ऑपरेटिंग सिस्टम का परिचय

नमस्कार, हेब्र! मैं आपके ध्यान में एक दिलचस्प साहित्य के लेख-अनुवाद की एक श्रंखला लाना चाहता हूं - OSTEP। यह लेख यूनिक्स जैसे ऑपरेटिंग सिस्टम के काम पर गहराई से चर्चा करता है, अर्थात्, प्रक्रियाओं के साथ काम करते हैं, विभिन्न शेड्यूलर, मेमोरी, और अन्य समान घटक जो आधुनिक ओएस बनाते हैं। सभी सामग्रियों का मूल आप यहां देख सकते हैं। कृपया ध्यान दें कि अनुवाद अनप्रोफेशनली (काफी स्वतंत्र रूप से) किया गया था, लेकिन मुझे आशा है कि मैंने सामान्य अर्थ को बरकरार रखा।

इस विषय पर प्रयोगशाला का काम यहां पाया जा सकता है:

• मूल: Pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Homework/homework.html
• मूल: github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code
• मेरा व्यक्तिगत अनुकूलन: github.com/bykvaadm/OS/tree/master/ostep
• भाग 3: अनुसूचक का परिचय

अन्य भागों:

• भाग 1: परिचय
• भाग 2: अमूर्त: प्रक्रिया
• भाग 3: प्रक्रिया एपीआई का परिचय
• भाग 4: अनुसूचक का परिचय
• भाग 5: MLFQ समयबद्धक

और आप टेलीग्राम में मेरे चैनल को देख सकते हैं =)

कार्यक्रम का काम

जब कोई प्रोग्राम काम करता है तो क्या होता है? रनिंग प्रोग्राम एक साधारण काम करता है - यह निर्देशों को निष्पादित करता है। हर दूसरे, लाखों और संभवत: अरबों निर्देशों को प्रोसेसर द्वारा रैम से निकाला जाता है, बदले में, यह उन्हें डिकोड करता है (उदाहरण के लिए, पहचानता है कि ये निर्देश किस प्रकार के हैं) और निष्पादित करें। यह दो संख्याओं का जोड़ हो सकता है, मेमोरी तक पहुंच, स्थितियों की जांच, फ़ंक्शन पर स्विच करना, और इसी तरह। एक निर्देश पूरा होने के बाद, प्रोसेसर दूसरे को निष्पादित करने के लिए आगे बढ़ता है। और इसलिए अनुदेश द्वारा निर्देश, उन्हें कार्यक्रम पूरा होने तक निष्पादित किया जाता है।

इस उदाहरण को स्वाभाविक रूप से सरलीकृत माना जाता है - वास्तव में, प्रोसेसर को गति देने के लिए, आधुनिक हार्डवेयर आपको बारी-बारी से निर्देशों को निष्पादित करने, संभावित परिणामों की गणना करने, एक ही समय में निर्देशों का पालन करने और इसी तरह की चाल की अनुमति देता है।

वॉन न्यूमैन कम्प्यूटिंग मॉडल

हमारे द्वारा वर्णित कार्य का सरलीकृत रूप गणनाओं के वॉन न्यूमैन मॉडल के समान है। वॉन न्यूमैन कंप्यूटर सिस्टम के अग्रदूतों में से एक हैं, वे गेम थ्योरी के लेखकों में से एक हैं । जबकि कार्यक्रम चल रहा है, अन्य घटनाओं का एक गुच्छा होता है, कई अन्य प्रक्रियाएं और तीसरे पक्ष के तर्क काम करते हैं, जिसका मुख्य उद्देश्य सिस्टम के लॉन्च, संचालन और रखरखाव को सरल बनाना है।

सॉफ्टवेयर का एक सेट है जो चलने वाले कार्यक्रमों की सादगी के लिए ज़िम्मेदार है (या यहां तक ​​कि आपको एक ही समय में कई कार्यक्रम चलाने की अनुमति देता है), यह कार्यक्रमों को एक ही मेमोरी साझा करने की अनुमति देता है, साथ ही साथ विभिन्न उपकरणों के साथ बातचीत भी करता है। सॉफ्टवेयर (सॉफ्टवेयर) के इस तरह के एक सेट को अनिवार्य रूप से ऑपरेटिंग सिस्टम कहा जाता है और इसके कार्यों में निगरानी शामिल है कि सिस्टम सही और कुशलता से काम करता है, साथ ही इस प्रणाली के प्रबंधन में आसानी सुनिश्चित करता है।

ऑपरेटिंग सिस्टम

एक ऑपरेटिंग सिस्टम, ओएस के लिए छोटा, कंप्यूटर संसाधनों का प्रबंधन करने और कंप्यूटर के साथ उपयोगकर्ता की बातचीत को व्यवस्थित करने के लिए डिज़ाइन किए गए इंटरकनेक्टेड कार्यक्रमों का एक जटिल है ।

ओएस मुख्य रूप से सबसे महत्वपूर्ण तकनीक - वर्चुअलाइजेशन तकनीक के माध्यम से अपनी प्रभावशीलता प्राप्त करता है। ओएस एक भौतिक संसाधन (प्रोसेसर, मेमोरी, डिस्क और जैसे) के साथ इंटरैक्ट करता है और इसे स्वयं के रूप का उपयोग करने के लिए अधिक सामान्य, अधिक शक्तिशाली और आसान में बदल देता है। इसलिए, एक सामान्य समझ के लिए, आप वर्चुअल मशीन के साथ ऑपरेटिंग सिस्टम की तुलना कर सकते हैं।

उपयोगकर्ताओं को ऑपरेटिंग सिस्टम को निर्देश देने की अनुमति देने के लिए और इस प्रकार एक वर्चुअल मशीन की क्षमताओं का उपयोग करने के लिए (जैसे: एक प्रोग्राम लॉन्च करना, मेमोरी आवंटित करना, किसी फ़ाइल तक पहुंचना, और इसी तरह), ऑपरेटिंग सिस्टम कुछ इंटरफ़ेस प्रदान करता है जिसे एपीआई (एप्लिकेशन प्रोग्रामिंग इंटरफ़ेस) कहा जाता है और जिसके लिए आप कॉल कर सकते हैं। एक विशिष्ट ऑपरेटिंग सिस्टम सैकड़ों सिस्टम कॉल करना संभव बनाता है।

और अंत में, चूंकि वर्चुअलाइजेशन कई कार्यक्रमों को काम करने की अनुमति देता है (इस प्रकार सीपीयू को साझा करना), और साथ ही अपने निर्देशों और डेटा (जिससे मेमोरी साझा करना) तक पहुंच प्राप्त करना, साथ ही एक्सेस डिस्क (इस प्रकार I / O उपकरणों को साझा करना) ), ऑपरेटिंग सिस्टम को रिसोर्स मैनेजर भी कहा जाता है। प्रत्येक प्रोसेसर, डिस्क और मेमोरी सिस्टम का एक संसाधन है और इस प्रकार ऑपरेटिंग सिस्टम की एक भूमिका इन संसाधनों के प्रबंधन का कार्य बन जाती है, इसे कुशलतापूर्वक, ईमानदारी से या इसके विपरीत, उस कार्य के आधार पर करते हैं जिसके लिए यह ऑपरेटिंग सिस्टम डिज़ाइन किया गया है।

सीपीयू वर्चुअलाइजेशन

निम्नलिखित कार्यक्रम पर विचार करें:
(Https://www.youtube.com/watch?v=zDwT5fUcki4)



यह कोई विशेष कार्य नहीं करता है, वास्तव में यह सब कुछ स्पिन () फ़ंक्शन कहलाता है, जिसका कार्य समय चक्र करना और एक सेकंड बीत जाने के बाद वापस करना है। इस प्रकार, यह उपयोगकर्ता द्वारा एक तर्क के रूप में पारित स्ट्रिंग को अंतहीन रूप से दोहराता है।

इस कार्यक्रम को चलाएं, और एक तर्क के रूप में प्रतीक "ए" को पास करें। परिणाम बहुत दिलचस्प नहीं है - सिस्टम बस एक कार्यक्रम चलाता है जो समय-समय पर प्रतीक "ए" को प्रदर्शित करता है।

अब एक ही कार्यक्रम के कई उदाहरण चल रहे हैं, लेकिन विभिन्न अक्षरों को प्रदर्शित करते हुए विकल्प का प्रयास करें, ताकि यह अधिक समझ में आए। इस मामले में, परिणाम थोड़ा अलग होगा। इस तथ्य के बावजूद कि हमारे पास एक प्रोसेसर है, कार्यक्रम एक साथ चलता है। यह कैसे होता है? लेकिन यह पता चला है कि ऑपरेटिंग सिस्टम, हार्डवेयर क्षमताओं की मदद के बिना, एक भ्रम पैदा करता है। यह भ्रम है कि सिस्टम में कई वर्चुअल प्रोसेसर हैं, एक भौतिक प्रोसेसर को सैद्धांतिक रूप से अनंत राशि में बदलते हैं और इस तरह प्रोग्राम को एक साथ निष्पादित करने की अनुमति देते हैं। ऐसे भ्रम को CPU वर्चुअलाइजेशन कहा जाता है।

इस तरह की तस्वीर कई सवाल उठाती है, उदाहरण के लिए, यदि कई कार्यक्रम एक साथ शुरू करना चाहते हैं, तो कौन सा लॉन्च किया जाएगा? ओएस की "नीतियां" इस सवाल के लिए जिम्मेदार हैं। नीतियां ओएस के कई स्थानों पर उपयोग की जाती हैं और समान प्रश्नों का उत्तर देती हैं, और यह भी मूल तंत्र हैं जो ओएस लागू करता है। इसलिए एक संसाधन प्रबंधक के रूप में ओएस की भूमिका।

मेमोरी वर्चुअलाइजेशन

अब स्मृति को देखते हैं। आधुनिक सिस्टम में भौतिक मेमोरी मॉडल को बाइट्स की एक सरणी के रूप में दर्शाया गया है । मेमोरी से पढ़ने के लिए, आपको इसे एक्सेस करने के लिए सेल का पता बताना होगा। डेटा रिकॉर्ड या अपडेट करने के लिए, आपको उस सेल के डेटा और पते को भी निर्दिष्ट करना होगा जहां इसे लिखना है।

प्रोग्राम ऑपरेशन के दौरान मेमोरी एक्सेस लगातार होती है। एक प्रोग्राम मेमोरी में अपनी संपूर्ण डेटा संरचना को संग्रहीत करता है, और विभिन्न निर्देशों का पालन करके इसे एक्सेस करता है। इस बीच, निर्देश, मेमोरी में भी संग्रहीत होते हैं, इसलिए इसे अगले निर्देश के लिए हर अनुरोध के लिए भी एक्सेस किया जाता है।

कॉल मॉलॉक ()

निम्नलिखित प्रोग्राम पर विचार करें जो मॉलॉक () कॉल (https://youtu.be/jnlKRnoT1m0) का उपयोग करके मेमोरी का एक क्षेत्र आवंटित करता है:



कार्यक्रम कुछ चीजें करता है। सबसे पहले, यह एक निश्चित मात्रा में मेमोरी (लाइन 7) आवंटित करता है, फिर चयनित सेल (लाइन 9) का पता प्रदर्शित करता है, आवंटित मेमोरी के पहले स्लॉट में शून्य लिखता है। अगला, कार्यक्रम एक चक्र में प्रवेश करता है जिसमें यह चर "पी" के पते पर मेमोरी में दर्ज मूल्य को बढ़ाता है। यह स्वयं की प्रक्रिया पहचानकर्ता को भी प्रदर्शित करता है। प्रत्येक चलने की प्रक्रिया के लिए प्रक्रिया आईडी अद्वितीय है । कई प्रतियां शुरू करने के बाद, हम एक दिलचस्प परिणाम के साथ आएंगे: पहले मामले में, यदि आप कुछ नहीं करते हैं और बस कई प्रतियां शुरू करते हैं, तो पते अलग-अलग होंगे। लेकिन यह हमारे सिद्धांत के अंतर्गत नहीं आता है! यह सच है, क्योंकि आधुनिक वितरण में स्मृति के यादृच्छिककरण का कार्य डिफ़ॉल्ट रूप से चालू होता है। यदि आप इसे बंद कर देते हैं, तो हमें अपेक्षित परिणाम मिलता है - दो एक साथ चलने वाले कार्यक्रमों के मेमोरी पते मेल खाएंगे।



नतीजतन, यह पता चलता है कि दो स्वतंत्र कार्यक्रम अपने निजी पते के रिक्त स्थान के साथ काम करते हैं, जो बदले में भौतिक स्मृति में ऑपरेटिंग सिस्टम द्वारा प्रदर्शित होते हैं । इसलिए, एक प्रोग्राम के भीतर मेमोरी एड्रेस का उपयोग किसी भी तरह से दूसरों को प्रभावित नहीं करेगा, और यह प्रत्येक प्रोग्राम को लगता है कि इसकी भौतिक मेमोरी का अपना टुकड़ा है, जो पूरी तरह से इसके निपटान में है। हालाँकि, वास्तविकता यह है कि भौतिक मेमोरी एक साझा संसाधन है जिसे ऑपरेटिंग सिस्टम द्वारा प्रबंधित किया जाता है।

संगति

ऑपरेटिंग सिस्टम के भीतर एक और महत्वपूर्ण विषय स्थिरता है । इस शब्द का उपयोग तब किया जाता है जब यह सिस्टम में उन समस्याओं के लिए आता है जो एक ही कार्यक्रम के भीतर एक ही समय में कई चीजों के साथ काम करते समय हो सकती हैं। ऑपरेटिंग सिस्टम में भी निरंतरता की समस्याएँ उत्पन्न होती हैं। मेमोरी और प्रोसेसर वर्चुअलाइजेशन के साथ पिछले उदाहरणों में, हमने महसूस किया कि ओएस एक ही समय में कई चीजों का प्रबंधन करता है - यह पहली प्रक्रिया शुरू करता है, फिर दूसरा, और इसी तरह। जैसा कि यह निकला, इस व्यवहार से कुछ समस्याएं हो सकती हैं। इसलिए, उदाहरण के लिए, आधुनिक मल्टीथ्रेडेड प्रोग्राम ऐसी कठिनाइयों का अनुभव करते हैं।

निम्नलिखित कार्यक्रम पर विचार करें:



मुख्य फ़ंक्शन में प्रोग्राम Pthread_create () कॉल का उपयोग करके दो थ्रेड बनाता है। इस उदाहरण में, एक थ्रेड को अन्य फ़ंक्शन के बगल में एक ही मेमोरी स्पेस में चल रहे फ़ंक्शन के रूप में सोचा जा सकता है, और एक साथ लॉन्च किए गए फ़ंक्शन की संख्या स्पष्ट रूप से एक से अधिक है। इस उदाहरण में, प्रत्येक थ्रेड कार्यकर्ता () फ़ंक्शन को शुरू और निष्पादित करता है, जो बदले में बस चर को बढ़ाता है,।

इस प्रोग्राम को तर्क 1000 के साथ चलाएं। जैसा कि आपने अनुमान लगाया होगा, परिणाम 2000 होना चाहिए, क्योंकि प्रत्येक थ्रेड ने चर को 1000 गुना बढ़ाया है। हालांकि, सब कुछ इतना सरल नहीं है। चलो पुनरावृत्ति की संख्या के साथ कार्यक्रम को चलाने का प्रयास करें अधिक परिमाण का एक क्रम।



एक संख्या को इनपुट करके, उदाहरण के लिए, 100000, हम आउटपुट पर 200000 देखने की अपेक्षा करते हैं। हालाँकि, कई बार 100000 नंबर चलाने से, हम न केवल सही उत्तर देखेंगे, बल्कि विभिन्न गलत उत्तर भी प्राप्त कर सकते हैं। उत्तर इस तथ्य में निहित है कि संख्या बढ़ाने के लिए, तीन संचालन आवश्यक हैं - संख्या को मेमोरी से निकालना, वृद्धि करना और फिर संख्या वापस लिखना। चूंकि ये सभी निर्देश परमाणु रूप से लागू नहीं हैं (सभी एक ही समय में), ऐसी अजीब चीजें हो सकती हैं। इस समस्या को रेस कंडीशन प्रोग्रामिंग - रेस कंडीशन कहा जाता है। जब एक अज्ञात क्षण में अज्ञात शक्तियां आपके किसी भी ऑपरेशन के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकती हैं।