNIX. Однако процесс-потомок при этом исполняется в тех же самых физических адресах, что и его родитель, и может поэтому затереть данные и стек родительского процесса. Если программист использует функцию vfork неверно, может возникнуть опасная ситуация, поэтому вся ответственность за ее использование возлагается на программиста. Различие в подходах к рассматриваемому вопросу в системах UNIX и BSD имеет философский характер, они дают разный ответ на один и тот же вопрос: следует ли ядру скрывать особенности реализации своих функций, превращая их в тайну для пользователей, или же стоит дать опытным пользователям возможность повысить эффективность выполнения системных операций?
  int global;
  main() {
   int local;
   local = 1;
   if (vfork() == 0) {   /* потомок */
    global = 2; /* запись в область данных родителя */
    local = 3; /* запись в стек родителя */
    _exit();
   }
   printf("global %d local %d\n",global,local);
  }
  Рисунок 9.16. Функция vfork и искажение информации процесса
В качестве примера рассмотрим программу, приведенную на Рисунке 9.16. После выполнения функции vfork процесс-потомок не запускает функцию exec, а переустанавливает значения переменных global и local и завершается [28] . Система гарантирует, что процесс-родитель приостанавливается до того момента, когда потомок исполнит функции exec или exit. Возобновив в конечном итоге свое выполнение, процесс-родитель обнаружит, что значения двух его переменных не совпадают с теми значениями, которые были у них до обращения к функции vfork! Еще больший эффект может произвести возвращение процесса-потомка из функции, вызвавшей функцию vfork (см. упражнение 9.8).

9.2.1.2 Функция exec в системе с замещением страниц

Как уже говорилось в главе 7, когда процесс обращается к системной функции exec, ядро считывает из файловой системы в память указанный исполняемый файл. Однако в системе с замещением страниц по запросу исполняемый файл, имеющий большой размер, может не уместиться в доступном пространстве основной памяти. Поэтому ядро не назначает ему сразу все пространство, а отводит место в памяти по мере надобности. Сначала ядро назначает файлу таблицы страниц и дескрипторы дисковых блоков, помечая страницы в записях таблиц как "заполняемые при обращении" (для всех данных, кроме имеющих тип bss) или "обнуляемые при обращении" (для данных типа bss). Считывая в память каждую страницу файла по алгоритму read, процесс получает ошибку из-за отсутствия (недоступности) данных. Подпрограмма обработки ошибок проверяет, является ли страница "заполняемой при обращении" (тогда ее содержимое будет немедленно затираться содержимым исполняемого файла и поэтому ее не надо очищать) или "обнуляемой при обращении" (тогда ее следует очистить). В разделе 9.2.3 мы увидим, как это происходит. Если процесс не может поместиться в памяти, "сборщик" страниц освобождает для него место, периодически откачивая из памяти неиспользуемые страницы.
В этой схеме видны явные недостатки. Во-первых, при чтении каждой страницы исполняемого файла процесс сталкивается с ошибкой из-за обращения к отсутствующей странице, пусть даже процесс никогда и не обращался к ней. Во-вторых, если после того, как "сборщик" страниц откачал часть страниц из памяти, была запущена функция exec, каждая только что выгруженная и вновь понадобившаяся страница потребует дополнительную операцию по ее загрузке. Чтобы повысить эффективность функции exec, ядро может востребовать страницу непосредственно из исполняемого файла, если данные в файле соответствующим образом настроены, что определяется значением т. н. "магического числа". Однако, использование стандартных алгоритмов доступа к файлу (например, bmap) потребовало бы при обращении к странице, состоящей из блоков косвенной адресации, больших затрат, связанных с многократным использованием буферного кэша для чтения каждого блока. Кроме того, функция bmap не является реентерабельной, отсюда возникает опасность нарушения целостности данных. Во время выполнения системной функции read ядро устанавливает в пространстве процесса значения различных параметров ввода-вывода. Если при попытке скопировать данные в пространство пользователя процесс столкнется с отсутствием нужной страницы, он, считывая страницу из файловой системы, может затереть содержащие эти параметры поля. Поэтому ядро не может прибегать к использованию обычных алгоритмов обработки ошибок данного рода. Конечно же алгоритмы должны быть в обычных случаях реентерабельными, поскольку у каждого процесса свое отдельное адресное пространство и процесс не может одновременно исполнять несколько системных функций.
Для того, чтобы считывать страницы непосредственно из исполняемого файла, ядро во время исполнения функции exec составляет список номеров дисковых блоков файла и присоединяет этот список к индексу файла. Работая с таблицами страниц такого файла, ядро находит дескриптор дискового блока, содержащего страницу, и запоминает номер блока внутри файла; этот номер позже используется при загрузке страницы из файла. На Рисунке 9.17 показан пример, в котором страница имеет адрес расположения в логическом блоке с номером 84 от начала файла. В области имеется указатель на индекс, в котором содержится номер соответствующего физического блока на диске (279).
  Рисунок 9.17. Отображение файла на область

9.2.2 "Сборщик" страниц

"Сборщик" страниц (page stealer) является процессом, принадлежащим ядру операционной системы и выполняющим выгрузку из памяти тех страниц, которые больше не входят в состав рабочего множества пользовательского процесса. Этот процесс создается ядром во время инициализации системы и запускается в любой момент, когда в нем возникает необходимость. Он просматривает все активные незаблокированные области и увеличивает значение "возраста" каждой принадлежащей им страницы (заблокированные области пропускаются, но впоследствии, по снятии блокировки, тоже будут учтены). Когда процесс при работе со страницей, принадлежащей области, получает ошибку, ядро блокирует область, чтобы "сборщик" не смог выгрузить страницу до тех пор, пока ошибка не будет обработана.
Страница в памяти может находиться в двух состояниях: либо "дозревать", не будучи еще готовой к выгрузке, либо быть готовой к выгрузке и доступной для привязки к другим виртуальным страницам. Первое состояние означает, что процесс обратился к странице и поэтому страница включена в его рабочее множество. При обращении к странице в некоторых машинах аппаратно устанавливается бит упоминания, если же эта операция не выполняется, соответственно, и программные методы скорее всего используются другие (раздел 9.2.4). Если страница находится в первом состоянии, "сборщик" сбрасывает бит упоминания в ноль, но запоминает количество просмотров множества страниц, выполненных с момента последнего обращения к странице со стороны пользовательского процесса. Таким образом, первое состояние распадается на несколько подсостояний в соответствии с тем, сколько раз "сборщик" страниц обратился к странице до того, как страница стала готовой для выгрузки (см. Рисунок 9.18). Когда это число превышает некоторое пороговое значение, ядро переводит страницу во второе состояние — состояние готовности к выгрузке. Максимальная продолжительность пребывания страницы в первом состоянии зависит от условий конкретной реализации и ограничивается числом отведенных для этого поля разрядов в записи таблицы страниц.
На Рисунке 9.19 показано взаимодействие между процессами, работающими со страницей, и "сборщиком" страниц. Цифры обозначают номер обращения "сборщика" к странице с того момента, как страница была загружена в память. Процесс, обратившийся к странице после второго просмотра страниц "сборщиком", сбросил ее "возраст" в 0. После каждого просмотра пользовательский процесс обращался к странице вновь, но в конце концов "сборщик" страниц осуществил три просмотра страницы с момента последнего обращения к ней со стороны пользовательского процесса и выгрузил ее из памяти.
  Рисунок 9.18. Диаграмма состояний страницы
Если область используется совместно не менее, чем двумя процессами, все они работают с битами упоминания в одном и том же наборе записей таблицы страниц. Таким образом, страницы могут включаться в рабочие множества нескольких процессов, но для "сборщика" страниц это не имеет никакого значения. Если страница включена в рабочее множество хотя бы одного из процессов, она остается в памяти; в противном случае она может быть выгружена. Ничего, что одна область, к примеру, имеет в памяти страниц больше, чем имеют другие: "сборщик" страниц не пытается выгрузить равное количество страниц из всех активных областей.
Ядро возобновляет работу "сборщика" страниц, когда доступная в системе свободная память имеет размер, не дотягивающий до нижней допустимой отметки, и тогда "сборщик" производит откачку страниц до тех пор, пока объем свободной памяти не превысит верхнюю отметку. При использовании двух отметок количество производимых операций сокращается, ибо если ядро использует только одно пороговое значение, оно будет выгружать достаточное число страниц для освобождения памяти свыше порогового значения, но в результате возвращения ошибочно выгруженных страниц в память размер свободного пространства вскоре вновь опустится ниже этого порога. Объем свободной памяти при этом постоянно бы поддерживался около пороговой отметки. Выгрузка страниц с освобождением памяти в объеме, превышающем верхнюю отметку, откладывает момент, когда объем свободной памяти в системе станет меньше нижней отметки, поэтому "сборщику" страниц не приходится уже так часто выполнять свою работу. Оптимальный выбор уровней верхней и нижней отметок администратором повышает производительность системы.
  Рисунок 9.19. Пример "созревания" страницы
Когда "сборщик" страниц принимает решение выгрузить страницу из памяти, он проверяет возможность нахождения копии этой страницы на устройстве выгрузки. При этом могут иметь место три случая:
1. Если на устройстве выгрузки есть копия страницы, ядро "планирует" выгрузку страницы: "сборщик" страниц помещает ее в список выгруженных страниц и переходит дальше; выгрузка считается логически завершившейся. Когда число страниц в списке превысит ограничение (определяемое возможностями дискового контроллера), ядро переписывает страницы на устройство выгрузки.
2. Если на устройстве выгрузки уже есть копия страницы и ее содержимое ничем не отличается от содержимого страницы в памяти (бит модификации в записи таблицы страниц не установлен), ядро сбрасывает в ноль бит доступности (в той же записи таблицы), уменьшает значение счетчика ссылок в таблице pfdata и помещает запись в список свободных страниц для будущего переназначения.
3. Если на устройстве выгрузки есть копия страницы, но процесс изменил содержимое ее оригинала в памяти, ядро планирует выгрузку страницы и освобождает занимаемое ее копией место на устройстве выгрузки.
"Сборщик" страниц копирует страницу на устройство выгрузки, если имеют место случаи 1 и 3.
Чтобы проиллюстрировать различия между последними двумя случаями, предположим, что страница находится на устройстве выгрузки и загружается в основную память после того, как процесс столкнулся с отсутствием необходимых данных. Допустим, ядро не стало автоматически удалять копию страницы на диске. В конце концов, "сборщик" страниц вновь примет решение выгрузить страницу. Если с момента загрузки в память в страницу не производилась запись данных, содержимое страницы в памяти идентично содержимому ее дисковой копии и в переписи страницы на устройство выгрузки необходимости не возникает. Однако, если процесс успел что-то записать на страницу, старый и новый ее варианты будут различаться, поэтому ядру следует переписать страницу на устройство выгрузки, освободив предварительно место, занимаемое на устройстве старым вариантом. Ядро не сразу использует освобожденное пространство на устройстве выгрузки, поэтому оно имеет возможность поддерживать непрерывное размещение занятых участков, что повышает эффективность использования области выгрузки.
"Сборщик" страниц заполняет список выгруженных страниц, которые в принципе могут принадлежать разным областям, и по заполнении списка откачивает их на устройство выгрузки. Нет необходимости в том, чтобы все страницы одного процесса непременно выгружались: к примеру, некоторые из страниц, возможно, недостаточно "созрели" для этого. В этом видится различие со стратегией выгрузки процессов, согласно которой из памяти выгружаются все страницы одного процесса, вместе с тем метод переписи данных на устройство выгрузки идентичен тому методу, который описан для системы с замещением процессов в разделе 9.1.2. Если на устройстве выгрузки недостаточно непрерывного пространства, ядро выгружает страницы по отдельности (по одной странице за операцию), что в конечном итоге обходится недешево. В системе с замещением страниц фрагментация на устройстве выгрузки выше, чем в системе с замещением процессов, поскольку ядро выгружает блоки страниц, но загружает в память каждую страницу в отдельности.
Когда ядро переписывает страницу на устройство выгрузки, оно сбрасывает бит доступности в соответствующей записи таблицы страниц и уменьшает значение счетчика ссылок в соответствующей записи таблицы pfdata. Если значение счетчика становится равным 0, запись таблицы pfdata помещается в конец списка свободных страниц и запоминается для последующего переназначения. Если значение счетчика отлично от 0, это означает, что страница (в результате выполнения функции fork) используется совместно несколькими процессами, но ядро все равно выгружает ее. Наконец, ядро выделяет пространство на устройстве выгрузки, сохраняет его адрес в дескрипторе дискового блока и увеличивает значение счетчика ссылок на страницу в таблице использования области подкачки. Если в то время, пока страница находится в списке свободных страниц, процесс обнаружил ее отсутствие, получив соответствующую ошибку, ядро может восстановить ее в памяти, не обращаясь к устройству выгрузки. Однако, страница все равно будет считаться выгруженной, если она попала в список "сборщика" страниц.
Предположим, к примеру, что "сборщик" страниц выгружает 30, 40, 50 и 20 страниц из процессов A, B, C и D, соответственно, и что за одну операцию выгрузки на дисковое устройство откачиваются 64 страницы. На Рисунке 9.20 показана последовательность имеющих при этом место операций выгрузки при условии, что "сборщик" страниц осуществляет просмотр страниц процессов в очередности: A, B, C, D. "Сборщик" выделяет на устройстве выгрузки место для 64 страниц и выгружает 30 страниц процесса A и 34 страницы процесса B. Затем он выделяет место для следующих 64 страниц и выгружает оставшиеся 6 страниц процесса B, 50 страниц процесса C и 8 страниц процесса D. Выделенные для размещения страниц за две операции участки области выгрузки могут быть и несмежными. "Сборщик" сохраняет оставшиеся 12 страниц процесса D в списке выгружаемых страниц, но не выгружает их до тех пор, пока список не будет заполнен до конца. Как только у процессов возникает потребность в подкачке страниц с устройства выгрузки или если страницы больше не нужны использующим их процессам (процессы завершились), в области выгрузки освобождается место.
Чтобы подвести итог, выделим в процессе откачки страницы из памяти две фазы. На первой фазе "сборщик" страниц ищет страницы, подходящие для выгрузки, и помещает их номера в список выгружаемых страниц. На второй фазе ядро копирует страницу на устройство выгрузки (если на нем имеется место), сбрасывает в ноль бит допустимости в соответствующей записи таблицы страниц, уменьшает значение счетчика ссылок в соответствующей записи таблицы pfdata и если оно становится равным 0, помещает эту запись в конец списка свободных страниц. Содержимое физической страницы в памяти не изменяется до тех пор, пока страница не будет переназначена другому процессу.
  Рисунок 9.20. Выделение пространства на устройстве выгрузки в системе с замещением страниц

9.2.3 Отказы при обращениях к страницам

В системе встречаются два типа отказов при обращении к странице: отказы из-за отсутствия (недоступности) данных и отказы системы защиты. Поскольку программы обработки прерываний по отказу могут приостанавливать свое выполнение на время считывания страницы с диска в память, эти программы являются исключением из общего правила, утверждающего невозможность приостанова обработчиков прерываний. Тем не менее, поскольку программа обработки прерываний по отказу приостанавливается в контексте процесса, породившего фатальную ошибку памяти, отказ относится к текущему процессу; следовательно, процессы приостанавливаются не произвольным образом.

9.2.3.1 Обработка прерываний по отказу из-за недоступности данных

Если процесс пытается обратиться к странице, бит доступности для которой не установлен, он получает отказ из-за отсутствия (недоступности) данных и ядро запускает программу обработки прерываний по отказу данного типа (Рисунок 9.21). Бит доступности не устанавливается ни для тех страниц, которые располагаются за пределами виртуального адресного пространства процесса, ни для тех, которые входят в состав этого пространства, но не имеют в настоящий момент физического аналога в памяти. Фатальная ошибка памяти произошла в результате обращения ядра по виртуальному адресу страницы, поэтому ядро выходит на соответствующую этой странице запись в таблице страниц и дескриптор дискового блока. Чтобы предотвратить взаимную блокировку, которая может произойти, если "сборщик" попытается выгрузить страницу из памяти, ядро фиксирует в памяти область с соответствующей записью таблицы страниц. Если в дескрипторе дискового блока отсутствует информация о странице, сделанная ссылка на страницу является недопустимой и ядро посылает процессу-нарушителю сигнал о "нарушении сегментации" (см. Рисунок 7.25). Такой порядок действий совпадает с тем порядком, которого придерживается ядро, когда процесс обратился по неверному адресу, если не принимать во внимание то обстоятельство, что ядро узнает об ошибке немедленно, так как все "доступные" страницы являются резидентными в памяти. Если ссылка на страницу сделана правильно, ядро выделяет физическую страницу в памяти и считывает в нее содержимое виртуальной страницы с устройства выгрузки или из исполняемого файла.
Страница, вызвавшая отказ, находится в одном из пяти состояний:
1. На устройстве выгрузки вне памяти.
2. В списке свободных страниц в памяти.
3. В исполняемом файле.
4. С пометкой "обнуляемая при обращении".
5. С пометкой "заполняемая при обращении".
Рассмотрим каждый случай в подробностях.
Если страница находится на устройстве выгрузки, вне памяти (случай 1), это означает, что она когда-то располагалась в памяти, но была выгружена оттуда "сборщиком" страниц. Обратившись к дескриптору дискового блока, ядро узнает из него номера устройства выгрузки и блока, где расположена страница, и проверяет, не осталась ли страница в кэше. Ядро корректирует запись таблицы страниц так, чтобы она указывала на страницу, которую предполагается считать в память, включает соответствующую запись таблицы pfdata в хеш-очередь (облегчая последующую обработку отказа) и считывает страницу с устройства выгрузки. Допустивший ошибку процесс приостанавливается до момента завершения ввода-вывода; вместе с ним будут возобновлены все процессы, ожидавшие загрузки содержимого страницы.
Обратимся к Рисунку 9.22 и в качестве примера рассмотрим запись таблицы страниц, связанную с виртуальным адресом 66К. Если при обращении к странице процесс получает отказ из-за недоступности данных, программа обработки отказа обращается к дескриптору дискового блока и обнаруживает то, что страница находится на устройстве выгрузки в блоке с номером 847 (если предположить, что в системе только одно устройство выгрузки): следовательно, виртуальный адрес указан верно. Затем программа обработки отказа обращается к кэшу, но не находит информации о дисковом блоке с номером 847. Таким образом, копия виртуальной страницы в памяти отсутствует и программа обработки отказа должна загрузить ее с устройства выгрузки. Ядро отводит физическую страницу с номером 1776 (Рисунок 9.23), считывает в нее с устройства выгрузки содержимое виртуальной страницы и перенастраивает запись таблицы страниц на страницу с номером 1776. В завершение ядро корректирует дескриптор дискового блока, делая указание о том, что страница загружена, а также запись таблицы pfdata, отмечая, что на устройстве выгрузки в блоке с номером 847 содержится дубликат виртуальной страницы.
  алгоритм vfault /* обработка отказа из-за отсутствия (недоступности) данных */
  входная информация: адрес, по которому получен отказ
  выходная информация: отсутствует 
  {
   найти область, запись в таблице страниц, дескриптор дискового блока, связанные с адресом, по которому получен отказ, заблокировать область;
   if (адрес не принадлежит виртуальному адресному пространству процесса)   {
    послать сигнал (SIGSEGV: нарушение сегментации) процессу;
    goto out;
   }
   if (адрес указан неверно) goto out;/* возможно, процесс находился в состоянии приостанова */
   if (страница имеется в кэше)   {
    убрать страницу из кэша;
    поправить запись в таблице страниц;
    do   while (содержимое страницы не станет доступным) /* другой процесс получил такой же отказ, но раньше */
     sleep;
   } 
   else { /* страница отсутствует в кэше */ 
    назначить области новую страницу;
    поместить новую страницу в кэш, откорректировать запись в таблице pfdata;
    if (страница ранее не загружалась в память и имеет пометку "обнуляемая при обращении")
     очистить содержимое страницы;
    else   {
     считать виртуальную страницу с устройства выгрузки или из исполняемого файла;
     sleep (до завершения ввода-вывода);
    }
    возобновить процессы (ожидающие загрузки содержимого страницы);
   }
   установить бит доступности страницы;
   сбросить бит модификации и "возраст" страницы;
   пересчитать приоритет процесса;
  out:
   снять блокировку с области;
  }
  Рисунок 9.21. Алгоритм обработки отказа из-за отсутствия (недоступности) данных
При обработке отказов из-за недоступности данных ядро не всегда прибегает к выполнению операции ввода-вывода, даже когда из дескриптора дискового блока видно, что страница загружена (в случае 2). Может случиться так, что ядро после выгрузки содержимого физической страницы так и не переприсвоило ее или же какой-то иной процесс в результате отказа загрузил содержимое виртуальной страницы в другую физическую страницу. В любом случае программа обработки отказа обнаруживает страницу в кэше, в качестве ключа используя номер блока в дескрипторе дискового блока. Она перенастраивает соответствующую запись в таблице страниц на только что найденную страницу, увеличивает значение счетчика ссылок на страницу и в случае необходимости убирает страницу из списка свободных страниц. Предположим, к примеру, что процесс получил отказ при обращении к виртуальному адресу 64К (Рисунок 9.22). Просматривая кэш, ядро устанавливает, что страничный блок с номером 1861 связан с дисковым блоком 1206. Ядро перенастраивает запись таблицы страниц с виртуальным адресом 64К на страницу с номером 1861, устанавливает бит доступности и передает управление программе обработки отказа. Таким образом, номер дискового блока связывает вместе записи таблицы страниц и таблицы pfdata, чем и объясняется его запоминание в обеих таблицах.
  Рисунок 9.22. Иллюстрация к отказу из-за недоступности данных
Как и ядру, программе обработки отказа не нужно считывать страницу в память, если какой-то иной процесс уже получил отказ по той же самой странице, но еще не полностью загрузил ее. Программа находит область с записью таблицы страниц, которую она уже ранее заблокировала. Она дожидается, пока будет закончен цикл обработки предыдущего отказа, после чего обнаруживает, что страница стала доступной, и завершает свою работу. Эта процедура прослеживается на Рисунке 9.24.
  Рисунок 9.23. Результат загрузки страницы в память
  Рисунок 9.24. Два отказа на одной странице
Если копия страницы находится не на устройстве выгрузки, а в исполняемом файле (случай 3), ядро загружает страницу из файла. Программа обработки отказа обращается к дескриптору дискового блока, ищет соответствующий номер логического блока внутри файла, содержащего страницу, и индекс, ассоциированный с записью таблицы областей. Номер логического блока используется программой в качестве смещения внутри списка номеров дисковых блоков, присоединенного к индексу во время выполнения функции exec. По номеру блока на диске программа считывает страницу в память. Так, например, дескриптор дискового блока, связанный с виртуальным адресом 1К, показывает, что содержимое страницы располагается в исполняемом файле, внутри логического блока с номером 3 (см. Рисунок 9.22).
Если процесс получил отказ при обращении к странице, имеющей пометку "заполняемая при обращении" или "обнуляемая при обращении" (случаи 4 и 5), ядро выделяет свободную страницу в памяти и корректирует соответствующую запись таблицы страниц. Если страница "обнуляемая при обращении", ядро также очищает ее содержимое. В завершение обработки флаги "заполняемая при обращении" и "обнуляемая при обращении" сбрасываются. Теперь страница находится в памяти, доступна процессам и ее содержимое не имеет аналогов ни на устройстве выгрузки, ни в файловой системе. Так происходит, если процесс обращается к страницам с виртуальными адресами 3К и 65К (см. Рисунок 9.22): ни один из процессов не обращался к этим страницам с тех пор, как файл был запущен на выполнение функцией exec.
В завершение своей работы программа обработки отказов из-за отсутствия (недоступности) данных устанавливает бит доступности страницы и сбрасывает бит модификации. Приоритет процесса при этом пересчитывается, ибо во время выполнения программы процесс мог приостановить свое выполнение на уровне ядра, получая тем самым по возвращении в режим задачи незаслуженное преимущество перед другими процессами. И, наконец, возвращаясь в режим задачи, программа проверяет, не было ли за время обработки отказа поступления каких-либо сигналов.

9.2.3.2 Обработка прерываний по отказу системы защиты

Вторым типом отказа, встречающегося при обращении к странице, является отказ системы защиты, который означает, что процесс обратился к существующей странице памяти, но судя по разрядам, описывающим права доступа к странице, доступ к ней со стороны текущего процесса не разрешен. (Вспомним пример, описывающий попытку процесса произвести запись данных в область команд; см. Рисунок 7.22). Отказ данного типа имеет место также тогда, когда процесс предпринимает попытку записать что-то на страницу, для которой во время выполнения системной функции fork был установлен бит копирования при записи. Ядро должно различать между собой ситуации, когда отказ произошел по причине того, что страница требует копирования при записи, и когда имело место действительно что-то недопустимое.
Программа обработки отказа системы защиты автоматически получает виртуальный адрес, по которому произошел отказ, и ведет поиск соответствующей области и записи таблицы страниц (Рисунок 9.25). Она блокирует область, чтобы "сборщик" страниц не мог выгрузить страницу, пока связанный с ней отказ не будет обработан. Если программа обработки отказа устанавливает, что причиной отказа послужила установка бита копирования при записи, и если страницу используют сразу несколько процессов, ядро выделяет в памяти новую страницу и копирует в нее содержимое старой страницы; ссылки других процессов на старую страницу сохраняют свое значение. После копирования и внесения в запись таблицы страниц нового номера страницы ядро уменьшает значение счетчика ссылок в записи таблицы pfdata, соответствующей старой странице. Вся процедура показана на Рисунке 9.26, где три процесса совместно используют физическую страницу с номером 828. Процесс B считывает страницу, но поскольку бит копирования при записи установлен, получает отказ системы защиты. Программа обработки отказа выделяет страницу с номером 786, копирует в нее содержимое страницы 828, уменьшает значение счетчика ссылок на скопированную страницу и перенастраивает соответствующую запись таблицы страниц на страницу с номером 786.
Если бит копирования при записи установлен, но страница используется только одним процессом, ядро дает процессу возможность воспользоваться физической страницей повторно. Оно отключает бит копирования при записи и разрывает связь страницы с ее копией на диске (если таковая существует), поскольку не исключена возможность того, что дисковой копией пользуются другие процессы. Затем ядро убирает запись таблицы pfdata из очереди страниц, ибо новая копия виртуальной страницы располагается не на устройстве выгрузки. Кроме того, ядро уменьшает значение счетчика ссылок на страницу в таблице использования области подкачки, и если это значение становится равным 0, освобождает место на устройстве (см. упражнение 9.11).
Если запись в таблице страниц указывает на то, что страница недоступна, и ее бит копирования при записи установлен, выступая поводом для отказа системы защиты, допустим, что система при обращении к странице сначала обрабатывает отказ из-за недоступности данных (обратная очередность рассматривается в упражнении 9.17). Несмотря на это, программа обработки отказа системы защиты все равно обязана убедиться в доступности страницы, поскольку при установке блокировки на область программа может приостановиться, а "сборщик" страниц тем временем может выгрузить страницу из памяти. Если страница недоступна (бит доступности сброшен), программа немедленно завершит работу и процесс получит отказ из-за недоступности данных. Ядро обработает этот отказ, но процесс вновь получит отказ системы защиты. Более чем вероятно, что заключительный отказ системы защиты будет обработан без каких-либо препятствий и помех, поскольку пройдет довольно значительный период времени, прежде чем страница достаточно "созреет" для выгрузки из памяти. Описанная последовательность событий показана на Рисунке 9.27.
  алгоритм pfault /* обработка отказа системы защиты */
  входная информация: адрес, по которому получен отказ
  выходная информация: отсутствует 
  {
   найти область, запись в таблице страниц, дескриптор дискового блока, связанные с адресом, по которому получен отказ, заблокировать область;
   if (страница недоступна в памяти)   goto out;
   if (бит копирования при записи не установлен)   goto out; /* программная ошибка — сигнал */
   if (счетчик ссылок на страничный блок › 1)   {
    выделить новую физическую страницу;
    скопировать в нее содержимое старой страницы;
    уменьшить значение счетчика ссылок на старый страничный блок;
    перенастроить запись таблицы страниц на новую физическую страницу;
   }
   else { /* убрать страницу, поскольку она никем больше не используется */ 
    if (копия страницы имеется на устройстве выгрузки) 
     освободить место на устройстве, разорвать связь со страницей;
    if (страница находится в хеш-очереди страниц)
     убрать страницу из хеш-очереди;
   }
   в записи таблицы страниц установить бит модификации, сбросить бит копирования при записи;
   пересчитать приоритет процесса;
   проверить, не поступали ли сигналы;
  out:
   снять блокировку с области;
  }
  Рисунок 9.25. Алгоритм обработки отказа системы защиты
  Рисунок 9.26. Отказ системы защиты из-за установки бита копирования при записи
Перед завершением программа обработки отказа системы защиты устанавливает биты модификации и защиты, но сбрасывает бит копирования при записи. Она пересчитывает приоритет процесса и проверяет, не поступали ли за время ее работы сигналы, предназначенные процессу, в точности повторяя то, что делается по завершении обработки отказа из-за недопустимости данных.
  Рисунок 9.27. Взаимодействие отказа системы защиты и отказа из-за недоступности данных

9.2.4 Замещение страниц на менее сложной технической базе

Наибольшая действенность алгоритмов замещения страниц по запросу (обращению) достигается в том случае, если биты упоминания и модификации устанавливаются аппаратным путем и тем же путем вызывается отказ системы защиты при попытке записи в страницу, имеющую признак "копирования при записи". Тем не менее, указанные алгоритмы вполне применимы даже тогда, когда аппаратура распознает только бит доступности и код защиты. Если бит доступности, устанавливаемый аппаратно, дублируется программно-устанавливаемым битом, показывающим, действительно ли страница доступна или нет, ядро могло бы отключить аппаратно-устанавливаемый бит и проимитировать установку остальных битов программным путем. Так, например, в машине VAX-11 бит упоминания отсутствует (см. [Levy 82]). Ядро может отключить аппаратно-устанавливаемый бит доступности для страницы и дальше работать по следующему плану. Если процесс ссылается на страницу, он получает отказ, поскольку бит доступности сброшен, и в игру вступает программа обработки отказа, исследующая страницу. Поскольку "программный" бит доступности установлен, ядро знает, что страница действительно доступна и находится в памяти; оно устанавливает "программный" бит упоминания и "аппаратный" бит доступности, но ему еще предстоит узнать о том, что на страницу была сделана ссылка. Последующие ссылки на страницу уже не встретят отказ, ибо "аппаратный" бит доступности установлен. Когда с ней будет работать "сборщик" страниц, он вновь сбросит "аппаратный" бит доступности, вызывая тем самым от казы на все последующие обращения к странице и возвращая систему к началу цикла. Этот случай показан на Рисунке 9.28.
  Рисунок 9.28. Имитация установки "аппаратного" бита модификации программными средствами

9.3 СИСТЕМА СМЕШАННОГО ТИПА СО СВОПИНГОМ И ПОДКАЧКОЙ ПО ЗАПРОСУ

Несмотря на то, что в системах с замещением страниц по запросу обращение с памятью отличается большей гибкостью по сравнению с системами подкачки процессов, возможно возникновение ситуаций, в которых "сборщик" страниц и программа обработки отказов из-за недоступности данных начинают мешать друг другу из-за нехватки памяти. Если сумма рабочих множеств всех процессов превышает объем физической памяти в машине, программа обработки отказов обычно приостанавливается, поскольку выделять процессам страницы памяти дальше становится невозможным. "Сборщик" страниц не сможет достаточно быстро освободить место в памяти, ибо все страницы принадлежат рабочему множеству. Производительность системы падает, поскольку ядро тратит слишком много времени на верхнем уровне, с безумной скоростью перестраивая память.
Ядро в версии V манипулирует алгоритмами подкачки процессов и замещения страниц так, что проблемы соперничества перестают быть неизбежными. Когда ядро не может выделить процессу страницы памяти, оно возобновляет работу процесса подкачки и переводит пользовательский процесс в состояние, эквивалентное состоянию "готовности к запуску, будучи зарезервированным". В этом состоянии одновременно могут находиться несколько процессов. Процесс подкачки выгружает один за другим целые процессы, пока объем доступной памяти в системе не превысит верхнюю отметку. На каждый выгруженный процесс приходится один процесс, загруженный в память из состояния "готовности к выполнению, будучи зарезервированным". Ядро загружает эти процессы не с помощью обычного алгоритма подкачки, а путем обработки отказов при обращении к соответствующим страницам. На последующих итерациях процесса подкачки при условии наличия в системе достаточного объема свободной памяти будут обработаны отказы, полученные другими пользовательскими процессами. Применение такого метода ведет к снижению частоты возникновения системных отказов и устранению соперничества: по идеологии он близок к методам, используемым в операционной системе VAX/VMS ([Levy 82]).

9.4 ВЫВОДЫ

Прочитанная глава была посвящена рассмотрению алгоритмов подкачки процессов и замещения страниц, используемых в версии V системы UNIX. Алгоритм подкачки процессов реализует перемещение процессов целиком между основной памятью и устройством выгрузки. Ядро выгружает процессы из памяти, если их размер поглощает всю свободную память в системе (в результате выполнения функций fork, exec и sbrk или в результате естественного увеличения стека), или в том случае, если требуется освободить память для загрузки процесса. Загрузку процессов выполняет специальный процесс подкачки (процесс 0), который запускается всякий раз, как на устройстве выгрузки появляются процессы, готовые к выполнению. Процесс подкачки не прекращает своей работы до тех пор, пока на устройстве выгрузки не останется ни одного такого процесса или пока в основной памяти не останется свободного места. В последнем случае процесс подкачки пытается выгрузить что-нибудь из основной памяти, но в его обязанности входит также слежение за соблюдением требования минимальной продолжительности пребывания выгружаемых процессов в памяти (в целях предотвращения холостой перекачки); по этой причине процесс подкачки не всегда достигает успеха в своей работе. Возобновление процесса подкачки в случае возникновения необходимости в нем производит с интервалом в одну секунду программа обработки прерываний по таймеру.
В системе с замещением страниц по запросу процессы могут исполняться, даже если их виртуальное адресное пространство загружено в память не полностью; поэтому виртуальный размер процесса может превышать объем доступной физической памяти в системе. Когда ядро испытывает потребность в свободных страницах, "сборщик" страниц просматривает все активные страницы в каждой области, помечая для выгрузки те из них, которые достаточно "созрели" для этого, и в конечном итоге откачивает их на устройство выгрузки. Когда процесс обращается к виртуальной странице, которая в настоящий момент выгружена из памяти, он получает отказ из-за недоступности данных. Ядро запускает программу обработки отказа, которая назначает области новую физическую страницу памяти и копирует в нее содержимое виртуальной страницы.
Повысить производительность системы при использовании алгоритма замещения страниц по запросу можно несколькими способами. Во-первых, если процесс вызывает функцию fork, ядро использует бит копирования при записи, тем самым в большинстве случаев снимая необходимость в физическом копировании страниц. Во-вторых, ядро может запросить содержимое страницы исполняемого файла прямо из файловой системы, устраняя потребность в вызове функции exec для незамедлительного считывания файла в память. Это способствует повышению производительности, поскольку не исключена возможность того, что подобные страницы так никогда и не потребуются процессу, и устраняет излишнюю холостую перекачку, имеющую место в том случае, если "сборщик" страниц выгружает эти страницы из памяти до того, как в них возникает потребность.

9.5 УПРАЖНЕНИЯ

1. Набросайте схему реализации алгоритма mfree, который освобождает пространство памяти и возвращает его таблице свободного пространства.
2. В разделе 9.1.2 утверждается, что система блокирует перемещаемый процесс, чтобы другие процессы не могли его трогать с места до момента окончания операции. Что произошло бы, если бы система не делала этого?
3. Предположим, что в адресном пространстве процесса располагаются таблицы используемых процессом сегментов и страниц. Каким образом ядро может выгрузить это пространство из памяти?
4. Если стек ядра находится внутри адресного пространства процесса, почему процесс не может выгружать себя сам? Какой на Ваш взгляд должна быть системная программа выгрузки процессов, как она должна запускаться?
5. *Предположим, что ядро пытается выгрузить процесс, чтобы освободить место в памяти для других процессов, загружаемых с устройства выгрузки. Если ни на одном из устройств выгрузки для данного процесса нет места, процесс подкачки приостанавливает свою работу до тех пор, пока место не появится. Возможна ли ситуация, при которой все процессы, находящиеся в памяти, приостановлены, а все готовые к выполнению процессы находятся на устройстве выгрузки? Что нужно предпринять ядру для того, чтобы исправить это положение?
6. Рассмотрите еще раз пример, приведенный на Рисунке 9.10, при условии, что в памяти есть место только для 1 процесса.
7. Обратимся к примеру, приведенному на Рисунке 9.11. Составьте подобный пример, в котором процессу постоянно требуется для работы центральный процессор. Существует ли какой-нибудь способ снятия подобной напряженности?
  main() {
   f();
   g();
  }
  f() {
   vfork();
  }
  g() {
   int blast[100], i;
   for (i = 0; i ‹ 100; i++)
   blast[i] = i;
  }
  Рисунок 9.29
8. Что произойдет в результате выполнения программы, приведенной на Рисунке 9.29, в системе BSD 4.2? Каким будет стек процесса-родителя?
9. Почему после выполнения функции fork процесса-потомка предпочтительнее запускать впереди процесса-родителя, если на разделяемых страницах биты копирования при записи установлены? Каким образом ядро может заставить потомка запуститься первым?
10. *Алгоритм обработки отказа из-за недоступности данных, изложенный в тексте, загружает страницы поодиночке. Его эффективность можно повысить, если подготовить к загрузке помимо страницы, вызвавшей отказ, и все соседние с ней страницы. Переработайте исходный алгоритм с учетом указанной операции.
11. В алгоритмах работы "сборщика" страниц и программы обработки отказов из-за недоступности данных предполагается, что размер страницы равен размеру дискового блока. Что нужно изменить в этих алгоритмах для того, чтобы они работали и в тех случаях, когда указанное равенство не соблюдается?
12. *Когда процесс вызывает функцию fork (ветвится), значение счетчика ссылок на каждую разделяемую страницу (в таблице pfdata) увеличивается. Предположим, что "сборщик" страниц выгружает разделяемую страницу на устройство выгрузки, и один из процессов (скажем, родитель) впоследствии получает отказ при обращении к ней. Содержимое виртуальной страницы теперь располагается на физической странице. Объясните, почему процесс-потомок всегда имеет возможность получить верную копию страницы, даже после того, как процесс-родитель что-то запишет на нее. Почему, когда процесс-родитель ведет запись на страницу, он должен немедленно порвать связь с ее дисковой копией?
13. Что следует предпринять программе обработки отказов в том случае, если в системе исчерпаны страницы памяти?
14. *Составьте алгоритм выгрузки редко используемых компонент ядра. Какие из компонент нельзя выгружать и как их в таком случае следует обозначить?
15. Придумайте алгоритм, отслеживающий выделение пространства на устройстве выгрузки, используя вместо карт памяти, описанных в настоящей главе, битовый массив. Сравните эффективность обоих методов.
16. Предположим, что в машине нет аппаратно-устанавливаемого бита доступности, но есть код защиты, устанавливающий права доступа на чтение, запись и "исполнение" содержимого страницы. Смоделируйте работу с помощью программно-устанавливаемого бита доступности.
17. В машине VAX-11 перед проверкой наличия отказов из-за недоступности данных выполняется аппаратная проверка наличия отказов системы защиты. Как это отражается на алгоритмах обработки отказов?
18. Системная функция plock дает суперпользователю возможность устанавливать и снимать блокировку (в памяти) на областях команд и данных вызывающего процесса. Процесс подкачки и "сборщик" страниц не могут выгружать заблокированные страницы из памяти. Процессам, использующим эту системную функцию, не приходится дожидаться загрузки страниц, поэтому им гарантирован более быстрый ответ по сравнению с другими процессами. Следует ли иметь также возможность блокировки в памяти и области стека? Что произойдет в том случае, если суммарный объем заблокированных областей превысит размер доступной памяти в машине?
19. Что делает программа, приведенная на Рисунке 9.30? Подумайте над альтернативной стратегией замещения страниц, в соответствии с которой в рабочее множество каждого процесса включается максимально-возможное число страниц.
  struct fourmeg {
   int page[512]; /* пусть int занимает 4 байта */
  } fourmeg[2048];
  main() {
   for (; {
    switch(fork()) {
    case -1: /* процесс-родитель не может выполнить fork — слишком много потомков */ 
    case 0: /* потомок */
     func();
    default:
     continue;
    }
   }
  }
  func() {
   int i;
   for (; {
    printf("процесс %d повторяет цикл\n", getpid());
    for (i = 0; i ‹ 2048; i++) fourmeg[i].page[0] = i;
   }
  }
  Рис. 9.30

10.2 ДИСКОВЫЕ ДРАЙВЕРЫ

Так сложилось исторически, что дисковые устройства в системах UNIX разбивались на разделы, содержащие различные файловые системы, что означало "деление [дискового] пакета на несколько управляемых по-своему частей" (см. [System V 84b]). Например, если на диске располагаются четыре файловые системы, администратор может оставить одну из них несмонтированной, одну смонтировать только для чтения, а две других только для записи. Несмотря на то, что все файловые системы сосуществуют на одном физическом устройстве, пользователи не могут ни обращаться к файлам немонтированной файловой системы, используя методы доступа, описанные в главах 4 и 5, ни записывать файлы в файловые системы, смонтированные только для чтения. Более того, так как каждый раздел (и, следовательно, файловая система) занимает на диске смежные дорожки и цилиндры, скопировать всю файловую систему легче, чем в том случае, если бы раздел занимал участки, разбросанные по всему дисковому тому.
Дисковый драйвер транслирует адрес файловой системы, состоящий из логического номера устройства и номера блока, в точный номер дискового сектора. Драйвер получает адрес одним из следующих путей: либо стратегическая процедура использует буфер из буферного пула, заголовок которого содержит номера устройства и блока, либо процедуры чтения и записи передают логический (младший) номер устройства в качестве параметра; они преобразуют адрес смещения в байтах, хранящийся в пространстве задачи, в адрес соответствующего блока. Дисковый драйвер использует номер устройства для идентификации физического устройства и указания используемого раздела, обращаясь при этом к внутренним таблицам для поиска сектора, отмечающего начало раздела на диске. Наконец, он добавляет номер блока в файловой системе к номеру блока, с которого начинается каждый сектор, чтобы идентифицировать сектор, используемый для ввода-вывода.
  Рисунок 10.7. Разделы на диске RP07
Исторически сложилось так, что размеры дисковых разделов устанавливаются в зависимости от типа диска. Например, диск DEC RP07 разбит на разделы, характеристика которых приведена на Рисунке 10.7. Предположим, что файлы "/dev/dsk0", "/dev/dsk1", "/dev/dsk2" и "/dev/dsk3" соответствуют разделам диска RP07, имеющим номера от 0 до 3, и имеют аналогичные младшие номера. Пусть размер логического блока в файловой системе совпадает с размером дискового блока. Если ядро пытается обратиться к блоку с номером 940 в файловой системе, хранящейся в "/dev/dsk3", дисковый драйвер переадресует запрос к блоку с номером 336940 (раздел 3 начинается с блока, имеющего номер 336000; 336000 + 940 = 336940) на диске.
Размеры разделов на диске варьируются и администраторы располагают файловые системы в разделах соответствующего размера: большие файловые системы попадают в разделы большего размера и т. д. Разделы на диске могут перекрываться. Например, разделы 0 и 1 на диске RP07 не пересекаются, но вместе они занимают блоки с номерами от 0 до 1008000, то есть весь диск. Раздел 7 так же занимает весь диск. Перекрытие разделов не имеет значения, поскольку файловые системы, хранящиеся в разделах, размещаются таким образом, что между ними нет пересечений. Иметь один раздел, включающий в себя все дисковое пространство, выгодно, поскольку весь том можно быстро скопировать.
Использование разделов фиксированного состава и размера ограничивает гибкость дисковой конфигурации. Информацию о разделах в закодированном виде не следует включать в дисковый драйвер, но нужно поместить в таблицу содержимого дискового тома. Однако, найти общее место на всех дисках для размещения таблицы содержимого дискового тома и сохранить тем самым совместимость с предыдущими версиями системы довольно трудно. В существующих реализациях версии V предполагается, что блок начальной загрузки первой из файловых систем на диске занимает первый сектор тома, хотя по логике это, казалось бы, самое подходящее место для таблицы содержимого тома. И все же дисковый драйвер должен иметь закодированную информацию о месте расположения таблицы содержимого тома для каждого диска, не препятствуя существованию дисковых разделов переменного размера.
В связи с тем, что для системы UNIX является типичным высокий уровень дискового трафика, драйвер диска должен максимизировать передачу данных с тем, чтобы обеспечить наилучшую производительность всей системы. Новейшие дисковые контроллеры осуществляют планирование выполнения заданий, требующих обращения к диску, позиционируют головку диска и обеспечивают передачу данных между диском и центральным процессором; иначе это приходится делать дисковому драйверу.
Сервисные программы могут непосредственно обращаться к диску в обход стандартного метода доступа к файловой системе, рассмотренного в главах 4 и 5, как пользуясь блочным интерфейсом, так и не прибегая к структурированию данных. Непосредственно работают с диском две важные программы — mkfs и fsck. Программа mkfs форматирует раздел диска для файловой системы UNIX, создавая при этом суперблок, список индексов, список свободных дисковых блоков с указателями и корневой каталог новой файловой системы. Программа fsck проверяет целостность существующей файловой системы и исправляет ошибки, как показано в главе 5.
Рассмотрим программу, приведенную на Рисунке 10.8, в применении к файлам "/dev/dsk15" и "/dev/rdsk15", и предположим, что команда ls выдала следующую информацию:
ls -l /dev/dsk15 /dev/rdsk15
br-------- 2 root root 0,21 Feb 12 15:40 /dev/dsk15
crw-rw---- 2 root root 7,21 Mar 7 09:29 /dev/rdsk15
Отсюда видно, что файл "/dev/dsk15" соответствует устройству блочного типа, владельцем которого является пользователь под именем "root", и только пользователь "root" может читать с него непосредственно. Его старший номер 0, младший — 21. Файл "/dev/rdsk15" соответствует устройству посимвольного ввода-вывода, владельцем которого является пользователь "root", однако права доступа к которому на запись и чтение есть как у владельца, так и у группы. Его старший номер — 7, младший — 21. Процесс, открывающий файлы, получает доступ к устройству через таблицу ключей устройств ввода-вывода блоками и таблицу ключей устройств посимвольного ввода-вывода, соответственно, а младший номер устройства 21 информирует драйвер о том, к какому разделу диска производится обращение, например, дисковод 2, раздел 1. Поскольку младшие номера у файлов совпадают, они ссылаются на один и тот же раздел диска, если предположить, что это одно устройство [31] . Таким образом, процесс, выполняющий программу, открывает один и тот же драйвер дважды (используя различные интерфейсы), позиционирует головку к смещению с адресом 8192 и считывает данные с этого места. Результаты выполнения операций чтения должны быть идентичными при условии, что работает только одна файловая система.
  #include "fcntl.h"
  main() {
   char buf1[4096], buf2[4096];
   int fd1, fd2, i;
   if (((fd1 = open("/dev/dsk5/", O_RDONLY)) == -1) || ((fd2 = open("/dev/rdsk5", O_RDONLY)) == -1)) {
    printf("ошибка при открытии\n");
    exit();
   }
   lseek(fd1, 8192L, 0);
   lseek(fd2, 8192L, 0);
   if ((read(fd1, buf1, sizeof(buf1)) == -1) || (read(fd2,  buf2, sizeof(buf2)) == -1)) {
    printf("ошибка при чтении\n");
    exit();
   }
   for (i = 0; i ‹ sizeof(buf1); i++) if (buf1[i] != buf2[i]) {
    printf("различие в смещении %d\n", i);
    exit();
   }
   printf("данные совпадают\n");
  }
  Рисунок 10.8. Чтение данных с диска с использованием блочного интерфейса и без структурирования данных
Программы, осуществляющие чтение и запись на диск непосредственно, представляют опасность, поскольку манипулируют с чувствительной информацией, рискуя нарушить системную защиту. Администраторам следует защищать интерфейсы ввода-вывода путем установки прав доступа к файлам дисковых устройств. Например, дисковые файлы "/dev/dsk15" и "/dev/rdsk15" должны принадлежать пользователю с именем "root", и права доступа к ним должны быть определены таким образом, чтобы пользователю "root" было разрешено чтение, а всем остальным пользователям и чтение, и запись должны быть запрещены.
Программы, осуществляющие чтение и запись на диск непосредственно, могут также нарушить целостность данных в файловой системе. Алгоритмы файловой системы, рассмотренные в главах 3, 4 и 5, координируют выполнение операций ввода-вывода, связанных с диском, тем самым поддерживая целостность информационных структур на диске, в том числе списка свободных дисковых блоков и указателей из индексов на информационные блоки прямой и косвенной адресации. Процессы, обращающиеся к диску непосредственно, обходят эти алгоритмы. Пусть даже их программы написаны с большой осторожностью, проблема целостности все равно не исчезнет, если они выполняются параллельно с работой другой файловой системы. По этой причине программа fsck не должна выполняться при наличии активной файловой системы.
Два типа дискового интерфейса различаются между собой по использованию буферного кеша. При работе с блочным интерфейсом ядро пользуется тем же алгоритмом, что и для файлов обычного типа, исключение составляет тот момент, когда после преобразования адреса смещения логического байта в адрес смещения логического блока (см. алгоритм bmap в главе 4) оно трактует адрес смещения логического блока как физический номер блока в файловой системе. Затем, используя буферный кеш, ядро обращается к данным, и, в конечном итоге, к стратегическому интерфейсу драйвера. Однако, при обращении к диску через символьный интерфейс (без структурирования данных), ядро не превращает адрес смещения в адрес файла, а передает его немедленно драйверу, используя для передачи рабочее пространство задачи. Процедуры чтения и записи, входящие в состав драйвера, преобразуют смещение в байтах в смещение в блоках и копируют данные непосредственно в адресное пространство задачи, минуя буферы ядра.
Таким образом, если один процесс записывает на устройство блочного типа, а второй процесс затем считывает с устройства символьного типа по тому же адресу, второй процесс может не считать информацию, записанную первым процессом, так как информация может еще находиться в буферном кеше, а не на диске. Тем не менее, если второй процесс обратится к устройству блочного типа, он автоматически попадет на новые данные, находящиеся в буферном кеше.
При использовании символьного интерфейса можно столкнуться со странной ситуацией. Если процесс читает или пишет на устройство посимвольного ввода-вывода порциями меньшего размера, чем, к примеру, блок, результаты будут зависеть от драйвера. Например, если производить запись на ленту по 1 байту, каждый байт может попасть в любой из ленточных блоков.
Преимущество использования символьного интерфейса состоит в скорости, если не возникает необходимость в кешировании данных для дальнейшей работы. Процессы, обращающиеся к устройствам ввода — вывода блоками, передают информацию блоками, размер каждого из которых ограничивается размером логического блока в данной файловой системе. Например, если размер логического блока в файловой системе 1 Кбайт, за одну операцию ввода-вывода может быть передано не больше 1 Кбайта информации. При этом процессы, обращающиеся к диску с помощью символьного интерфейса, могут передавать за одну дисковую операцию множество дисковых блоков, в зависимости от возможностей дискового контроллера. С функциональной точки зрения, процесс получает тот же самый результат, но символьный интерфейс может работать гораздо быстрее. Если воспользоваться примером, приведенным на Рисунке 10.8, можно увидеть, что когда процесс считывает 4096 байт, используя блочный интерфейс для файловой системы с размером блока 1 Кбайт, ядро производит четыре внутренние итерации, на каждом шаге обращаясь к диску, прежде чем вызванная системная функция возвращает управление, но когда процесс использует символьный интерфейс, драйвер может закончить чтение за одну дисковую операцию. Более того, использование блочного интерфейса вызывает дополнительное копирование данных между адресным пространством задачи и буферами ядра, что отсутствует в символьном интерфейсе.

10.3 ТЕРМИНАЛЬНЫЕ ДРАЙВЕРЫ

Терминальные драйверы выполняют ту же функцию, что и остальные драйверы: управление передачей данных от и на терминалы. Однако, терминалы имеют одну особенность, связанную с тем, что они обеспечивают интерфейс пользователя с системой. Обеспечивая интерактивное использование системы UNIX, терминальные драйверы имеют свой внутренний интерфейс с модулями, интерпретирующими ввод и вывод строк. В каноническом режиме интерпретаторы строк преобразуют неструктурированные последовательности данных, введенные с клавиатуры, в каноническую форму (то есть в форму, соответствующую тому, что пользователь имел ввиду на самом деле) прежде, чем послать эти данные принимающему процессу; строковый интерфейс также преобразует неструктурированные последовательности выходных данных, созданных процессом, в формат, необходимый пользователю. В режиме без обработки строковый интерфейс передает данные между процессами и терминалом без каких-либо преобразований.
Программисты, например, работают на клавиатуре терминала довольно быстро, но с ошибками. На этот случай терминалы имеют клавишу стирания ("erase"; клавиша может быть обозначена таким образом), чтобы пользователь имел возможность стирать часть введенной строки и вводить коррективы. Терминалы пересылают машине всю введенную последовательность, включая и символы стирания [32] . В каноническом режиме строковый интерфейс буферизует информацию в строки (набор символов, заканчивающийся символом возврата каретки [33] ) и процессы стирают символы у себя, прежде чем переслать исправленную последовательность считывающему процессу.
В функции строкового интерфейса входят:
• построчный разбор введенных последовательностей;
• обработка символов стирания;
• обработка символов "удаления", отменяющих все остальные символы, введенные до того в текущей строке;
• отображение символов, полученных терминалом;
• расширение выходных данных, например, преобразование символов табуляции в последовательности пробелов;
• сигнализирование процессам о зависании терминалов и прерывании строк или в ответ на нажатие пользователем клавиши удаления;
• предоставление возможности не обрабатывать специальные символы, такие как символы стирания, удаления и возврата каретки.
Функционирование без обработки подразумевает использование асинхронного терминала, поскольку процессы могут считывать символы в том виде, в каком они были введены, вместо того, чтобы ждать, когда пользователь нажмет клавишу ввода или возврата каретки.
Ричи отметил, что первые строковые интерфейсы, используемые еще при разработке системы в начале 70-х годов, работали в составе программ командного процессора и редактора, но не в ядре (см. [Ritchie 84], стр.1580). Однако, поскольку в их функциях нуждается множество программ, их место в составе ядра. Несмотря на то, что строковый интерфейс выполняет такие функции, из которых логически вытекает его место между терминальным драйвером и остальной частью ядра, ядро не запускает строковый интерфейс иначе, чем через терминальный драйвер. На Рисунке 10.9 показаны поток данных, проходящий через терминальный драйвер и строковый интерфейс, и соответствующие ему управляющие воздействия, проходящие через терминальный драйвер. Пользователи могут указать, какой строковый интерфейс используется посредством вызова системной функции ioctl, но реализовать схему, по которой одно устройство использовало бы несколько строковых интерфейсов одновременно, при чем каждый интерфейсный модуль, в свою очередь, успешно вызывал бы следующий модуль для обработки данных, довольно трудно.
  Рисунок 10.9. Последовательность обращений и поток данных через строковый интерфейс

10.3.1 Символьные списки

Строковый интерфейс обрабатывает данные в символьных списках. Символьный список (clist) представляет собой переменной длины список символьных блоков с использованием указателей и с подсчетом количества символов в списке. Символьный блок (cblock) содержит указатель на следующий блок в списке, небольшой массив хранимой в символьном виде информации и адреса смещений, показывающие место расположения внутри блока корректной информации (Рисунок 10.10). Смещение до начала показывает первую позицию расположения корректной информации в массиве, смещение до конца показывает первую позицию расположения некорректной информации.
  Рисунок 10.10. Символьный блок
Ядро обеспечивает ведение списка свободных символьных блоков и выполняет над символьными списками и символьными блоками шесть операций.
1. Ядро назначает драйверу символьный блок из списка свободных символьных блоков.
2. Оно также возвращает символьный блок в список свободных символьных блоков.
3. Ядро может выбирать первый символ из символьного списка: оно удаляет первый символ из первого символьного блока в списке и устанавливает значения счетчика символов в списке и указателей в блоке таким образом, чтобы последующие операции не выбирали один и тот же символ. Если в результате операции выбран последний символ блока, ядро помещает в список свободных символьных блоков пустой блок и переустанавливает указатели в символьном списке. Если в символьном списке отсутствуют символы, ядро возвращает пустой символ.
4. Ядро может поместить символ в конец символьного списка путем поиска последнего символьного блока в списке, включения символа в него и переустановки адресов смещений. Если символьный блок заполнен, ядро выделяет новый символьный блок, включает его в конец символьного списка и помещает символ в новый блок.
5. Ядро может удалять от начала списка группу символов по одному блоку за одну операцию, что эквивалентно удалению всех символов в блоке за один раз.
6. Ядро может поместить блок с символами в конец символьного списка.
Символьные списки позволяют создать несложный механизм буферизации, полезный при небольшом объеме передаваемых данных, типичном для медленных устройств, таких как терминалы. Они дают возможность манипулировать с данными с каждым символом в отдельности и с группой символьных блоков. Например, Рисунок 10.11 иллюстрирует удаление символов из символьного списка; ядро удаляет по одному символу из первого блока в списке (Рисунок 10.11а-в) до тех пор, пока в блоке не останется ни одного символа (Рисунок 10.11 г); затем оно устанавливает указатель списка на следующий блок, который становится первым блоком в списке. Подобно этому на Рисунке 10.12 показано, как ядро включает символы в символьный список; при этом предполагается, что в одном блоке помещается до 8 символов и что ядро размещает новый блок в конце списка (Рисунок 10.12 г).
  Рисунок 10.11. Удаление символов из символьного списка
  Рисунок 10.12. Включение символов в символьный список

10.3.2 Терминальный драйвер в каноническом режиме

Структуры данных, с которыми работают терминальные драйверы, связаны с тремя символьными списками: списком для хранения данных, выводимых на терминал, списком для хранения неструктурированных вводных данных, поступивших в результате выполнения программы обработки прерывания от терминала, вызванного попыткой пользователя ввести данные с клавиатуры, и списком для хранения обработанных входных данных, поступивших в результате преобразования строковым интерфейсом специальных символов (таких как символы стирания и удаления) в неструктурированном списке.
Когда процесс ведет запись на терминал (Рисунок 10.13), терминальный драйвер запускает строковый интерфейс. Строковый интерфейс в цикле считывает символы из адресного пространства процесса и помещает их в символьный список для хранения выводных данных до тех пор, пока поток данных не будет исчерпан. Строковый интерфейс обрабатывает выводимые символы, например, заменяя символы табуляции на последовательности пробелов. Если количество символов в списке для хранения выводных данных превысит верхнюю отметку, строковый интерфейс вызывает процедуры драйвера, пересылающие данные из символьного списка на терминал и после этого приостанавливающие выполнение процесса, ведущего запись. Когда объем информации в списке для хранения выводных данных падает за нижнюю отметку, программа обработки прерываний возобновляет выполнение всех процессов, приостановленных до того момента, когда терминал сможет принять следующую порцию данных. Строковый интерфейс завершает цикл обработки, скопировав всю выводимую информацию из адресного пространства задачи в соответствующий символьный список, и вызывает выполнение процедур драйвера, пересылающих данные на терминал, о которых уже было сказано выше.
  алгоритм terminal_write 
  {
   do while(из пространства задачи еще поступают данные)   {
    if (на терминал поступает информация)   {
     приступить к выполнению операции записи данных из списка, хранящего выводные данные;
     приостановиться (до того момента, когда терминал будет готов принять следующую порцию данных);
     continue; /* возврат к началу цикла */
    }
    скопировать данные в объеме символьного блока из пространства задачи в список, хранящий выводные данные: строковый интерфейс преобразует символы табуляции и т. д.;
   }
   приступить к выполнению операции записи данных из списка, хранящего выводные данные;
  }
  Рисунок 10.13. Алгоритм переписи данных на терминал
'Если на терминал ведут запись несколько процессов, они независимо друг от друга следуют указанной процедуре. Выводимая информация может быть искажена; то есть на терминале данные, записываемые процессами, могут пересекаться. Это может произойти из-за того, что процессы ведут запись на терминал, используя несколько вызовов системной функции write. Ядро может переключать контекст, пока процесс выполняется в режиме задачи, между последовательными вызовами функции write, и вновь запущенные процессы могут вести запись на терминал, пока первый из процессов приостановлен. Выводимые данные могут быть также искажены и на терминале, поскольку процесс может приостановиться на середине выполнения системной функции write, ожидая завершения вывода на терминал из системы предыдущей порции данных. Ядро может запустить другие процессы, которые вели запись на терминал до того, как первый процесс был повторно запущен. По этой причине, ядро не гарантирует, что содержимое буфера данных, выводимое в результате вызова системной функции write, появится на экране терминала в непрерывном виде.
  char form[]="это пример вывода строки из порожденного процесса";
  main() {
   char output[128];
   int i;
   for (i = 0; i ‹ 18; i++) {
    switch (fork()) {
    case -1: /* ошибка — превышено максимальное число процессов */
     exit();
    default: /* родительский процесс */
     break;
    case 0: /* порожденный процесс */
     /* формат вывода строки в переменной output */
      sprintf(output, "%%d\n%s%d\n", form, i, form, i);
      for (; write(1, output, sizeof(output));
     }
   }
  }
  Рисунок 10.14. Передача данных через стандартный вывод
Рассмотрим программу, приведенную на Рисунке 10.14. Родительский процесс создает до 18 порожденных процессов; каждый из порожденных процессов записывает строку (с помощью библиотечной функции sprintf) в массив output, который включает сообщение и значение счетчика i в момент выполнения функции fork, и затем входит в цикл пошаговой переписи строки в файл стандартного вывода. Если стандартным выводом является терминал, терминальный драйвер регулирует поток поступающих данных. Выводимая строка имеет более 64 символов в длину, то есть слишком велика для того, чтобы поместиться в символьном блоке (длиной 64 байта) в версии V системы. Следовательно, терминальному драйверу требуется более одного символьного блока для каждого вызова функции write, иначе выводной поток может стать искаженным. Например, следующие строки были частью выводного потока, полученного в результате выполнения программы на машине AT&T 3B20:
this is a sample output string from child 1
this is a sample outthis is a sample output string from child 0
Чтение данных с терминала в каноническом режиме более сложная операция. В вызове системной функции read указывается количество байт, которые процесс хочет считать, но строковый интерфейс выполняет чтение по получении символа перевода каретки, даже если количество символов не указано. Это удобно с практической точки зрения, так как процесс не в состоянии предугадать, сколько символов пользователь введет с клавиатуры, и, с другой стороны, не имеет смысла ждать, когда пользователь введет большое число символов. Например, пользователи вводят командные строки для командного процессора shell и ожидают ответа shell'а на команду по получении символа возврата каретки. При этом нет никакой разницы, являются ли введенные строки простыми командами, такими как "date" или "who", или же это более сложные последовательности команд, подобные следующей:
pic file* | tbl | eqn | troff -mm -Taps | apsend
Терминальный драйвер и строковый интерфейс ничего не знают о синтаксисе командного процессора shell, и это правильно, поскольку другие программы, которые считывают информацию с терминалов (например, редакторы), имеют различный синтаксис команд. Поэтому строковый интерфейс выполняет чтение по получении символа возврата каретки.
На Рисунке 10.15 показан алгоритм чтения с терминала. Предположим, что терминал работает в каноническом режиме; в разделе 10.3.3 будет рассмотрена работа в режиме без обработки. Если в настоящий момент в любом из символьных списков для хранения вводной информации отсутствуют данные, процесс, выполняющий чтение, приостанавливается до поступления первой строки данных. Когда данные поступают, программа обработки прерывания от терминала запускает "программу обработки прерывания" строкового интерфейса, которая помещает данные в список для хранения неструктурированных вводных данных для передачи процессам, осуществляющим чтение, и в список для хранения выводных данных, передаваемых в качестве эхосопровождения на терминал. Если введенная строка содержит символ возврата каретки, программа обработки прерывания возобновляет выполнение всех приостановленных процессов чтения. Когда процесс, осуществляющий чтение, выполняется, драйвер выбирает символы из списка для хранения неструктурированных вводных данных, обрабатывает символы стирания и удаления и помещает символы в канонический символьный список. Затем он копирует строку символов в адресное пространство задачи до символа возврата каретки или до исчерпания числа символов, указанного в вызове системной функции read, что встретится раньше. Однако, процесс может обнаружить, что данных, ради которых он возобновил свое выполнение, больше не существует: другие процессы считали данные с терминала и удалили их из списка для неструктурированных вводных данных до того, как первый процесс был запущен вновь. Такая ситуация похожа на ту, которая имеет место, когда из канала считывают данные несколько процессов.
  алгоритм terminal_read 
  {
   if (в каноническом символьном списке отсутствуют данные)   {
    do while (в списке для неструктурированных вводных данных отсутствует информация)   {
     if (терминал открыт с параметром "no delay" (без задержки))   return;
     if (терминал в режиме без обработки с использованием таймера и таймер не активен)
      предпринять действия к активизации таймера (таблица ответных сигналов);
     sleep (до поступления данных с терминала);
    }
   /* в списке для неструктурированных вводных данных есть информация */
    if (терминал в режиме без обработки)
     скопировать все данные из списка для неструктурированных вводных данных в канонический список;
    else { /* терминал в каноническом режиме */
     do while (в списке для неструктурированных вводных данных есть символы)   {
      копировать по одному символу из списка для неструктурированных вводных данных в канонический список: выполнить обработку символов стирания и удаления;
      if (символ — "возврат каретки" или "конец файла") break  ; /* выход из цикла */
     }
    }
   }
   do while(в каноническом списке еще есть символы и не исчерпано количество символов, указанное в вызове функции read)
    копировать символы из символьных блоков канонического списка в адресное пространство задачи;
  }
  Рисунок 10.15. Алгоритм чтения с терминала
Обработка символов в направлении ввода и в направлении вывода асимметрична, что видно из наличия двух символьных списков для ввода и одного — для вывода. Строковый интерфейс выводит данные из пространства задачи, обрабатывает их и помещает их в список для хранения выводных данных. Для симметрии следовало бы иметь только один список для вводных данных. Однако, в таком случае потребовалось бы использование программы обработки прерываний для интерпретации символов стирания и удаления, что сделало бы процедуру более сложной и длительной и запретило бы возникновение других прерываний на все критическое время. Использование двух символьных списков для ввода подразумевает, что программа обработки прерываний может просто сбросить символы в список для неструктурированных вводных данных и возобновить выполнение процесса, осуществляющего чтение, который собственно и возьмет на себя работу по интерпретации вводных данных. При этом программа обработки прерываний немедленно помещает введенные символы в список для хранения выводных данных, так что пользователь испытывает лишь минимальную задержку при просмотре введенных символов на терминале.
  char input[256];
  main() {
   register int i;
   for (i = 0; i ‹ 18; i++) {
    switch (fork()) {
    case -1: /* ошибка */
     printf("операция fork не выполнена из-за ошибки\n");
     exit();
    default: /* родительский процесс */
     break;
    case 0: /* порожденный процесс */
     for (; {
      read(0, input, 256);   /* чтение строки */
      printf("%d чтение %s\n",i,input);
     }
    }
   }
  }
  Рисунок 10.16. Конкуренция за данные, вводимые с терминала
На Рисунке 10.16 приведена программа, в которой родительский процесс порождает несколько процессов, осуществляющих чтение из файла стандартного ввода, конкурируя за получение данных, вводимых с терминала. Ввод с терминала обычно осуществляется слишком медленно для того, чтобы удовлетворить все процессы, ведущие чтение, поэтому процессы большую часть времени находятся в приостановленном состоянии в соответствии с алгоритмом terminal_read, ожидая ввода данных. Когда пользователь вводит строку данных, программа обработки прерываний от терминала возобновляет выполнение всех процессов, ведущих чтение; поскольку они были приостановлены с одним и тем же уровнем приоритета, они выбираются для запуска с одинаковым уровнем приоритета. Пользователь не в состоянии предугадать, какой из процессов выполняется и считывает строку данных; успешно созданный процесс печатает значение переменной i в момент его создания. Все другие процессы в конце концов будут запущены, но вполне возможно, что они не обнаружат введенной информации в списках для хранения вводных данных и их выполнение снова будет приостановлено. Вся процедура повторяется для каждой введенной строки; нельзя дать гарантию, что ни один из процессов не захватит все введенные данные.
Одновременному чтению с терминала несколькими процессами присуща неоднозначность, но ядро справляется с ситуацией наилучшим образом. С другой стороны, ядро обязано позволять процессам одновременно считывать данные с терминала, иначе порожденные командным процессором shell процессы, читающие из стандартного ввода, никогда не будут работать, поскольку shell тоже обращается к стандартному вводу. Короче говоря, процессы должны синхронизировать свои обращения к терминалу на пользовательском уровне.
Когда пользователь вводит символ "конец файла" (Ctrl-d в ASCII), строковый интерфейс передает функции read введенную строку до символа конца файла, но не включая его. Он не передает данные (код возврата 0) функции read, если в символьном списке встретился только символ "конец файла"; вызывающий процесс сам распознает, что обнаружен конец файла и больше не следует считывать данные с терминала. Если еще раз обратиться к примерам программ по shell'у, приведенным в главе 7, можно отметить, что цикл работы shell'а завершается, когда пользователь нажимает ‹Ctrl-d›: функция read возвращает 0 и производится выход из shell'а.
В этом разделе рассмотрена работа терминалов ввода-вывода, которые передают данные на машину по одному символу за одну операцию, в точности как пользователь их вводит с клавиатуры. Интеллектуальные терминалы подготавливают свой вводной поток на внешнем устройстве, освобождая центральный процессор для другой работы. Структура драйверов для таких терминалов походит на структуру драйверов для терминалов ввода-вывода, несмотря на то, что функции строкового интерфейса различаются в зависимости от возможностей внешних устройств.

10.3.3 Терминальный драйвер в режиме без обработки символов

Пользователи устанавливают параметры терминала, такие как символы стирания и удаления, и извлекают значения текущих установок с помощью системной функции ioctl. Сходным образом они устанавливают необходимость эхо-сопровождения ввода данных с терминала, задают скорость передачи информации в бодах, заполняют очереди символов ввода и вывода или вручную запускают и останавливают выводной поток символов. В информационной структуре терминального драйвера хранятся различные управляющие установки (см. [SVID 85], стр.281), и строковый интерфейс получает параметры функции ioctl и устанавливает или считывает значения соответствующих полей структуры данных. Когда процесс устанавливает значения параметров терминала, он делает это для всех процессов, использующих терминал. Установки терминала не сбрасываются автоматически при выходе из процесса, сделавшего изменения в установках.
Процессы могут также перевести терминал в режим без обработки символов, в котором строковый интерфейс передает символы в точном соответствии с тем, как пользователь ввел их: обработка вводного потока полностью отсутствует. Однако, ядро должно знать, когда выполнить вызванную пользователем системную функцию read, поскольку символ возврата каретки трактуется как обычный введенный символ. Оно выполняет функцию read после того, как с терминала будет введено минимальное число символов или по прохождении фиксированного промежутка времени от момента получения с терминала любого набора символов. В последнем случае ядро хронометрирует ввод символов с терминала, помещая записи в таблицу ответных сигналов (глава 8). Оба критерия (минимальное число символов и фиксированный промежуток времени) задаются в вызове функции ioctl. Когда соответствующие критерии удовлетворены, программа обработки прерываний строкового интерфейса возобновляет выполнение всех приостановленных процессов. Драйвер пересылает все символы из списка для хранения неструктурированных вводных данных в канонический список и выполняет запрос процесса на чтение, следуя тому же самому алгоритму, что и в случае работы в каноническом режиме. Режим без обработки символов особенно важен в экранно-ориентированных приложениях, таких как экранный редактор vi, многие из команд которого не заканчиваются символом возврата каретки. Например, команда dw удаляет слово в текущей позиции курсора.
На Рисунке 10.17 приведена программа, использующая функцию ioctl для сохранения текущих установок терминала для файла с дескриптором 0, что соответствует значению дескриптора файла стандартного ввода. Функция ioctl с командой TCGETA приказывает драйверу извлечь установки и сохранить их в структуре с именем savetty в адресном пространстве задачи. Эта команда часто используется для того, чтобы определить, является ли файл терминалом или нет, поскольку она ничего не изменяет в системе: если она завершается неудачно, процессы предполагают, что файл не является терминалом. Здесь же, процесс вторично вызывает функцию ioctl для того, чтобы перевести терминал в режим без обработки: он отключает эхо-сопровождение ввода символов и готовится к выполнению операций чтения с терминала по получении с терминала 5 символов, как минимум, или по прохождении 10 секунд с момента ввода первой порции символов. Когда процесс получает сигнал о прерывании, он сбрасывает первоначальные параметры терминала и завершается.
  #include ‹signal.h›
  #include ‹termio.h›
  struct termio savetty;
  main() {
   extern sigcatch();
   struct termio newtty;
   int nrd;
   char buf[32];
   signal(SIGINT, sigcatch);
   if (ioctl(0, TCGETA, &savetty) == -1) {
    printf("ioctl завершилась неудачно: нет терминала\n");
    exit();
   }
   newtty = savetty;
   newtty.c_lflag &= ~ICANON; /* выход из канонического режима */
   newtty.c_lflag &= ~ECHO; /* отключение эхо-сопровождения*/
   newtty.c_cc[VMIN] = 5; /* минимум 5 символов */
   newtty.c_cc[VTIME] = 100; /* интервал 10 секунд */
   if (ioctl(0,TCSETAF, &newtty) == -1) {
    printf("не могу перевести тер-л в режим без обработки\n");
    exit();
   }
   for(; {
    nrd = read(0, buf, sizeof(buf));
    buf[nrd] = 0;
    printf("чтение %d символов %s'\n", nrd, buf);
   }
  }
  sigcatch() {
   ioctl(0, TCSETAF, &savetty);
   exit();
  }
  Рисунок 10.17. Режим без обработки — чтение 5-символьных блоков