1.3. Беглый взгляд на архитектуру unix

Презентация 2-02: беглый взгляд на архитектуру UNIX

Самый общий взгляд на архитектуру UNIX позволяет увидеть двухуровневую модель системы, состоящую из пользовательской и системной части (ядра) (см. Рисунок 1.20, «Архитектура операционной системы UNIX»). Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, изолируя прикладные программы (процессы в пользовательской части операционной системы) от особенностей ее архитектуры. Ядро имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам посредством системных вызовов. Таким образом, в системе можно выделить два уровня привилегий: уровень системы (привиегии специального пользователя root) и уровень пользователя (привилегии всех остальных пользователей). Подробнее об управлении доступом рассказывается в следующих главах (Глава 3, Безопасность операционной системы UNIX).

Рис.1.20. Архитектура операционной системы UNIX

Важной частью системных программ являются демоны. Демон – это процесс, выполняющий определенную функцию в системе, который запускается при старте системы и не связан ни с одним пользовательским терминалом. Демоны предоставляют пользователям определенные сервисы, примерами которых могут служить системный журнал, веб-сервер и т.п.. Аналогом демонов в операционной системе Windows NT и более поздних версиях являются системные службы.

2. Ядро unix

Презентация 2-03: ядро UNIX

Операционная система UNIX обладает классическим монолитным ядром (см. «Архитектура операционной системы»), в котором можно выделить следующие основные части:

• Файловая подсистема.

• Доступ к структурам ядра осуществляется через файловый интерфейс.

• Управление процессами.

Сюда входит управление параллельным выполнением процессов (планирование и диспетчеризация), виртуальной памятью процесса, и взаимодействием между процессами (сигналы, очереди сообщений и т.п.).

• Драйверы устройств.

Драйверы устройств делятся на символьные и блочные по типу внешнего устройства. Для каждого из устройств определен набор возможных операций (открытие, чтение и т.д.). Блочные устройства кэшируются с помощью специального внутреннего механизма управления буферами.

Рис.1.21. Ядро операционной системы UNIX

Благодаря тому, что в UNIX аппаратно-независимая часть явно отделена, это семейство операционных систем может быть с минимальными затратами перенесено на новые аппаратные платформы.

Видно, что ядро операционной системы UNIX является классическим для многозадачной многопользовательской операционной системы, поэтому оно широко используется в обучении системному программированию и теории операционных систем.

3. Файловая система unix

Термин файловая система по историческим причинам обозначает одновременно и иерархию каталогов и файлов, и часть ядра, управляющую доступом к каталогам и файлам.

3.1. Особенности файловой системы

Презентация 2-04: файловая система UNIX

Первое значение термина упирается в рассмотрение структур, в которые могут быть организованы файлы на носителях данных. Существует несколько видов таких структур: линейные, древовидные, объектные и другие, но в настоящее время широко распространены только древовидные структуры.

Каждый файл в древовидной структуре расположен в определенном хранилище файлов–каталоге, каждый каталог, в свою очередь, также расположен в некотором каталоге. Таким образом, по принципу вложения элементов файловой системы (файлов и каталогов) друг в друга строится дерево, вершинами которого являются непустые каталоги, а листьями – файлы или пустые каталоги. Корень такого дерева имеет название корневой каталог и обозначается каким-либо специальным символом или группой символов (например, «C:» в операционной системе Windows). Каждому файлу соответствует некоторое имя, определяющее его расположение в дереве файловой системы. Полное имя файла состоит из имен всех вершин дерева файловой системы, через которые можно пройти от корня до данного файла (каталога), записывая их слева направо и разделяя специальными символами-разделителями.

В настоящее время существует огромное количество файловых систем, каждая из которых используется для определенной цели: для быстрого доступа к данным, для обеспечения целостности данных при сбоях системы, для простоты реализации, для компактного хранения данных, и т.д. Однако среди всего множества файловых систем можно выделить такие, которые обладают рядом схожих признаков, а именно:

• Презентация 2-05: индексный узел

Файлы и каталоги идентифицируются не по именам, а по индексным узлам (i-node)– индексам в общем массиве файлов для данной файловой системе. В этом массиве хранится информация об используемых блоках данных на носителе, а также – длина файла, владелец файла, права доступа и другая служебная информация под общим названием «метаданные о файле». Логические же связки типа «имя–i-node»– есть ни что иное, как содержимое каталогов.

Таким образом, каждый файл характеризуется одним i-node, но может быть связан с несколькими именами – в UNIX это называют жёсткими ссылками (см. Рисунок 1.22, «Пример жесткой ссылки»). При этом, удаление файла происходит тогда, когда удаляется последняя жёсткая ссылка на этот файл.

Рис.1.22. Пример жесткой ссылки

Важной особенностью таких файловых систем является то, что имена файлов зависят от регистра, другими словами файлы test.txt и TEST.txt отличаются (т.е. являются разными строками в файле директории).

• В определенных (фиксированных для данной файловой системы) блоках физического носителя данных находится т.н. суперблок. Суперблок – это наиболее ответственная область файловой системы, содержащая информацию для работы файловой системы в целом, а также – для ёе идентификации. В суперблоке находится «магическое число» – идентификатор файловой системы, отличающий её от других файловых систем, список свободных блоков, список свободных i-node'ов и некоторая другая служебная информация.

• Помимо каталогов и обычных файлов для хранения информации, ФС может содержать следующие виды файлов:

Специальный файл устройства

Обеспечивает доступ к физическому устройству. При создании такого устройства указывается тип устройства (блочное или символьное), старший номер – индекс драйвера в таблице драйверов операционной системы и младший номер – параметр, передаваемый драйверу, поддерживающему несколько устройств, для уточнения о каком «подустройстве» идет речь (например, о каком из нескольких IDE-устройств или COM-портов).

Именованный канал.

Используется для передачи данных между процессами, работает по принципу двунаправленной очереди (FIFO). Является одним из способов обмена между изолированными процессами (подробнее см. «Межпроцессное взаимодействие»).

Символическая ссылка.

Особый тип файла, содержимое которого – не данные, а имя какого-либо другого файла (см. Рисунок 1.23, «Пример символической ссылки». Для пользователя такой файл неотличим от того, на который он ссылается.

Символическая ссылка имеет ряд преимуществ по сравнению с жёсткой ссылкой: она может использоваться для связи файлов в разных файловых системах (ведь номера индексных узлов уникальны только в рамках одной файловой системы), а также более прозрачно удаление файлов – ссылка может удаляться совершенно независимо от основного файла.

Рис.1.23. Пример символической ссылки

Сокет.

Предназначен для взаимодействия между процессами через специальное API, схожее с TCP/IP-сокетеми (подробнее см. «Межпроцессное взаимодействие»).

Такие файловые системы наследуют особенности оригинального UNIX. К ним можно отнести, например: s5 (используемая в версиях UNIX System V), ufs (BSD UNIX), ext2, ext3, reiserfs (Linux), qnxfs (QNX). Все эти файловые системы различаются форматами внутренних структур, но совместимы с точки зрения основных концепций.