Особенностью этой системы являлось то, что она была первой системной программой, которая была написана с использованием языка, отличного от машинного языка (ассемблера). Для целей написания этого системного программного обеспечения, в частности, операционной системы UNIX, также проводились работы, которые начинались от языка BCPL. Из него был образован язык B, который оперировал с машинными словами. Далее абстракция машинных слов - BN, и наконец язык Си. С 1983 года операционная система UNIX (ее первоначальная версия) была переписана на язык Си, и получилось, что около 90% операционной системы было написано на языке высокого уровня, не зависящем от архитектуры машины, а 10% этой системы были написаны на ассемблере. В эти десять процентов вошли наиболее критичные по времени части операционной системы.
Итак, первым важным и революционным результатом было использование языка высокого уровня. Этот факт вызывал обсуждения, потому что никто не верил, что это может быть долговременно, поскольку всегда язык высокого уровня ассоциировался с большой неэффективностью. Язык Си был сконструирован таким образом, что позволял, с одной стороны, писать достаточно эффективные программы, с другой стороны, транслировать его в эффективный код.
Первое свойство языка Си, которое повышало его эффективность, - это работа с указателями. Второе свойство заключается в том, что при программировании на ассемблере мы часто используем побочные эффекты. Например, эффект, когда результатом вычисления какого-то выражения является не только записанной значение, но и какие-то промежуточные значения, которые можно по ходу записать для последующего их использования. Эти возможности стали доступны и в языке Си, потому что понятие выражения в языке Си гораздо шире, чем в тех языках, которые имелись в наличии в то время. В частности, появилась операция присваивания, вместо оператора присваивания, которая позволила программировать побочные эффекты. Эти свойства и определили «живучесть» языка, пригодность для программирования системных компонентов и возможность оптимальной трансляции кода различных машин.
С профессиональной (канонической) точки зрения, язык Си - ужасный язык. Основным требованием, которое предъявляется к языкам программирования, является обеспечение безопасности программирования. Средства языка должны минимизировать вероятность внесения ошибок в программу, и заведомо к таким средствам современных языков относится следующее: жесткий контроль типов (т.е. нельзя, например, сложить целочисленную переменную с вещественной, не преобразовав перед этим тип одной из них к типу другой). Язык Си обладает возможностью преобразования типов по умолчанию. Другая криминальная вещь - это обеспечение контроля за доступом к памяти программы (т.е. если в ячейке памяти хранится вещественное число, то мы не можем его проинтерпретировать никак иначе). Возможность бесконтрольного использования этих значений предоставляют указатели. Более того, через указатель можно «обманывать» функции в соответствии и несоответствии фактических параметров формальным параметрам и т.д. Третье свойство - это контроль за взаимодействием модулей. Много ошибок появляется в том случае, если в функции продекларирован один набор формальных параметров, а обращение к ней происходит по другому набору (причем отличия могут быть как по количеству параметров, так и по типам). В языке Си всегда можно обмануть программу - вместо формального параметра одного типа дать параметр другого типа, и вместо десяти параметров передать один. Это приводит к ошибкам.
Вот три позиции, по которым язык Си не удовлетворяет требованиям безопасности. Однако опыт показывает, что наиболее живучими оказываются плохие (с этой точки зрения) языки.
Итак, 1973 год - год появления написанной на языке Си операционной системы UNIX. Какими основными свойствами обладала эта система? Первое свойство - это концепция файлов. Основным объектом, которым оперирует операционная система, является файл. Файл, с точки зрения операционной системы UNIX, - это внешнее устройство. Файл - это каталог, который содержит информацию о содержащихся в нем файлах. И так далее, на сегодняшний день, файлом может считаться, в некотором смысле и процесс, который может работать.
Второе свойство - это особая структура операционной системы. В отличие от предыдущих операционных систем, в которых каждая команда была «зашита» внутрь операционной системы, т.е. ее нельзя было как -либо модифицировать, в UNIX-е проблемы команд решены очень элегантно. Во-первых, UNIX декларирует стандартный интерфейс передачи параметров извне внутрь процесса. Во-вторых, все команды реализованы в виде файлов. Это означает, что можно свободно добавлять новые команды в систему, а также убирать и модифицировать их. То есть система UNIX открыта и ее можно легко развивать.
Начнем рассмотрение конкретных свойств операционной системы.
Файловая система. Организация файлов. Работа с файлами.
Файловая система UNIX-а - это многопользовательская иерархическая файловая система. Ее структуру мы рисовали на прошлой лекции. Она представима деревом, корнем которого является, так называемый, корневой каталог. Узлами, отличными от листьев дерева, являются каталоги. Листьями могут являться либо файлы (в традиционном понимании), либо пустые каталоги. В системе определено понятие имени файла - это имя, которое ассоциировано с набором данных в рамках каталога, которому этот файл принадлежит. Кроме того, имеется понятие полного имени - это уникальный путь от корня файловой системы до конкретного файла. Разрешено совпадение имен файлов, находящихся в разных каталогах.
На самом деле, файловая система не совсем древообразная. Имеется возможность нарушения иерархии за счет средств, позволяющих ассоциировать несколько имен (полных) с одним и тем же содержимым файла, - это, так называемые, ссылки. Тем не менее, мы будем говорить, что файловая система иерархическая и древообразная.
В операционной системе UNIX используется трехуровневая иерархия пользователей (все пользователи разделены на группы), структура которой в общем случае была рассмотрена в предыдущей лекции. В связи с этим каждый файл файловой системы обладает двумя атрибутами. Первый атрибут - это, так называемый, владелец файла. Этот атрибут связан с одним конкретным пользователем, который является владельцем файла. Владельцем файла можно стать по умолчанию, если создать этот файл, а также есть команда, которая позволяет менять владельца файла. Второй атрибут - это атрибут, связанный с защитой доступа к файлу (подробнее об этом будет сказано позже).
Доступ к каждому файлу регламентируется по трем категориям. Первая категория - это права владельца файла. В общем случае владелец не обязательно может делать с этим файлом все что угодно. Вторая категория - права группы, к которой принадлежит владелец файла, (отличные от прав владельца). Третья категория - права остальных пользователей системы, за исключением соответствующей группы. По этим трем категориям регламентируются три действия - чтение из файла, запись в файл и исполнение файла. В каждом файле определено, может ли пользователь данной категории читать файл, писать в него и запускать его как исполняемый в качестве процесса.
Работа с файлами
Рассмотрим структуру файловой системы на диске. Для любой вычислительной системы определено понятие системного внешнего запоминающего устройства (СВЗУ). СВЗУ - это устройство, к которому осуществляет доступ аппаратный загрузчик машины с целью запуска операционной системы. Почти любая вычислительная машина имеет диапазон адресного пространства памяти, размещенный в, так называемом, постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). В ПЗУ размещается небольшая программа (аппаратный загрузчик), которая при включении или аппаратной перезагрузке машины, обращается к фиксированному блоку СВЗУ, размещает его в оперативной памяти и передает управление на фиксированный адрес, принадлежащий считанным данным. Считается, что этот считанный блок данных является, так называемым, программным загрузчиком. Программный загрузчик далее «раскручивает» запуск операционной системы. Следует отметить, что аппаратный загрузчик не зависит от операционной системы, а программный загрузчик является компонентом операционной системы. Он уже знает, где размещаются данные, необходимые для запуска операционной системы.
В любой системе принято разбиение пространства ВЗУ на некоторые области данных, которые называются блоками. Размер логического блока является фиксированным атрибутом операционной системы. В операционной системе UNIX размеры блока определяет некоторый параметр, который может меняться в зависимости от версии системы. Для определенности будем говорить, что логический блок ВЗУ равен 512 байт.
Представим адресное пространство СВЗУ в виде последовательности блоков. Нулевой блок СВЗУ - это блок начальной загрузки, или блок, в котором находится программный загрузчик. Размещение этого блока в нулевом блоке СВЗУ определяется аппаратно, потому что аппаратный загрузчик обращается всегда именно к нулевому блоку. Это последний компонент файловой системы, который зависит от аппаратуры.