Untitled Document

Практически все протоколы, на которых основан Internet, были разработаны под Unix, в частности стек протоколов TCP/IP придуман в университете Berkeley.

Важным свойством Unix является его многотерминальность когда много пользователей могут одновременно запускать программы на одной Unix-машине. Своей масштабируемостью Unix из-за его многоплатформенности на порядок превосходит любую другую операционную систему .

Независимо от версии, общими для Unix чертами являются:

многопользовательский режим со средствами защиты данных от несанкционированного доступа
реализация мультипрограммной обработки в режиме разделения времени, основанная на использовании алгоритмов вытесняющей многозадачности (preemptive multitasking)
использование механизмов виртуальной памяти и свопинга для повышения уровня мультипрограммирования
унификация операций ввода-вывода на основе расширенного использования понятия файл
иерархическая файловая система, образующая единое дерево каталогов независимо от количества физических устройств, используемых для размещения файлов
переносимость системы за счет написания ее основной части на языке C
разнообразные средства взаимодействия процессов, в том числе и через сеть
кэширование диска для уменьшения среднего времени доступа к файлам.

Хотя операционная система и большинство команд написаны на Си, система UNIX поддерживает ряд других языков, таких как Фортран, Бейсик, Паскаль, Ада, Кобол, Лисп и Пролог. Система UNIX может поддерживать любой язык программирования, для которого имеется компилятор или интерпретатор, и обеспечивать системный интерфейс, устанавливающий соответствие между пользовательскими запросами к операционной системе и набором запросов, принятых в UNIX.

Unix состоит из ядра с включенными в него драйверами и из утилит (внешних по отношению к ядру программ). Если надо изменить конфигурацию (добавить устройство, изменить порт или прерывание), то ядро пересобирают (перелинковывают) из обьектных модулей или (напр., во FreeBSD) из исходников. (Некоторые параметры пожно поправить без пересборки. Существуют также loadable kernel modules).

Выполняя различные элементарные операции по запросам пользовательских процессов, ядро обеспечивает функционирование пользовательского интерфейса. Среди функций ядра можно отметить:

Управление выполнением процессов посредством их создания, завершения или приостановки и организации взаимодействия между ними.
Планирование очередности предоставления выполняющимся процессам времени центрального процессора (диспетчеризация). Процессы работают с центральным процессором в режиме разделения времени: центральный процессор выполняет процесс по завершении отсчитываемого ядром кванта времени процесс приостанавливается и ядро активизирует выполнение другого процесса. Позднее ядро запускает приостановленный процесс.
Выделение выполняемому процессу оперативной памяти. Ядро операционной системы дает процессам возможность совместно использовать участки адресного пространства на определенных условиях, защищая при этом адресное пространство, выделенное процессу, от вмешательства извне. Если системе требуется свободная память, ядро освобождает память, временно выгружая процесс на внешние запоминающие устройства, которые называют устройствами выгрузки. Если ядро выгружает процессы на устройства выгрузки целиком, такая реализация системы UNIX называется системой со свопингом (подкачкой); если же на устройство выгрузки выводятся страницы памяти, такая система называется системой с замещением страниц.
Выделение внешней памяти с целью обеспечения эффективного хранения информации и выборка данных пользователя. Именно в процессе реализации этой функции создается файловая система. Ядро выделяет внешнюю память под пользовательские файлы, мобилизует неиспользуемую память, структурирует файловую систему в форме, доступной для понимания, и защищает пользовательские файлы от несанкционированного доступа.
Управление доступом процессов к периферийным устройствам, таким как терминалы, ленточные устройства, дисководы и сетевое оборудование.
Выполнение ядром своих функций довольно очевидно. Например, оно узнает, что данный файл является обычным файлом или устройством, но скрывает это различие от пользовательских процессов. Так же оно, форматируя информацию файла для внутреннего хранения, защищает внутренний формат от пользовательских процессов, возвращая им неотформатированный поток байтов. Наконец, ядро реализует ряд необходимых функций по обеспечению выполнения процессов пользовательского уровня, за исключением функций, которые могут быть реализованы на самом пользовательском уровне. Например, ядро выполняет действия, необходимые shell'y как интерпретатору команд: оно позволяет процессору shell читать вводимые с терминала данные, динамически порождать процессы, синхронизировать выполнение процессов, открывать каналы и переадресовывать ввод-вывод. Пользователи могут разрабатывать свои версии командного процессора shell с тем, чтобы привести рабочую среду в соответствие со своими требованиями, не затрагивая других пользователей. Такие программы пользуются теми же услугами ядра, что и стандартный процессор shell.

Unix является изначально многопользовательской и многозадачной системой . В Unix используется вытесняющая многозадачность.
Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

По критериям эффективности, использованным при разработке ОС, Unix относится к многозадачным системам разделения времени.
Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.

Unix базируется на двух основных понятиях: процесс и файл. Процессы являют собой динамическую сторону системы, это субъекты; а файлы - статическую, это объекты действия процессов.

Почти весь интерфейс взаимодействия процессов с ядром и друг с другом выглядит как запись/чтение файлов. Процессы нельзя путать с программами - одна программа может выполняться в разных процессах. Процессы можно весьма условно разделить на два типа - задачи и демоны. Задача - это процесс, который выполняет свою работу, стремясь побыстрее закончить ее и завершиться. Демон ждет событий, которые он должен обработать, обрабатывает произошедшие события и снова ждет; завершается он как правило по приказу другого процесса, чаще всего его убивает пользователь, дав команду kill номер_процесса.

В Unix для файла существует три типа имени - краткое, полное и относительное.
Краткое имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Оно может содержать так называемый суффикс, отделяемый точкой. Полное имя однозначно определяет файл. Оно состоит из цепочки имен каталогов, через которые проходит маршрут от корневого каталога до данного файла.
Имена каталогов разделяются символами "/", при этом имя корневого каталога не указывается, например, /mnt/rk2/test.c, где mnt и rk2 - имена каталогов, а test.c - имя файла. Каждому полному имени в ОС соответствует только один файл, однако файл может иметь несколько различных имен, так как ссылки на один и тот же файл могут содержаться в разных каталогах (жесткие связи). Относительное имя файла связано с понятием текущий каталог, то есть каталог, имя которого задавать не нужно, так как оно подразумевается по умолчанию.
Имя файла относительно текущего каталога называется относительным. Оно представляет собой цепочку имен каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога до данного файла. Относительное имя в отличие от полного не начинается с символа "/". Так, если в предыдущем примере принять за текущий каталог /mnt, то относительное имя файла test.c будет rk2/test.c.

Программы, выполняемые под управлением системы UNIX, не содержат никакой информации относительно внутреннего формата, в котором ядро хранит файлы данных, данные в программах представляются как бесформатный поток байтов. Программы могут интерпретировать поток байтов по своему желанию, при этом любая интерпретация никак не будет связана с фактическим способом хранения данных в операционной системе. Так, синтаксические правила, определяющие задание метода доступа к данным в файле, устанавливаются системой и являются едиными для всех программ, однако семантика данных определяется конкретной программой. Например, программа форматирования текста troff ищет конце каждой строки текста символы перехода на новую строку, а программа учета системных ресурсов acctcom работает с записями фиксированной длины. Обе программы пользуются одними и теми же системными средствами для осуществления доступа к данным в файле как к потоку байтов, и внутри себя преобразуют этот поток по соответствующему формату. Если любая из программ обнаружит, что формат данных неверен, она принимает соответствующие меры.

Каталоги похожи на обычные файлы в одном отношении: система представляет информацию в каталоге набором байтов, но эта информация включает в себя имена файлов в каталоге в объявленном формате для того, чтобы операционная система и программы, такие как Is (выводит список имен и атрибутов файлов), могли их обнаружить.

В директории кроме имени файла находится его идентефикатор inode - целое число, определяющее номер блока, в котором записаны атрибуты файла. Среди них: номер пользователя - хозяина файла; номер группы; количество ссылок на файл даты и время создания, последней модификации и последнего обращения к файлу; атрибуты доступа. Атрибуты доступа содержат тип файла, атрибуты смены прав при запуске и права доступа к нему для хозяина, одногрупника и остальных на чтение, запись и выполнение. Право на стирание файла определяется правом записи в вышележащую директорию.

Каждый файл (но не директория) может быть известен под несколькими именами, но обязательно лежащими на одном разделе. Все ссылки на файл равноправны; файл стирается, когда удаляется последняя ссылка на файл. Если файл открыт, то число ссылок на него увеличивается еще на единицу; так многие программы, открывающие временный файл, сразу удаляют его, чтобы при аварийном завершении, когда операционная система закрывает открытые процессом файлы, этот временный файл был удален операционной системой.

Есть еще одна интересная особенность файловой системы: если после создания файла запись в него шла не подряд, а с большими интервалами, то для этих интервалов место на диске не выделяется. Таким образом суммарный обьем файлов в разделе может быть больше обьема раздела, а при удалении такого файла освобождается меньше места, чем его размер.

Пользователи могут создавать файлы, если разрешен доступ к каталогу. Вновь созданные файлы становятся листьями в древовидной структуре файловой системы.

Для пользователя система UNIX трактует устройства так, как если бы они были файлами. Устройства, для которых назначены специальные файлы устройств, становятся вершинами в структуре файловой системы. Обращение программ к устройствам имеет тот же самый синтаксис, что и обращение к обычным файлам; семантика операций чтения и записи по отношению к устройствам в большой степени совпадает с семантикой операций чтения записи обычных файлов. Способ защиты устройств совпадает со способом защиты обычных файлов: путем соответствующей установки битов разрешения доступа к ним (файлам). Поскольку имена устройств выглядят так же, как и имена обычных файлов, и поскольку над устройствами и над обычными файлами выполняются одни и те же операции, большинству программ нет необходимости различать внутри себя типы обрабатываемых файлов.

В Unix практически всегда входят два командных интерпретатора - sh - Bourne shell и csh - С-shell. Кроме них еще бывают bash - Bourne Again shell, ksh - Korn-shell, и другие. Как правило, все shell находятся в каталоге /bin. Но это не обязательно. Все установленные в системе оболочки перечислены в файле /etc/shells.

Все команды, кроме изменения текущей директории, установки переменных окружения (environment) и операторов структурного программирования - внешние программы. Программы эти как правило располагаются в каталогах /bin и /usr/bin. Программы системного администрирования - в каталогах /sbin и /usr/sbin. Команда состоит из имени запускаемой программы и аргументов. Аргументы отделяются от имени команды и друг от друга пробелами и табуляциями. Некоторые спецсимволы интерпретируются самим shell. Спецсимволами являются " ' ` \ ! $ ^ * ? | & ; .

В одной командной строке можно дать несколько команд. Команды могут быть разделены ; (последовательное выполнение команд), & (асинхронное одновременное выполнение команд), | (синхронное выполнение, стандартный вывод stdout первой команды будет подан на стандартный ввод stdin второй).

Кроме того, можно брать стандартный ввод из файла, включив в качестве одного из аргументов ">файл" (файл будет обнулен) или ">>файл" (запись будет произведена в конец файла). Сама программа не получит этого аргумента; чтобы узнать, что ввод или вывод переназначены, программа должна сама предпринять некоторые весьма нетривиальные телодвижения.

Операционная система взаимодействует с аппаратурой непосредственно обеспечивая обслуживание программ и их независимость от деталей аппаратной конфигурации. Если представить систему состоящей из пластов, в ней можно выделить системное ядро, изолированное от пользовательских программ. Поскольку программы не зависят от аппаратуры, их легко переносить из одной системы UNIX в другую, функционирующую на другом комплексе технических средств, если только в этих программах не подразумевается работа с конкретным оборудованием. Например, программы, рассчитанные на определенный размер машинного слова, гораздо труднее переводить на другие машины по сравнению с программами, не требующими подобных установлений.

Программы, подобные командному процессору shell и редакторам (ed и vi), взаимодействуют с ядром при помощи хорошо определенного набора обращений к операционной системе. Обращения к операционной системе понуждают ядро к выполнению различных операций, которых требует вызывающая программа, и обеспечивают обмен данными между ядром и программой. Некоторые из программ, в стандартных конфигурациях системы известны как команды, однако на одном уровне с ними могут располагаться и доступные пользователю программы, такие как программа a.out, стандартное имя для исполняемого файла, созданного компилятором с языка Си. Другие прикладные программы располагаются на верхнем уровне. Например, стандартный компилятор с языка Си, ее, располагается на самом внешнем слое: он вызывает препроцессор для Си, ассемблер и загрузчик (компоновщик), т.е. отдельные программы предыдущего уровня. Пользователь может расширить иерархическую структуру на столько уровней, сколько необходимо. В самом деле, стиль программирования, принятый в системе UNIX, допускает разработку комбинации программ, выполняющие одну и ту же, общую задачу.

Многие прикладные подсистемы и программы, составляющие верхний уровень системы, такие как командный процессор shell, редакторы, SCCS (система обработки исходных текстов программ) и пакеты программ подготовки документации, постепенно становятся синонимом понятия "система Unix". Однако все они пользуются услугами программ нижних уровней и в конечном счете ядра с помощью набора обращений к операционной системе. В версии V принято 64 типа обращений к операционной системе, из которых немногим меньше половины используются часто. Они имеют несложные параметры, что облегчает их использование, предоставляя при этом большие возможности пользователю. Набор обращений к операционной системе вместе с реализующими их внутренними алгоритмами составляют "тело" ядра. Короче говоря, ядро реализует функции, на которых основывается выполнение всех прикладных программ в системе Unix, и им же определяются эти функции.

Программой называется исполняемый файл, а процессом называется последовательность операций программы или часть программы при ее выполнении. В системе UNIX может одновременно выполняться множество процессов (эту особенность иногда называют мультипрограммированием или многозадачным режимом), при чем их число логически не ограничивается, и множество частей программы (такой как сору) может одновременно находиться в системе. Различные системные операции позволяют процессам порождать новые процессы, завершают процессы, синхронизируют выполнение этапов процесса исправляют реакцией на наступление различных событий. Благодаря различным обращениям к операционной системе, процессы выполняются независимо друг от друга.

Использование обращений к операционной системе дает возможность пользователю создавать программы, выполняющие сложные действия, и как следствие, ядро операционной системы UNIX не включает в себя многие функции, являющиеся частью,"ядра" в других системах. Такие функции, и среди них компиляторы и редакторы, в системе Unix являются программами пользовательского уровня. Наиболее характерным примером подобной программы может служить командный процессор shell, с которым обычно взаимодействуют пользователи после входа в систему. Shell интерпретирует первое слово командной строки как имя команды: во многих командах, в том числе и в командах fork (породить новый процесс) и exec (выполнить порожденный процесс), сама команда ассоциируется с ее именем, все остальные слова в командной строке трактуются как параметры команды.

Shell обрабатывает команды трех типов. Во-первых, в качестве имени команды может быть указано имя исполняемого файла в объектном коде, полученного в результате компиляции исходного текста программы (например, программы на языке Си). Во-вторых, именем команды может быть имя командного файла, содержащего набор командных строк, обрабатываемых shell'oм. Наконец, команда может быть внутренней командой языка shell (в отличие от исполняемого файла). Наличие внутренних команд делает shell языком программирования в дополнение к функциям командного процессора; командный язык shell включает команды организации циклов (for-in-do-done и while-do-done), команды выполнения по условиям (if-then-else-fi), оператор выбора, команду изменения текущего для процесса каталога (cd) и некоторые другие. Синтаксис shell'a допускает сравнение с образцом и обработку параметров. Пользователям, запускающим команды, нет необходимости знать, какого типа эти команды.

Командный процессор shell ищет имена команд в указанном наборе каталогов, который можно изменить по желанию пользователя, вызвав shell. Shell обычно исполняет команду синхронно, с ожиданием завершения выполнения команды прежде, чем считать следующую командную строку. Тем не менее, допускается и асинхронное исполнение, когда очередная командная строка считывается и исполняется, не дожидаясь завершения выполнения предыдущей команды. О командах, выполняемых асинхронно, говорят, что они выполняются на фоне других команд.

Поскольку shell является пользовательской программой и не входит в состав ядра операционной системы, его легко модифицировать и помещать в конкретные условия эксплуатации. Например, вместо командного процессора Баурна (называемого так по имени его создателя, Стива Баурна), являющегося частью версии V стандартной системы, можно использовать процессор команд Си, обеспечивающий работу механизма ведения истории изменений и позволяющий избегать повторного ввода только что использованных команд. В некоторых случаях при желании можно воспользоваться командным процессором shell с ограниченными возможностями, являющимся предыдущей версией обычного shell'a. Система может работать с несколькими командными процессорами одновременно. Пользователи имеют возможность запускать одновременно множество процессов, процессы же в свою очередь могут динамически порождать новые процессы и синхронизировать их выполнение. Все эти возможности обеспечиваются благодаря наличию мощных программных и аппаратных средств, составляющих среду выполнения процессов.

Хотя привлекательность shell'a в наибольшей степени определяется его возможностями как языка программирования и его возможностями в обработке аргументов, в данном разделе основное внимание концентрируется на среде выполнения процессов, управление которой в системе возложено на командный процессор shell.