Operační systémy

Editovat
Note

Architektury operačních systémů, aplikační programovací rozhraní operačních systémů. Periferie, jejich správa, ovladače. Procesy a vlákna, synchronizace procesů a vláken.

PB152/PB153

Operační systém (OS) je sada programů, které řídí a spravují prostředky počítače, koordinují spouštění programů a zabraňují chybám způsobených jejich vzájemným ovlivňováním.

Komponenty OS

Kernel

Nejnižší úroveň OS bežící v privilegovaném módu. Spravuje hardware a vynucuje izolaci programů. Poskytuje systémová volání.

Systémové knihovny

Vrstva nad Kernelem umožnující komunikaci mezi ním a programy, které v OS běží. Systémová volání a jejich funkce v C, které je obalují.

Systémoví démoni (služby)

Programy běžící na pozadí.

Uživatelské rozhraní

Dělí se zhruba na Terminal User Interface (TUI) a Graphical User Interface. Shell je terminálové rozhraní kernelu.

Systémové utility

Programy, které nejsou součástí jádra, ale systém by bez nich nebyl dost dobře použitelný.

Architektury Kernelu

Monolitický kernel

Obsahuje velké množství funkcionality za hranicí pouhé izolace programů: ovladače, souborové systémy, network stack, šifrování dat.

Microkernel

Omezuje množství kódu, které běží v privilegovaném módu. Základ (memory protection, obsluha přerušení, scheduling a IPC) běží privilegovaně, ale všechno ostatní (zejména ovladače) běží v userlandu. Je pomalejší než monolit, ale robustnější.

Hybridní kernel

Vykuchaný monolit.

Exokernel

Menší než microkernel. Určen pro specifické výzkumné účely.

Type 1 Hypervisor

Podobný microkernelu a exokernelu, ale místo aplikací provozuje další OS.

Unikernel

Kernel obsluhující právě jednu aplikaci. Užitečné pro hypervisor.

Aplikační programovací rozhraní (API) OS

Kernel poskytuje sadu systémových volání — Application Binary Interface (ABI). Jelikož systémové volání svou nízkourovňovostí úplně praktické, existuje Application Programming Interface (API) — sada funkcí v C, které obalují systémová volání.

glibc

Standardní knihovna na Linuxech. Implementuje POSIX — API operačního systému UNIX.

Win32 a msvcrt

Ekvivalent glibc na platformě Windows. Neimplementuje POSIX.

System Call Sequence

  1. Připrav argumenty (na zásobník nebo do registrů).

  2. Dej číslo syscallu do příslušného registru.

  3. Přepni do privilegovaného módu (interrupt).

  4. Kernel zavolá správný system call handler.

Periferie

Všechny součásti počítače kromě procesoru, operační paměti a řadiče.

Ovladače

Programy komunikující s periferiemi a zpřístupňující jejich funkcionalitu ostatním programům. Bývají nepřenosné — závislé jak na OS, tak na zařízení, které ovládají.

Direct Memory Access

Zařízení zapisuje přímo do RAM, aniž by data propisovalo CPU.

Grafické ovladače

  • Komunikují s grafickou kartou (Graphics Processing Unit (GPU)).

  • Umožňují grafickou akceleraci — berou grafickou práci CPU a dávají ji GPU.

  • Implementují grafická rozhraní jako OpenGL, DirectX, Vulkan, Metal, atd.

  • Implementují výpočetní rozhraní jako je CUDA a OpenCL.

  • Překládají shadery v GLSL/HLSL/SPIR na instrukce specifické pro danou grafickou kartu.

Síťové ovladače

  • Komunikují se síťovou kartou (Network Interface Controller (NIC)).

  • Šetří CPU práci pomocí Checksum and TCP offloading na NIC.

  • Implementují fronty na odesílané a přijímané pakety.

Procesy a vlákna

Procesor má více jáder (a HW vláken). To mu umožňuje vykonávat více instrukcí najednou.

OS má procesy. Proces je spuštěná instance programu.

Proces má vlákna. Tato vlákna vytváří a spravuje OS. Kernel rozhoduje, kdy které vlákno na kterém CPU jádře poběží.

Proces

Binárka programu, kterou OS nakopíroval do paměti a spustil v ní main (dynamická instance statické executable). Má vlastní adresní prostor, čas procesoru a otevřené soubory.

Vytvoření procesu na Linuxech

  1. fork — vytvoří identickou kopii volajícího procesu.

  2. exec — přepíše aktuální proces statickou executable.

Vytvoření procesu na Windows

¯\_( ͡° ͜ʖ ͡°)_/¯

Thread (vlákno)

Jednotka výpočtu. Sekvence instrukcí s vlastním zásobníkem. Vlákna jednoho procesu však sdílí adresní prostor. Využíťí vláken umožňuje programu děli práci mezi více jáder.

Synchronizace

Vlákna na sebe mohou čekat. Představte si situaci, kdy hlavní vlákno čeká na vlákna podřízená, aby zkombinovalo jejich výsledky.

Kritická sekce

Sekvence instrukcí, které mohou být vykonány pouze jedním vláknem/procesem najednou. Pokud v kritické sekci už nějaké vlákno je, ostatní musí počkat.

Race condition

Nežadoucí chování závislé na načasování vláken, kde pořadí výpočtu není zaručeno.

Mutual exclusion device (mutex)

Prostředek synchronizace vláken. Lze ho zamknout (zamknuvší vlákno jako jediné může nakládat se zdrojem) a odemknout (vlákno se vzdává moci nad zdrojem).

Semaphore

Mutex, co umožňuje přístup omezenému počtu vláken.

Spinlock

Typ mutexu implementující ,,Už tam budem?'' ad infinitum.

while(!unlock(mutex)) {}

Suspending mutex

Mutex, co, pokud je zdroj obsazen, požádá scheduler, aby vlákno uspal. Procesor může mezitím vykonávat jiná vlákna.

Bariéra

Umožnuje synchronizaci většího počtu vláken. Představ si, že paralelizovaný výpočet má vícero fází, a fáze nemůže začít dřív, než předchozí fáze skončí.