Как работает Windows?
Когда встаёт вопрос как работает Windows, мы подразумеваем тот факт, что речь идёт о ОС семейства Microsoft различных поколений, в принципе работы которых, конечно, немало общего. Не будет ошибкой, если мы вычленим основные четыре функции любой современной операционной системы, и посмотрим, как Windows с ними справляется. В этой статье приводится формальное описание работы операционной системы семейств Windows, приводится список основных компонентов системы. Я покажу, как Windows управляет программами и работает с оборудованием и расскажу о понятиях процесс , поток и др. Статья не для профессионалов (разве можно описать как работает Windows в ЕДИНСТВЕННОЙ статье?) и поможет начинающему получить общее представление о принципе работы Windows.
ВНИМАНИЕ! СТАТЬЯ НЕ ЗАКОНЧЕНА. МАТЕРИАЛЫ ДОБАВЛЯЮТСЯ ПО МЕРЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОКОНЧАТЕЛЬНОГО ИНТЕРФЕЙСА БЛОГА.СПАСИБО ЗА ПОНИМАНИЕ.
Чем занимается операционная система?
Любой работающий компьютер есть связка четырёх типов программного обеспечения: операционная система, программы и приложения, драйверы и BIOS Вот основные функции операционной системы, которые определяют её место среди прочих программных оболочек.
- управление оборудованием (включает в себя приём микрокода от BIOS чипа материнской платы, управление оперативной памятью, диагностику неисправностей и сочленение установленного оборудования и программ к нему)
- управление программами (включает в себя установку и удаление программ, запуск программ и участие работе “железных” компонентов от имени программ)
- управление файлами (всё, что можно создавать, перемещать и удалять на твердотельных накопителях)
- создание пользовательского интерфейса (графического или командного/текстового) для обеспечения или контроля всех или многих указанных выше функций
Компоненты Windows, или из чего Windows состоит
Как работает Windows блочно можно отобразить так:
Из схемы видно, что основными компонентами любой операционной системы являются три блока:
Как работает Windows: программная оболочка = Shell
Это часть операционной системы, которая завязана и с пользователем и с приложениями. Именно шелл позволяет нам запускать флешки, устанавливать программы, запускать word-вый документ и печатать в нём, сохраняя в любое дозволенное системой место, которое заметно проводнику. Shell – это и File Explorer (проводник Windows), и контрольная панель Пуск, и окна Свойства системы и Мой компьютер. Человек или пользователь знает шелл как различные инструменты пользовательского интерфейса, такие как диалоговые окна, ярлыки и иконки, контекстные меню дополнительных команд.
А для программ шелл это команды и процедуры, которые эти программы могут вызывать: печать информацию через принтер, читать данные из баз, отображать что-то на экране.
Сам шелл состоит из нескольких подсистем, которые управляются в пользовательском режиме. Такой режим означает, что эти подсистемы имеют очень ограниченный доступ к системной информации, и доступ к “железу” может осуществляться ТОЛЬКО через системные службы (службы самой Windows). Одна из таких подсистем – подсистема безопасности Win32 – обеспечивает вход в систему (регистрацию пользователя), сохранение и распространение его привилегий на файлы и папки, а также другие функции безопасности. Абсолютно все программы и приложения “здороваются с Windows” только через подсистему Win32.
Как работает Windows : Ядро
Как и в других ОС, отвечает за работу с оборудованием, которое внутри компьютера находится или во время работы к компьютеру “пристёгивается”. Режим ядра полномочий имеет гораздо больше. Никакая программа, установленная в Windows, не имеет доступа к “железу” напрямую – только через шелл, который, в свою очередь, посылает все запросы к ядру. Такая система взаимодействия обеспечивает стабильную работу ОС. Это чем-то напоминает ресторан: перед тем как заказать блюдо, вам нужно позвать официанта (к шеф-повару и на саму кухню вас не пропустят).
Ядро состоит из двух компонентов:
- слой аппаратных абстракций HAL – hardware abstraction layer
– (ближайший к железу уровень) - уровень исполнительных служб (обеспечивает взаимодействие подсистем в пользовательском режиме со слоем аппаратных абстракций)
Что здесь нужно запомнить? Логика работы ясна уже из описания: исполнительные службы Windows работают с оборудованием при помощи самого HAL и драйверов для конкретного устройства. Такой принцип работы устанавливается незаметно для глаз пользователя в момент установки Windows на компьютер. В тот самый момент, когда мы видим строки состояния установки компонентов и служб/программ, и строится структура слоя HAL на основе процессора, который в материнской плате вашей машины установлен. То есть привычные процессы во время установки Windows предстают теперь в таком свете:
загрузка шелл пользовательского интерфейса
приглашение к компиляции HAL
То, что появится после установки ОС, перенести на другой компьютер один в один не получится: для нормальной работы в новой конфигурации до– или переустановка отдельных драйверов или целого их пакета неизбежна.
Как работает Windows: Данные конфигурации
Ну, а всем операционным системам нужно место, где данные о программах и оборудовании, а также настройках и предпочтении пользователя можно хранить. Нужно хранить информацию и о том, как пользователь хочет, чтобы Windows и программы выглядели, где хранить скачиваемое и создаваемое и т.д. Для всего этого (или для почти всего) Windows использует … правильно, реестр. Некая информация хранится в файлах инициализации (характерные файлы с расширением .ini и .inf).
И когда установленная программа запускается, перед появлением какого-либо окна она сначала посмотрит реестр и прочитает эти файлы, и только потом уже запуск приложения можно считать успешным.
Как Windows управляет программами?
Если программа установлена, мы подразумеваем, что её остов где-то хранится. Чаще всего это жёсткий диск или флешка. Когда пользователь запускает программу, некоторые из её файлов копируются в оперативную память. Так появляется процесс. практически в том виде, каком мы видим его в Диспетчере задач или Process Explorer. Процессом можно назвать программу, запущенную вместе с соответствующими системными службами и другими ресурсами. Ресурсы нередко включают в себя и другие программы, включая захват дополнительных ячеек оперативной памяти для временного хранения данных. Когда процесс делает запрос к системе по типу “Мне нужны ресурсы!”, подразумевается, что программа обращается именно к подсистеме Win32. Так появляется поток данных. Поток – это единичная, выделенная задача (запустить или создать документ, вставить рисунок из буфера обмена, распечатать документ на принтере и т.д.). Схематично это выглядит так:
Как видите, потоков может быть несколько. Это называется многопоточность/мультипоточность: например, окна браузеров могут запускаться в нескольких вкладках или нескольких отдельных окнах. Выражаясь технически, в обоих случаях речь идёт о нескольких разных процессах браузер.exe.
Технология работы в ОС Windows
Информационные и коммуникационные технологии
Операционная система – это комплекс программ, обеспечивающих управление работой компьютера и его взаимодействие с пользователем.
С точки зрения человека операционная система служит посредником между человеком, электронными компонентами компьютера и прикладными программами. Она позволяет человеку запускать программы, передавать им и получать от них всевозможные данные, управлять работой программ, изменять параметры компьютера и подсоединённых к нему устройств, перераспределять ресурсы. Работа на компьютере фактически является работой с его операционной системой. При установке на компьютер только операционной системы (ОС) ничего содержательного на компьютере также сделать не удастся. Для ввода и оформления текстов, рисования графиков, расчёта зарплаты или прослушивания лазерного диска нужны специальные прикладные программы. Но и без ОС ни одну прикладную программу запустить невозможно.
Операционная система решает задачи, которые можно условно разделить на две категории:
· во-первых, управление всеми ресурсами компьютера;
· во-вторых, обмен данными между устройствами компьютера, между компьютером и человеком.
Кроме того, именно ОС обеспечивает возможность индивидуальной настройки компьютера: ОС определяет, из каких компонентов собран компьютер, на котором она установлена, и настраивает сама себя для работы именно с этими компонентами.
Ещё не так давно работы по настройке приходилось выполнять пользователю вручную, а сегодня производители компонентов компьютерной техники разработали протокол plug-and-play (включил — заработало). Этот протокол позволяет операционной системе в момент подключения нового компонента получить информацию о новом устройстве, достаточную для настройки ОС на работу с ним.
Операционные системы для ПК различаются по нескольким параметрам. В частности, ОС бывают:
· однозадачныеимногозадачные;
· однопользовательские и многопользовательские;
· сетевые и несетевые.
Кроме того, операционная система может иметь командный или графический многооконный интерфейс (или оба сразу).
Однозадачные операционные системы позволяют в каждый момент времени решать только одну задачу. Такие системы обычно позволяют запустить одну программу в основном режиме.
Многозадачные системы позволяют запустить одновременно несколько программ, которые будут работать параллельно.
Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.
В последние годы фактическим стандартом стал графический многооконный интерфейс, где требуемые действия и описания объектов не вводятся в виде текста, а выбираются из меню, списков файлов и т.д.
В настоящее время, с появлением мощных компьютеров, широкое распространение получили два типа ОС. К первому типу относятся достаточно похожие ОС семейства Windows компании Microsoft. Они многозадачные и имеют многооконный графический интерфейс. На рынке персональных компьютеров с Windows конкурируют ОС типа UNIX. Это многозадачная многопользовательская ОС с командным интерфейсом. В настоящее время разработаны расширения UNIX, обеспечивающие многооконный графический интерфейс. UNIX развивалась в течение многих лет разными компаниями, но до недавнего времени она не использовалась на персональных компьютерах, т.к. требует очень мощного процессора, весьма дорога и сложна, её установка и эксплуатация требуют высокой квалификации. В последние годы ситуация изменилась. Компьютеры стали достаточно мощными, появилась некоммерческая, бесплатная версия системы UNIX для персональных компьютеров — система Linux. По мере роста популярности этой системы в ней появились дополнительные компоненты, облегчающие её установку и эксплуатацию. Немалую роль в росте популярности Linux сыграла мировая компьютерная сеть Internet. Хотя освоение Linux гораздо сложнее освоения систем типа Windows, Linux — более гибкая и в то же время бесплатная система, что и привлекает к ней многих пользователей.
Существуют и другие ОС. Известная компания Apple производит компьютеры Macintosh с современной ОС MacOS. Эти компьютеры используются преимущественно издателями и художниками. Фирма IBM производит ОС OS/2. Операционная система OS/2 такого же класса надёжности и защиты, как и Windows NT.
Разбираемся, как работают операционные системы
Linux, Windows, Mac OS? Зачем они нужны? Понимание того, как работают операционные системы, поможет создавать качественные приложения.
Есть несколько причин, почему программистам стоит знать, как работают операционные системы. Одна из них – чтобы понимать, как работают программы. Представьте: вы пишете код, который кажется рабочим, но программа тормозит. Что делать? Можно попробовать разобраться с ограничениями операционной системы, но вы ведь не умеете!
Если стремитесь построить карьеру программиста, стоит понять, как работают операционные системы. Например, можно изучить курс «Введение в операционные системы» от Georgia Tech. В нем рассказывается, как работают ОС: механизмы работы, параллельное программирование (потоки и синхронизация), взаимодействие между процессами, распределённые ОС.
Осветим 10 наиболее важных принципов, о которых говорилось в курсе Udacity, и разберемся, как же работают операционные системы.
Что такое операционная система
Это первое, о чем нужно задуматься, если вы решили разобраться, как работают операционные системы. ОС представляют собой набор программного обеспечения. Это ПО управляет компьютерным оборудованием и предоставляет техническую базу для программ. А ещё они управляют вычислительными ресурсами и обеспечивают защиту. Главное, что у них есть, – это доступ к управлению компонентами компьютера.
Файловая система, планировщик и драйверы – всё это основные инструменты работы ОС.
Существует три ключевых элемента операционной системы:
- Абстракции (процессы, потоки, файлы, сокеты, память).
- Механизмы (создание, управление, открытие, запись, распределение).
- Реализации (алгоритмы LRU, EDF).
Кроме того, есть два основных принципа проектирования операционных систем:
- Максимальная гибкость: отделение механизмов от конкретных реализаций.
- Ориентация на пользователей: на каких устройствах будет работать ОС, что нужно пользователю, каковы требования к производительности.
Теперь подробнее разберём глобальные концепции, которые помогут сформировать понимание того, как работают операционные системы.
Процессы и управление
Процесс – не что иное, как исполнение программы. Так как программа записана в виде последовательности действий в текстовый файл, процессом она становится только при запуске.
Загруженная в память программа может быть условно разделена на четыре части: стек, кучу, контекст и данные.
- Stack: стек процесса содержит временные данные, такие как параметры метода, адрес возврата и локальные переменные.
- Heap: это динамически распределяемая память процесса времени его выполнения.
- Text: хранит состояние регистров, состояние программного счетчика, режим работы процессора, незавершенные операции ввода-вывода, информацию о выполненных системных вызовах.
- Data: раздел содержит глобальные и статические переменные.
Когда процесс выполняется, он проходит через разные состояния. Эти этапы могут различаться в разных операционных системах.
Общая картина выглядит так:
- Start: начальное состояние при создании процесса.
- Ready: процесс ожидает исполнения на процессоре. В течение работы процессор может переключаться между процессами, переводя одни в режим готовности, другие – в режим исполнения.
- Running: выполнение инструкций.
- Wait: процесс переходит в состояние ожидания. Например, ждёт ввода данных или получения доступа к файлу.
- Terminated: как только процесс завершится, он перейдёт в это состояние и будет ожидать удаления.
Немного терпения: мы уже близки к пониманию того, как работают операционные системы 😉
Блок управления процессов (Process Control Block) – это структура данных, поддерживаемая операционной системой для каждого процесса. PCB имеет идентификатор PID. Именно PCB хранит всю информацию, необходимую для отслеживания процесса.
- Process ID: идентификатор каждого из процессов в ОС.
- State: текущее состояние процесса.
- Privileges: разрешения доступа к системным ресурсам.
- Pointer: указатель на родительский процесс.
- Priority: приоритет процесса и другая информация, которая требуется для планирования процесса.
- Program Counter: указатель на адрес следующей команды, которая должна быть выполнена.
- CPU registers: регистры процессора, необходимые для состояния исполнения.
- Accounting Information: уровень нагрузки на процессор, статистика и другие данные.
- I/O Information: список ресурсов, использующих чтение и запись.
Потоки и параллелизм
Поток (нить, thread) – это ход исполнения программы. Он также имеет свой program counter, переменные, стек.
Потоки одной программы могут работать с одними данными, а взаимодействовать между собой через код.
Поток – это легковесный процесс. Вместе они обеспечивают производительность приложений и ОС за счет параллелизма на уровне программы.
Каждый поток относится к какому-то процессу и не может существовать без него. Сегодня потоки широко применяются в работе серверов и многопроцессорных устройств с общей памятью.
- Они минимизируют время переключения контекста (процессора).
- Их использование обеспечивает параллелизм процесса.
- Они эффективно общаются между собой.
- Потоки позволяют использовать многопроцессорные архитектуры в большем масштабе.
Потоки имеют два уровня реализации:
- Пользовательский уровень, то есть потоки, управляемые приложениями;
- Уровень ядра, то есть потоки, управляемые ядром операционной системы.
В первом случае ядро управления потоками ничего не знает о существовании потоков вообще. А библиотека потоков просто содержит код для создания и уничтожения потоков, а также передачи сообщений и данных между ними для планирования выполнения потоков и сохранения (восстановления) контекстов потоков.
Во втором случае ядро выполняет создание потоков, а ещё планирование и управление в пространстве ядра. Заметим, что потоки ядра обычно медленнее, чем потоки пользователей.
Планирование
Планировщик – это часть менеджера процессов, которая ответственна за переключение между процессами и выбор очереди по какой-либо стратегии.
ОС поддерживает все блоки управления процессом (PCB) в очередях планирования процесса:
- Очередь задач (job queue) поддерживает все процессы в системе.
- Очередь ожидания (ready queue) хранит информацию обо всех процессах, находящихся в основной памяти в состоянии ожидания. В эту очередь попадают и новые процессы.
- Очереди из устройств (device queue) – это процессы, заблокированные из-за недоступности устройств ввода-вывода.
ОС может использовать разные методы реализации для управления очередями (FIFO, Round Robin, Priority). Планировщик ОС определяет, когда и как перемещать процессы между готовыми и запущенными очередями (могут иметь только одну запись на ядро процессора в системе). На приведенной выше диаграмме он был объединен с процессором.
Модели состояния делятся на активные и неактивные:
- Активные: при создании нового процесса он переходит в класс активных.
- Неактивные: процессы, которые не выполняются, а ждут завершения других процессов. Каждая запись в очереди является указателем на конкретный процесс. Очередь реализуется с использованием связанного списка. Использование диспетчера заключается в следующем: когда процесс прерывается, то переносится в очередь ожидания. Если процесс завершен или отменен – он отменяется вовсе.
Переключение контекста – это механизм сохранения (в PCB) и восстановления контекста процессора с ранее запущенного промежутка времени. При использовании этого метода, коммутатор контекста позволяет использовать один процессор для нескольких действий одновременно. Кстати, контекстное переключение является неотъемлемой частью многозадачной операционной системы.
Когда планировщик переключает процессор с одного процесса на другой, состояние из текущего запущенного процесса сохраняется в блоке управления. Затем состояние для следующего процесса загружается из своего PCB в регистры процессора. Только потом второй процесс может быть запущен.
При переключении следующая информация сохраняется для последующего использования: счетчик программы, информация планировщика, значение регистра базы и лимита, используемый в настоящее время регистр, измененное состояние, информация о состоянии ввода и вывода, учетная информация.
Управление памятью
Ещё одна важная часть – та, что отвечает за все операции по управлению первичной памятью. Существует менеджер памяти, который обрабатывает все запросы на получение памяти и высвобождение. Он же следит за каждым участком памяти, независимо от того, занят он или свободен. И он же решает, какой процесс и когда получит этот ресурс.
Адресное пространство процесса – набор логических адресов, к которым программа обращается в коде. Например, если используется 32-битная адресация, то допустимые значения варьируются от 0 до 0x7fffffff, то есть 2 Гб виртуальной памяти.
Операционная система заботится о том, чтобы сопоставить логические адреса с физическими во время выделения памяти программе. Нужно также знать, что существует три типа адресов, используемых в программе до и после выделения памяти:
- Символьные адреса: или по-другому адреса, используемые в исходном коде. Имена переменных, константы и метки инструкций являются основными элементами символического адресного пространства.
- Относительные адреса: компилятор преобразует символические адреса в относительные адреса.
- Физические адреса: загрузчик генерирует эти адреса в момент загрузки программы в основную память.
Виртуальные и физические адреса одинаковы как в процессе загрузки, так и во время компиляции. Но они начинают различаться во время исполнения.
Набор всех логических адресов, которые создала программа, называется логическим адресным пространством. Набор всех физических адресов, соответствующих этим логическим адресам, называется физическим адресным пространством.
Хотите разобраться подробнее в том, как работают операционные системы? Посмотрите соответствующие книги в нашем Телеграм-канале.
Межпроцессорное взаимодействие
Существует два типа процессов: независимые и взаимодействующие. На независимые не оказывается влияние процессов сторонних, в отличие от взаимодействующих.
Можно подумать, что процессы, которые работают независимо, выполняются эффективнее, но зачастую это не так. Использование кооперации может повысить скорость вычислений, удобство и модульность программ.
Межпроцессная коммуникация (IPC) – это механизм, который позволяет процессам взаимодействовать друг с другом и синхронизировать действия. Связь между этими процессами может рассматриваться как сотрудничество.
Процессы могут взаимодействовать двумя способами: через общую память или через передачу сообщений.
Метод использования общей памяти
Допустим, есть два процесса: исполнитель (производитель) и потребитель. Один производит некоторый товар, а второй его потребляет. Эти два процесса имеют общее пространство или ячейку памяти, известную как «буфер». Там хранится элемент, созданный исполнителем, оттуда же потребитель получает этот элемент.
Однако у этих версий есть как минимум две значимые проблемы: первая известна как проблема безграничного буфера: исполнитель может продолжать создавать элементы без ограничений на размер буфера. Вторая заключается в том, что исполнитель, заполнив буфер, переходит в режим ожидания.
В задаче с ограниченным буфером у исполнителя и потребителя будет общая память. Если общее количество произведенных товаров равно размеру буфера, то исполнитель будет ждать их потребления.
Аналогично потребитель сначала проверит наличие товара, и если ни один элемент не будет доступен, придётся ждать его освобождения.
Метод анализа сообщений
С помощью этого метода процессы взаимодействуют друг с другом без использования общей памяти. Допустим, есть два процесса, p1 и p2, которые хотят взаимодействовать друг с другом. Они работают следующим образом:
- Устанавливается связь (если её ещё не существует).
- Начинается обмен сообщениями с помощью базовых примитивов. Нам нужно как минимум два примитива – отправить (сообщение, пункт назначения) или получить (сообщение).
Размер сообщения может быть фиксированным или переменным. Проектировщикам ОС проще работать с сообщениями фиксированного размера, а программистам – переменного. Стандартное сообщение состоит из двух частей – заголовка и тела.
Управление вводом и выводом
Одной из важнейших задач операционной системы является управление различными устройствами ввода и вывода вроде мыши, клавиатуры, дисководов, etc.
Система ввода и вывода принимает запрос приложения на ввод или вывод данных, а затем отправляет его на соответствующее физическое устройство. После возвращает приложению полученный ответ. Устройства ввода и вывода можно разделить на две категории:
- Блочные: то есть устройства, с которыми драйверы связываются, отправляя целые блоки данных. Например, жесткие диски, USB-камеры, Disk-On-Key.
- Символьные: те устройства, с которыми драйвер связывается, отправляя и получая одиночные символы (байты или октеты). Например, последовательные порты, параллельные порты, звуковые карты и так далее.
ЦПУ должен иметь способ передачи информации на устройство ввода-вывода и обратно. И есть три способа сделать это:
Особые, неуниверсальные инструкции процессора, внедренные специально для контроля устройств ввода-вывода. Они позволяют отправлять данные на устройство и считывать их оттуда.
- Входы и выходы с отображением памяти
Когда используется ввод-вывод с отображением памяти, одно и то же адресное пространство разделяется памятью и устройствами ввода-вывода. Устройство подключается непосредственно к ячейкам памяти так, чтобы можно было передавать блок данных без применения ЦПУ.
- Прямой доступ к памяти (DMA)
Медленные устройства, такие как клавиатуры, генерируют прерывания ЦПУ после передачи каждого байта. Если бы быстрые устройства работали похожим образом, то ОС бы тратила большую часть времени впустую, на обработку этих прерываний. Поэтому для снижения нагрузки обычно используется прямой доступ к памяти (DMA).
Это означает, что ЦПУ предоставляет модулю ввода и вывода полномочия для чтения или записи в память. Сам модуль управляет обменом данными между основной памятью и устройством ввода-вывода. ЦПУ участвует в начале и конце передачи, а прерывается только после полной передачи блока.
Организация прямого доступа к памяти требует специального оборудования, называемого контроллером DMA (DMAC). Он управляет передачей данных и доступом к системной шине. Контроллеры запрограммированы с указателями источника и места назначения, счетчиками для отслеживания количества переданных байтов и прочими настройками.
Виртуализация
Технология, которая позволяет создавать несколько сред или выделенных ресурсов из единой физической аппаратной системы называется виртуализация
Программное обеспечение, гипервизор, напрямую подключается к этой аппаратной системе и позволяет разбить ее на отдельные, безопасные среды – виртуальные машины. По идее, гипервизор должен аппаратные ресурсы между виртуальными машинами так, чтобы процессы выполнялись быстрее.
Физическая машина с гипервизором называется хостом, а виртуальные машины, которые используют ресурсы данного хоста – гостями. Для них ангаром ресурсов являются процессор, память, хранилище. Для получения доступа к этим ресурсам операторы управляют виртуальными экземплярами.
В идеале, все связанные виртуальные машины управляются с помощью единой веб-консоли управления виртуализацией. Она нужна, чтобы ускорять работу. Виртуализация позволяет определить, сколько вычислительной мощности и памяти выделять виртуальным машинам. Кроме того, так как виртуальные машины технически не связаны между собой, это повышает безопасность сред.
Проще говоря, виртуализация создает дополнительные мощности для выполнения процессов.
Типы виртуализации
- Данные: позволяет компаниям обеспечивать вычислительные мощности для объединения данных из нескольких источников, размещения новых источников и преобразования данных в соответствии с потребностями пользователя.
- Рабочий стол: легко спутать с виртуализацией операционной системы. Виртуализация рабочего стола позволяет центральному администратору одновременно развёртывать смоделированные среды на сотнях физических машин. Виртуальные системы позволяют администраторам выполнять массовые конфигурации, обновления и проверки безопасности на всех устройствах сразу.
- Серверы: программная имитация с помощью специального ПО аппаратного обеспечения компьютера: процессор, память, жесткий диск, и т. д. На такой виртуальный компьютер можно установить операционную систему, и она будет на нем работать точно так же, как и на простом, «железном» компьютере. Самое интересное достоинство этой технологии – это возможность запуска нескольких виртуальных компьютеров внутри одного физического. При этом, все виртуальные компьютеры могут работать независимо друг от друга.
Сервер – компьютер, спроектированный под выполнение большого объема специфических задач. Виртуализация сервера позволит ему выполнять больше этих специальных задач, а также разделить функционал на разные компоненты. - ОС: это способ одновременного запуска Linux и Windows-сред. Преимущество в том, что это уменьшает затраты на оборудование, повышает безопасность и экономит время на обслуживании.
- Сетевые функции: разделяет ключевые функции сети (например, службы каталогов, общий доступ к файлам и IP-конфигурацию) для распределения между средами. Виртуальные сети сокращают количество физических компонентов: коммутаторов, маршрутизаторов, серверов, кабелей.
Система файловой дистрибуции
Распределенная файловая система – это клиентское или клиент-серверное приложение, которое позволяет получать и обрабатывать данные. Они хранятся на сервере, как если бы они находились на персональном компьютере. Когда пользователь запрашивает файл, сервер отправляет ему копию запрашиваемого файла, который кэшируется на компьютере пользователя во время обработки данных, а затем возвращается на сервер.
Бывает так, что за одними и теми же данными одновременно обращаются сразу несколько пользователей. Для этих целей сервер должен иметь механизм организации обновлений, чтобы клиент всегда получал самую актуальную версию данных. Распределенные файловые системы обычно используют репликацию файлов или баз данных для защиты от сбоев.
Сетевая файловая система Sun Microsystems (NFS), Novell NetWare, распределенная файловая система Microsoft и DFS от IBM являются примерами распределенных файловых систем.
Распределенная общая память
Распределенная общая память (DSM) – это компонент управления ресурсами распределенной операционной системы. В DSM доступ к данным осуществляется из общего пространства, аналогично способу доступа к виртуальной памяти. Данные перемещаются между дополнительной и основной памятью, а также между разными узлами. Изменения прав собственности происходят, когда данные перемещаются с одного узла на другой.
Преимущества распределенной общей памяти:
- Программистам можно не беспокоиться о передаче памяти между машинами, потому что перемещение данных можно скрыть;
- Можно передавать сложные структуры по ссылке, упрощая разработку алгоритмов для распределенных приложений;
- Это дешевле, чем многопроцессорные системы и может быть реализовано с использованием обычного оборудования;
- Можно использовать неограниченное количество узлов;
- Программы, написанные для мультипроцессоров с общей памятью, могут быть запущены в системах DSM.
Облачные вычисления
Всё больше процессов переходит в облако. По сути, облачные вычисления – это своего рода аутсорсинг компьютерных программ. Используя облачные вычисления, пользователи могут получать доступ к программному обеспечению и приложениям из любого места. Это означает, что им не нужно беспокоиться о таких вещах, как хранение данных и питание компьютера.
Традиционные бизнес-приложения всегда были очень сложными, дорогими в обслуживании – нужна команда экспертов для установки, настройки, тестирования, запуска, защиты и обновления. Это одна из причин, почему стартапы проигрывают корпорациям.
Используя облачные вычисления, вы передаёте ответственность за аппаратное и программное обеспечение опытным специалистам, таким как Salesforce и AWS. Вы платите только за то, что вам нужно, апгрейд платежного плана производится автоматически по мере ваших потребностей, а масштабирование системы протекает без особых сложностей.
Приложения на базе облачных вычислений могут работать эффективнее, дольше и стоить дешевле. Уже сейчас компании используют облачные приложения для множества приложений, таких как управление отношениями с клиентами (CRM), HR, учет и так далее.
Итоги
В заключение хочется ещё раз вернуться к тому, зачем вообще разбираться в том как работают операционные системы. Операционная система – это «мозг», который управляет входными, обрабатываемыми и выходными данными. Все остальные компоненты также взаимодействуют с операционной системой. Понимание того, как работают операционные системы, прояснит некоторые детали и в других компьютерных науках, ведь взаимодействие с ними организуется именно средствами ОС.
Разобрались, как работают операционные системы? Вот ещё несколько интересных статей на тему:
Источник: Как работают операционные системы: 10 концептов, которые нужно знать разработчикам on Medium.