Помоги проекту - поделись книгой:
Андрей Робачевский
Операционная система UNIX
Выражение признательности
Работая над книгой, я много раз продумывал содержание этого приятного раздела, каждый раз добавляя в него новые и новые имена людей, без помощи которых эта книга вряд ли увидела бы свет.
В первую очередь это заслуга директора издательства "BHV–Санкт-Петербург" Вадима Сергеева и моего коллеги, сотрудника Вузтелекомцентра и автора замечательного справочника "Желтые страницы Internet. Русские ресурсы" Алексея Сигалова. Именно они убедили меня в том, что такая книга окажется полезной и вдохновили взяться за перо.
Я благодарен руководителям Вузтелекомцентра Владимиру Васильеву и Сергею Хоружникову за помощь и внимание к работе над книгой. Их поддержка и терпимое отношение к выполнению моих основных обязанностей директора по развитию Вузтелекомцентра позволили выполнить эту работу.
Без помощи Кирилла Щукина книге грозила опасность увидеть свет без иллюстраций, что вряд ли сделало бы ее более ясной. Его терпение и профессионализм позволили превратить туманные наброски в полноценные схемы, от которых книга значительно выиграла.
Я неоднократно обращался за советом к экспертам по UNIX и прежде всего к моему коллеге Константину Федорову. Его ценные замечания и рекомендации помогли мне довести книгу до ее настоящего вида.
Я также хотел бы выразить признательность специалистам фирмы OLLY, и в особенности ее техническому директору Виталию Кузьмичеву, чьи советы и консультации благотворно повлияли на содержание этой книги.
Я также хотел бы выразить глубокую признательность рецензентам этой книги — зав. кафедрой "Вычислительная техника" Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета д.т.н. профессору Д.В. Пузанкову и зав. кафедрой "Информационные и управляющие системы" Санкт-Петербургского государственного Технического университета д.т.н. профессору И.Г. Черноруцкому за полезные замечания.
Я хотел бы также поблагодарить зав. редакции издательства "BHV-Санкт-Петербург" Елизавету Кароник, которая первой ознакомилась с рукописью и вынесла положительный вердикт, за кредит доверия и координацию работ по созданию книги. Я хочу выразить благодарность Татьяне Темкиной за ее великолепную работу по редактированию книги. Случалось, что отдельные страницы рукописи содержали меньше основного материала, чем редакторской правки, с которой я, как правило, всегда соглашался.
Я не могу не выразить признательность моим коллегам по работе Владимиру Парфенову, Юрию Гугелю, Юрию Кирчину, Нине Рубиной, дружеская поддержка которых была так кстати.
И, конечно, я хотел бы поблагодарить моих жену и дочь за их терпение и веру в успешное завершение этой работы. Я также должен извиниться перед ними за то, что этот труд отнял у меня значительную часть времени, по праву принадлежащего им.
О книге «Операционная система UNIX»
Посвящается моим близким
Назначение книги
Данная книга не является заменой справочников и различных руководств по операционной системе UNIX. Более того, сведения, представленные в книге, подчас трудно найти в документации, поставляемой с операционной системой. Эти издания насыщены практическими рекомендациями, скрупулезным описанием настроек тех или иных подсистем, форматов вызова команд и т.п. При этом за кадром часто остаются такие вопросы, как внутренняя архитектура отдельных компонентов системы, их взаимодействие и принципы работы. Без знания этой "анатомии" работа в операционной системе превращается в использование заученных команд, а неизбежные ошибки приводят к необъяснимым последствиям. С другой стороны, в данной книге вопросам администрирования UNIX, настройке конкретных подсистем и используемым командам уделено значительно меньше внимания. Цель данной книги заключается в изложении основ организации операционной системы UNIX. Следует иметь в виду, что именем UNIX обозначается значительное семейство операционных систем, каждая из которых имеет свое название и присущие только ей особенности. В этой книге сделана попытка выделить то общее, что составляет "генотип" UNIX, a именно: базовый пользовательский и программный интерфейсы, назначение основных компонентов, их архитектуру и взаимодействие, и на основе этого представить систему в целом. В то же время там, где это имеет значение, приводятся ссылки на конкретную версию UNIX. Для иллюстрации отдельных положений использовались следующие операционные системы: Solaris 2.5 фирмы Sun Microsystems, SCO ODT 5.0 фирмы Santa Cruz Operation, BSDi/386 фирмы Berkeley Software Design.
Рождению этой книги предшествовал более чем трехлетний опыт чтения лекций по системе UNIX студентам третьего курса Санкт-Петербургского института точной механики и оптики (технического университета), а также вводного курса для пользователей и администраторов UNIX в различных организациях. Большая часть материала этих курсов нашла свое отражение в книге.
Книга может оказаться полезной при подготовке ряда лекционных программ по операционной системе UNIX и основам организации операционных систем в целом. Материал главы 1 является хорошей основой для вводного курса по UNIX. В нем представлены основные понятия и организация операционной системы в целом. В этой же главе приведены основные сведения о пользовательском интерфейсе и языке программирования командного интерпретатора shell.
Материал главы 2 может быть использован в курсах по программированию. Подробное обсуждение основных системных вызовов и библиотечных функций дает достаточно полное представление о программном интерфейсе этой операционной системы. Приведенные примеры иллюстрируют обсуждаемые вопросы и могут найти свое отражение в лабораторном практикуме.
Главы 3–6 содержат более детальное обсуждение отдельных компонентов UNIX: файловой подсистемы, подсистемы управления процессами и памятью, подсистемы ввода/вывода. Эти сведения подойдут как для углубленного курса по UNIX, так и для курса по принципам организации операционных систем. Отдельные части главы 6 могут быть также включены в курс по компьютерным сетям.
Книга может использоваться и в качестве учебного пособия для студентов старших курсов по специальностям "Информатика и вычислительная техника", "Прикладная математика и информатика" (при подготовке бакалавров) и по специальности "Вычислительные машины, комплексы системы и сети" (при подготовке инженеров) она может быть полезной при подготовке магистров и аспирантов, а также всем студентам, специализирующимся в области компьютерных технологий. Книга также является хорошим подспорьем для системных программистов и администраторов UNIX. Надеюсь, что более пристальный взгляд на внутреннюю организацию системы поможет им эффективнее решать поставленные задачи и откроет новые горизонты для экспериментов.
Наконец, книга может оказаться интересной для широкого круга пользователей, желающих побольше узнать об этой операционной системе.
На кого рассчитана эта книга?
Бессмысленно разбираться в операционной системе, не работая с ней. Прежде всего, знание операционной системы, ее организации и структуры необходимо администратору, т.е. человеку, отвечающему за ее сопровождение и настройку. Задачи администратора многочисленны — от регистрации пользователей до конфигурации сети, от создания резервных копий системы до настройки производительности. Без понимания принципиального устройства операционной системы решение всех этих задач превращается в заучивание команд и пунктов меню, а нештатные ситуации вызывают панику.
Знание операционной системы нужно разработчику программного обеспечения. От того, насколько эффективно используются ресурсы операционной системы, зависит быстродействие вашей программы. Не понимая принципов работы, легко запутаться в тонкостях системных вызовов и библиотечных функций. Если же вы работаете с ядром системы — например, разрабатываете драйвер устройства, — без знания системы вы не продвинетесь ни на шаг.
Наконец, если вы просто пользователь, то знание операционной системы ограничивается теми задачами, которые вам необходимо решать в процессе работы. Скорее всего, это несколько команд, а если вы работаете с графической оболочкой, то и этого вам не понадобится. Но так ли приятно работать с черным ящиком?
Принятые обозначения
Системные вызовы, библиотечные функции, команды shell выделены в тексте курсивом, например
Структуры данных, переменные и внутренние функции подсистем ядра, исходные тексты программ и примеры работы в командной строке напечатаны шрифтом фиксированной ширины. Например, d_open(), sleep() или пример программы:
int main() {
exit();
}
В примерах работы в командной строке ввод пользователя выделен полужирным шрифтом фиксированной ширины, например:
$ passwd
Enter old password:
Имена файлов выделены полужирным начертанием, например /etc/passwd или <sys/user.h>.
Клавиши клавиатуры показаны курсивом и заключены в угловые скобки, например <
Введение
Скоро исполнится 30 лет с момента создания операционной системы UNIX. Изначально созданная для компьютера PDP-7 с 4 килобайтами оперативной памяти, сегодня UNIX работает на множестве аппаратных платформ, начиная с обыкновенного PC и заканчивая мощными многопроцессорными системами и суперкомпьютерами.
Система UNIX была создана небольшой группой разработчиков, тысячи людей вложили в нее свой талант, десятки тысяч обогатили приложениями, и сегодня сотни тысяч людей используют эту операционную систему в своей деятельности.
За время своего существования система UNIX претерпела значительные изменения, стала мощней, сложней и удобней. Однако основные идеи сохранились, удивляя нас своим изяществом и простотой. Именно они определяют "генотип" операционной системы, позволяя увидеть за красивыми названиями различных версий лаконичное слово UNIX. Именно изящество и простота этих идей являются основой жизненной силы UNIX, ее способности всегда идти в ногу со временем.
История создания
В 1965 году Bell Telephone Laboratories (подразделение AT&T) совместно с General Electric Company и Массачусетсским институтом технологии (MIT) начали разрабатывать новую операционную систему, названную MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service). Перед участниками проекта стояла цель создания многозадачной операционной системы разделения времени, способной обеспечить одновременную работу нескольких сотен пользователей. От Bell Labs в проекте приняли участие два сотрудника — Кен Томпсон (Ken Tompson) и Дэннис Ритчи (Dennis Ritchie). Хотя система MULTICS так и не была завершена (в 1969 году Bell Labs вышла из проекта), она стала предтечей операционной системы, впоследствии получившей название UNIX.
Однако Томпсон, Ритчи и ряд других сотрудников продолжили работу над созданием удобной среды программирования. Используя идеи и разработки, появившиеся в результате работы над MULTICS, они создали в 1969 году[1] небольшую операционную систему, включавшую файловую систему, подсистему управления процессами и небольшой набор утилит. Система была написана на ассемблере и применялась на компьютере PDP-7. Эта операционная система получила название UNIX, созвучное MULTICS и придуманное другим членом группы разработчиков, Брайаном Керниганом (Brian Kernighan).
Хотя ранняя версия UNIX много обещала, она не смогла бы реализовать весь свой потенциал без применения в каком-либо реальном проекте. И такой проект нашелся. Когда в 1971 году патентному отделу Bell Labs понадобилась система обработки текста, в качестве операционной системы была выбрана UNIX. К тому времени система UNIX была перенесена на более мощный PDP-11, да и сама немного подросла: 16К занимала собственно система, 8К отводились прикладным программам, максимальный размер файла был установлен равным 64К при 512К дискового пространства.
Вскоре после создания первых ассемблерных версий Томпсон начал работать над компилятором для языка FORTRAN, а в результате разработал язык В. Это был интерпретатор со всеми свойственными интерпретатору ограничениями, и Ритчи переработал его в другой язык, названный С, позволявший генерировать машинный код. В 1973 году ядро операционной системы было переписано на языке высокого уровня С, — неслыханный до этого шаг, оказавший громадное влияние на популярность UNIX. Это означало, что теперь система UNIX может быть перенесена на другие аппаратные платформы за считанные месяцы, кроме того, значительная модернизация системы и внесение изменений не представляли особых трудностей. Число работающих систем в Bell Labs превысило 25, и для сопровождения UNIX была сформирована группа UNIX System Group (USG).
Исследовательские версии UNIX
В соответствии с федеральным законодательством AT&T не имела права коммерческого распространения UNIX и использовала ее для собственных нужд, но начиная с 1974 года операционная система стала передаваться университетам для образовательных целей.
Операционная система модернизировалась, каждая новая версия снабжалась соответствующей редакцией Руководства Программиста, откуда и сами версии системы получили название редакций (Edition). Всего было выпущено 10 версий-редакций, первая из которых вышла в 1971, а последняя — в 1989 году. Первые семь редакций были разработаны в Bell Labs.
Группой компьютерных исследований (Computer Research Group, CRG) и предназначались для компьютеров PDP-11, позже — для VAX. Другая группа, UNIX System Group, отвечала за сопровождение системы. Третья группа (Programmer's WorkBench, PWB) занималась разработкой среды программирования, ей мы обязаны появлением системы SCCS, именованных каналов и других важных идей. Вскоре после выпуска Седьмой редакции разработкой системы стала заниматься USG.
Наиболее важные версии:
| Первая редакция | 1971 | Первая версия UNIX, написанная на ассемблере для PDP-11. Включала компилятор В и много известных команд и утилит, в том числе |
| Третья редакция | 1973 | В системе появилась команда |
| Четвертая редакция | 1973 | Первая система, в которой ядро написано на языке высокого уровня С. |
| Шестая редакция | 1975 | Первая версия системы, доступная за пределами Bell Labs. Система полностью переписана на языке С. С этого времени начинается появление новых версий, разработанных за пределами Bell Labs, и рост популярности UNIX. В частности, эта версия системы была установлена Томпсоном в Калифорнийском университете в Беркли, и на ее основе вскоре была выпущена первая версия BSD (Berkeley Software Distribution) UNIX. |
| Седьмая редакция | 1979 | Эта версия включала командный интерпретатор Bourne Shell и компилятор С от Кернигана и Ритчи. Ядро было переписано для упрощения переносимости системы на другие платформы. Лицензия на эту версию была куплена фирмой Microsoft, которая разработала на ее базе операционную систему XENIX. |
Популярность UNIX росла, и к 1977 году число работающих систем уже превысило 500. В 1977 году компания Interactive Systems Corporation стала первым VAR (Value Added Reseller) системы UNIX, расширив ее для использования в системах автоматизации. Этот же год стал годом первого портирования UNIX с незначительными изменениями на компьютер, отличный от PDP.
Генеалогия UNIX
Хотя книге речь пойдет о системах с общим названием UNIX, стоит оговориться, что обсуждать мы будем различные операционные системы. Не существует некоторой "стандартной" системы UNIX, вместо этого вы столкнетесь с множеством операционных систем, имеющих собственные названия и особенности. Но за этими особенностями и названиями все же нетрудно заметить архитектуру, пользовательский интерфейс и среду программирования UNIX. Объясняется это достаточно просто — все эти операционные системы являются ближними или дальними родственниками. Поэтому знакомство с ними мы начнем с рассказа о генеалогии UNIX.
System V UNIX
Начиная с 1975 года фирма AT&T начала предоставлять лицензии на использование операционной системы как научно-образовательным учреждениям, так и коммерческим организациям. Поскольку основная часть системы поставлялась в исходных текстах, написанных на языке С, опытным программистам не требовалось детальной документации, чтобы разобраться в архитектуре UNIX. С ростом популярности микропроцессоров другие компании переносили UNIX на различные платформы, но простота и ясность операционной системы искушали многих на ее расширение и модификацию, в результате чего появилось много различных вариантов базовой системы.
Не желая терять инициативу, AT&T в 1982 объединила несколько существующих версий UNIX и создала версию под названием System III. В отличие от редакций, предназначавшихся, в первую очередь, для внутреннего использования и не получивших дальнейшего развития, System III была создана для распространения за пределами Bell Labs и AT&T и положила начало мощной ветви UNIX, которая и сегодня жива и развивается.
В 1983 году Bell Labs выпустила новую версию системы — System V. В 1984 году группа USG была трансформирована в лабораторию (UNIX System Development Laboratory, USDL), которая вскоре выпустила новую модификацию системы — System V Release 2 (SVR2). В этой версии были реализованы такие механизмы управления памятью, как замещение страниц и копирование при записи (copy on write), и представлена система межпроцессного взаимодействия (InterProcess Communication, IPC) с разделяемой памятью, очередью сообщений и семафорами.
В 1987 году появилась следующая версия — System V Release 3 (SVR3). За ее разработку отвечало новое подразделение AT&T — Информационные системы AT&T (AT&T Information Systems, ATTIS). Эта версия отличалась большим набором дополнительных возможностей, включавших:
□ Подсистему ввода/вывода, основанную на архитектуре STREAMS.
□ Переключатель файловой системы (File System Switch), обеспечивавший одновременную поддержку различных файловых систем.
□ Разделяемые библиотеки.
□ Программный интерфейс сетевых приложений Transport Layer Interface (TLI).
System V Release 4 (SVR4)
В 1989 году была выпущена новая основная версия — System V Release 4. По существу она объединила возможности нескольких известных версий UNIX: SunOS фирмы Sun Microsystems, BSD UNIX компании Berkeley Software Distribution и предыдущих версий System V.
Новые черты системы включали:
□ Командные интерпретаторы Korn и С (BSD)
□ Символические ссылки
□ Систему терминального ввода/вывода, основанную на STREAMS (System V)
□ Отображаемые в память файлы (SunOS)
□ Сетевую файловую систему NFS и систему вызова удаленной процедуры RPC (SunOS)
□ Быструю файловую систему FFS (BSD)
□ Сетевой программный интерфейс сокетов (BSD)
□ Поддержку диспетчеризации реального времени
Многие компоненты системы были поддержаны стандартами ANSI, POSIX, X/Open и SVID.
UNIX компании Berkeley Software Distribution
Четвертая редакция UNIX была установлена в Калифорнийском университете в Беркли в 1974 году. С этого момента начинает свою историю ветвь UNIX, известная под названием BSD UNIX. Первая версия этой системы основывалась на Шестой редакции и была выпущена в 1978 году. В 1979 году на базе Седьмой редакции была разработана новая версия UNIX — 3BSD. Она явилась первой версией BSD, перенесенной на ЭВМ VAX. В этой системе, в частности, были реализованы виртуальная память (virtual memory) и страничное замещение по требованию (demand paging).
Важным для развития системы явился 1980 год, когда фирма Bolt, Beranek and Newman (BBN) подписала контракт с Отделом перспективных исследовательских проектов (DARPA) Министерства обороны США на разработку поддержки семейства протоколов TCP/IP в BSD UNIX. Эта работа была закончена в конце 1981 года, а ее результаты интегрированы в 4.2BSD UNIX.
Версия 4.2BSD была выпущена в середине 1983 года и включала поддержку работы в сетях, в частности, в сетях Ethernet. Это способствовало широкому распространению локальных сетей, основанных на этой технологии. Система 4.2BSD также позволяла подключиться к сети ARPANET, быстрый рост которой наблюдается с начала 80-х. Разумеется, такая операционная система не могла не пользоваться большой популярностью. К тому же, в отличие от положения в AT&T, где сетевые разработки обычно не выходили за пределы компании, результаты, полученные в Беркли, были широко доступны. Поэтому 4.2BSD стала наиболее популярной системой в исследовательских кругах.
Однако большое количество нововведений привело к тому, что система получилась сырой, содержала ряд ошибок и имела определенные проблемы с быстродействием. В 1986 году была выпущена следующая версия — 4.3BSD, более надежная и с лучшей производительностью. В период с 1986 по 1990 год в систему было внесено много дополнений, включая сетевую файловую систему NFS, виртуальную файловую систему VFS, отладчик ядра и мощную поддержку сети.
Последними версиями, выпущенными в Беркли, стали системы 4.4BSD и BSD Lite, появившиеся в 1993 году.
OSF/1
В 1988 году AT&T и Sun Microsystems заключили соглашение о сотрудничестве в области разработки будущих версий System V. В ответ на это ряд компаний, производящих компьютеры или имеющих отношение к вычислительной технике, включая IBM, DEC, Hewlett-Packard, создали организацию под названием Open Software Foundation (OSF), целью которой являлась разработка независимой от AT&T версии операционной системы. Результатом деятельности этой организации стала операционная система OSF/1. Хотя ряд коммерческих операционных систем связывают себя с этой ветвью, нельзя сказать, что OSF/1 явилась новым словом в мире UNIX. Скорее, это был политический шаг, призванный снизить доминирующую роль ряда фирм, занимавшихся разработкой UNIX System V.
Версии UNIX, использующие микроядро
Идея микроядра заключается в сведении к минимуму функций, выполняемых ядром операционной системы, и, соответственно, предоставляемых базовых услуг. При этом основные компоненты операционной системы являются модулями, работающими на базе микроядра. С одной стороны, такой подход делает микроядро более универсальным, позволяя конструировать специализированные операционные системы, а с другой, — упрощает настройку и конфигурирование.
Наиболее известны следующие версии микроядра:
□ Микроядро Mach, разработанное в университете Карнеги-Меллона. Сегодня Mach используется в системе OSF/1 фирмы DEC для серверов с процессорами Alpha, а также в операционной системе Workplace фирмы IBM.
□ Микроядро Chorus. На базе этого микроядра созданы системы Chorus/MiX V.3 и Chorus/MiX V.4, являющиеся "серверизацией" SVR3 и SVR4. При этом ядро UNIX разделено на множество серверов, выполняющихся под управлением микроядра, причем эти серверы могут находиться как на одном компьютере, так и быть распределены в сети.
Свободно распространяемая система UNIX
Достаточно дешевый PC и свободно распространяемая система UNIX делают эту систему сегодня доступной практически каждому.
Очень популярная версия UNIX для PC, называемая Minix, была разработана Энди Тэненбаумом (Andy Tanenbaum) как приложение к его книге по архитектуре UNIX. Книга Тэненбаума содержит полные листинги исходных текстов системы. Дополнительный набор дискет позволяет установить Minix даже на PC с процессором 8086 (если найдется такой компьютер).
В последнее время все большую популярность приобретает свободно распространяемая версия UNIX под названием Linux, разработанная исследователем университета Хельсинки Линусом Торвальдсом (Linus Torvalds). Разработанная "с нуля" для процессора Intel i386, сегодня она перенесена на ряд других аппаратных платформ, включая серверы Alpha фирмы DEC.
Основные стандарты
UNIX явилась первой действительно переносимой системой, и в этом одна из причин ее успеха.
Как в ранние, бесплатно распространяемые, исследовательские версии, так и в сегодняшние коммерческие и свободно распространяемые версии UNIX постоянно вносятся изменения. С одной стороны, это расширяет возможности системы, делает ее мощнее и надежнее, с другой — ведет к значительным различиям между существующими версиями, отсутствию канонического UNIX.
Чем больше появлялось версий UNIX (и особенно коммерческих), тем очевиднее становилась необходимость стандартизации системы. Наличие стандартов облегчает переносимость приложений и защищает как пользователей, так и производителей. В результате возникло несколько организаций, связанных со стандартизацией, и был разработан ряд стандартов, оказывающих влияние на развитие UNIX.
IEEE и POSIX
В 1980 году была создана инициативная группа под названием /usr/group с целью стандартизации программного интерфейса UNIX, т. е. формального определения услуг, предоставляемых операционной системой приложениям. Решение этой задачи упростило бы переносимость приложений между различными версиями UNIX. Такой стандарт был создан в 1984 году и использовался комитетом ANSI, отвечающим за стандартизацию языка С, при описании библиотек. Однако с ростом числа версий операционной системы эффективность стандарта уменьшилась, и через год, в 1985 году, был создан Portable Operating System Interface for Computing Environment, сокращенно POSIX (переносимый интерфейс операционной системы для вычислительной среды).
Поделиться книгой: