Операционные системы. Их назначение и функции (на примере Windows)

 

1.3. Файловая система

     Каждая из операционных систем оперирует некоторыми сущностями, одной из которых является процесс. Есть вторая сущность, которая также важна - это понятие файла. Файловая система - это компонент операционной системы, обеспечивающий организацию создания, хранения и доступа к именованным наборам данных. Эти именованные наборы данных называются файлами.  

1.3.1. Основные свойства файлов

     1. Файл - это некий объект, имеющий имя, и позволяющий оперировать с содержимым файла через ссылку на это имя. Обычно имя - это последовательность некоторых символов, длина которой зависит от конкретной операционной системы.

      2. Независимость файла от расположения. Для работы с конкретным файлом не требуется иметь информацию о местоположении этого файла на внешнем устройстве.

      3. Набор функций ввода/вывода. Практически каждая операционная система однозначно определяет набор функций, обеспечивающий обмен с файлом. Обычно, этот набор функций состоит из следующих запросов:

1. Открыть файл для работы. Открыть можно либо уже существующий, либо новый файл. Может возникнуть вопрос - зачем открывать файл? Почему нельзя сразу читать и писать в этот файл? На самом деле, это есть средство, для того чтобы централизованно объявить операционной системе, что файл будет работать с конкретным процессом. А она уже из этих сведений может принять какие-то решения (например, блокирование доступа в этот файл для других процессов).
2. Чтение/запись. Обычно обмен с файлами может организовываться некоторыми блоками данных. Блок данных, с которым происходит обмен, несет двоякую сущность. С одной стороны, для любой вычислительной системы известны размеры блоков данных, которые наиболее эффективны для обмена, то есть это программно-аппаратные размеры. С другой стороны, эти блоки данных при реальном обмене могут варьироваться достаточно произвольно программистом. В функциях чтения/записи обычно фигурирует размер блока данных для обмена и количество блоков данных, которые необходимо прочесть или записать. От выбранного размера блока данных может зависеть эффективность реальных обменов. Здесь есть элементы неэффективности, хотя они могут сглаживаться «умной» операционной системой.
3. Управление файловым указателем. Практически с каждым открытым файлом связывается понятие файлового указателя. Этот указатель, в каждый момент времени показывает на следующий относительный адрес по файлу, с которым можно произвести обмен. После обмена с данным блоком указатель переносится на позицию через блок. Для организации работы с файлом требуется уметь управлять этим указателем. Имеется функция управления файловым указателем, которая позволяет произвольно (в пределах доступного) перемещать указатель по файлу. Указатель есть некоторая переменная, доступная программе, которая связана с функцией открытия файла (создающей эту переменную).
4. Закрытие файла. Эта операция может осуществляться двумя функциями: закрыть и сохранить текущее содержимое файла либо уничтожить файл.

 
 
 

     4. Защита данных. Многие стратегические решения повторяются как на аппаратном уровне, так и на уровне операционной системы. Если мы вспомним мультипрограммный режим, то одним из необходимых условий его существования является обеспечение защиты (памяти и данных). Если мы рассмотрим файловую систему, то она так же, как и операционная система, может быть однопользовательской. В этом случае проблемы защиты данных не существует, потому что человек, который работает с этой операционной системой, является хозяином всех файлов. Примеры однопользовательских систем - MS-DOS или Windows 95. Можно загрузить машину и уничтожить все файлы других пользователей, которые размещены на диске, потому что в этих системах защиты нет никакой. Многопользовательская система обеспечивает корректную работу многих пользователей. MS-DOS также может работать в режиме мультипрограммирования, но он не достаточно корректен, потому что ошибка в одном процессе может привести к затиранию операционной системы и соседнего процесса. Также и в операционной системе Windows 95 может работать много пользователей, но эта работа некорректна, потому что эта операционная система не обеспечивает все права защиты. Итак, многопользовательская система должна обеспечивать защиту информации от несанкционированного доступа. На самом деле, проблема защиты связана не только с файловой системой. Реально операционная система обеспечивает защиту данных во всех областях: это и файлы, и процессы, и ресурсы, принадлежащие процессам, запущенным от имени одного пользователя. Во всех последних версиях ОС поддерживаются многопользовательские режимы, и соответственно обеспечена защита файловых систем.

 

      1.3.2. Основные свойства файловых систем

     Файловая система естественно включает в себя все те свойства, которые были перечислены для файлов, но добавляет еще некоторые. Эти свойства связаны со структурной организацией файловой системы.  

     Одноуровневая организация файлов непрерывными сегментами.

     Термин «одноуровневая» означает, что система обеспечивает работу с файлами уникально именованными. В пределах пространства запоминающего устройства выделяется некоторая область для хранения данных, которая называется каталог. Каталог имеет следующую структуру: 

       

     «Начальный блок» ссылается на некоторый относительный адрес пространства запоминающего устройства, с которого начинается файл с заданным именем. «Конечный блок» определяет последний блок данного файла. Функция открытия файла сводится к нахождению в каталоге имени файла и определении его начала и конца (реально данные могут занимать несколько меньше места, об этом будет сказано позже). Это действие очень простое, к тому же каталог можно хранить в памяти операционной системы, и тем самым уменьшить количество обменов. Если создается новый файл, то он записывается на свободное место. Аналогично каталогу имен может иметься таблица свободных пространств (фрагментов).

     Чтение/запись происходит почти без дополнительных обменов, так как при открытии мы получаем диапазон размещения данных. Чтение происходит в соответствии с этой блочной структурой и никакая дополнительная информация не требуется, соответственно обмен происходит очень быстро.

     Что будет, когда нужно записать в такой файл дополнительную информацию, а свободного пространства за этим файлом нет? В этом случае система может поступить двояко. Первое, она скажет, что нет места и вы должны сделать что-то сами, например, запустить некий процесс, который перенесет этот файл в другое место и добавит нужную информацию. Этот перенос - функция достаточно дорогостоящая по времени и загрузке процессов. Вторая возможность - в обмене будет отказано. Это означает, что при открытии файла нужно было заранее зарезервировать дополнительное место; при этом файловая система проверяет размер свободного буфера, и если его мало, то ищет свободное место там, где этот файл разместится.

     Итак, мы видим, что эта организация проста, при обменах эффективна, но в случае нехватки пространства для файла начинается неэффективность. К тому же, при долговременной работе такой файловой системы на диске случается то же, что случается с оперативной памятью - фрагментация. То есть ситуация, когда есть свободные фрагменты, но среди них нет такого, куда можно было бы разместить файл. Борьба с фрагментацией для такой организации файловой системы - это периодическая компрессия, когда запускается долгий, тяжелый и опасный для содержимого файловой системы процесс, который прижимает все файлы плотно друг к другу.

     Такая организация может быть пригодна для однопользовательской файловой системы, потому что при большом количестве пользователей очень быстро произойдет фрагментация, а постоянный запуск компрессии - смерть для системы. С другой стороны, система проста и не требует почти никаких накладных расходов.  
 

     Файловая система с блочной организацией файлов.

     Пространство запоминающего устройства разделено на блоки (те самые блоки, которые эффективны для обмена). В общем случае, с каждым именем файла связан набор номеров блоков устройства, в которых размещены данные этого файла. Причем, номера этих блоков имеют произвольный порядок, то есть блоки могут быть разбросаны по всему устройству в произвольном порядке. При такой организации нет фрагментации, хотя могут быть потери кратные блоку (если файл занял хотя бы один байт в блоке, то весь блок считается занятым). Следовательно, нет проблем компрессии, и эта система может использоваться при многопользовательской организации.

     В этом случае с каждым файлом связан набор атрибутов: имя файла, имя пользователя, по которым происходит доступ к файлу. Такая организация позволяет уйти от уникальности имен, которая требовалась в предыдущем случае. В такой системе требуется уникальность имен лишь среди файлов одного пользователя.

     Организация таких файлов может быть через каталог. Структура каталога может быть следующая. Каталог содержит строки; каждая i-тая строка соответствует i-тому блоку файловой системы. В этой строке содержится информация о том, является ли этот блок свободным или занятым. Если он занят, то в этой строке указывается имя файла (либо ссылка на него), имя пользователя, и может находиться какая-то дополнительная информация.

     При обмене система может действовать по-разному. Либо при открытии файла система пробегает по всему каталогу и строит таблицу соответствия логических блоков файла, их размещению на диске. Либо при каждом обмене осуществляется поиск этого соответствия.

     Такая организация файловой системы является одноуровневой в рамках одного пользователя, то есть все файлы связаны в группы по принадлежности к какому-то пользователю. 
 

     

     

     Иерархическая файловая система.

     Все файлы файловой системы построены в структуру, которая называется деревом. В корне дерева находится, так называемый, корень файловой системы. Если узел дерева является листом, то это файл, который может содержать данные пользователя, либо являться файлом-каталогом. Узлы дерева отличные от листа являются файлами-каталогами. Именование в такой иерархической файловой системе может происходить разными способами. Первый тип - именование файла относительно ближайшего каталога, т. е. если мы посмотрим файлы, которые являются ближайшими для каталога F0, - это файл F1, который является также каталогом, и файл F2. Для успешного именования в такой системе на одном уровне не могут повторяться имена. С другой стороны, так как все файлы связаны с помощью дерева, мы можем говорить о, так называемом, полном имени файла, которое составляется из всех имен файлов, которые составляют путь от корня файловой системы к конкретному файлу. Полное имя файла F3 будет обозначаться так: /F0/F1/F3. Такая организация хороша тем, что она позволяет работать как с коротким именем файла (если системно подразумевается, что мы работаем в данном каталоге), так и с полным именем файла. Полные имена файлов есть пути, а в любом дереве от его корня до любого узла существует единственный путь, следовательно, этим решается проблема унификации имен. Первый раз такой подход был использован в операционной системе Multix, которая разрабатывалась в университете Беркли в конце 60-х годов. Это решение применяется в большинстве операционных систем. Согласно этой иерархии, каждому из файлов можно привязывать какие-то атрибуты, связанные с правами доступа. Правами доступа могут обладать как пользовательские файлы, так и каталоги. Структура этой системы хороша для организации многопользовательской работы, за счет отсутствия проблемы именования, и такая система может очень хорошо наращиваться.  

     Персонификация и защита данных в файловой системе.

     Персонификация - это возможность операционной системы идентифицировать конкретного пользователя и в соответствии с этим принимать те или иные действия, в частности, по защите данных.

     В операционной системе MS-DOS, не было понятия пользователя со всеми вытекающими последствиями - она однопользовательская.

     Второй уровень операционных систем - это операционные системы, которые позволяют регистрировать пользователей, но все пользователи представляются в виде единого набора некоторых субъектов и не связаны друг с другом никак. Примером таких операционных систем могут служить некоторые операционные системы фирмы IBM для mainframe-компьютеров. При такой одномерной персонификации обеспечиваются все функции, о которых говорилось, но такая организация пользователей не предполагает образования групп пользователей.

     Соответственно, аналогично файловой системе, появляется иерархическая организация пользователей. То есть существуют отдельные понятия «все пользователи» и «группа пользователей». В группе есть реальные пользователи. Такая иерархическая организация персонификации влечет за собой следующие моменты. При регистрации какого-то пользователя необходимо сначала привязать его к какой-то группе. Так как пользователи объединены в группы, то появляется возможность разделения прав доступа к ресурсам пользователей. То есть пользователь может, например, заявить, что все его ресурсы доступны для всех пользователей группы. Такая схема может быть многоуровневой (группы делятся на подгруппы и т.д.) с соответственным распределением прав и возможностей. Также существуют операционные системы (например современные версии Windows), в которых права доступа могут определяться не только такой  иерархической структурой, но и могут быть более сложными, т. е. права доступа можно добавлять, нарушая эту иерархию. 
 

1.4. Конструкция ОС

     Практически любая ОС имеет понятие ядра. Ядром ОС обычно  является  ее резидентная часть, то есть та часть ОС, которая не участвует в процессах подкачки (она всегда присутствует в оперативной памяти) и работает в режиме ОС. В ядро входят базовые средства управления основными сущностями, характерными для данной ОС, а также может входить набор программ, обеспечивающих управление некоторыми физическими устройствами. В функции ядра, в частности, входит обработка прерываний.