1 .1 Ядро операционной системы

Ядро операционной системы, как правило, содержит программы для реализации следующих функций (весь этот функционал и составляет ядро операционной системы):

• обработка прерываний;
• создание и уничтожение процессов;
• переключение процессов из состояния в состояние;
• диспетчирование ;
• приостановка и активизация процессов ;
• синхронизация процессов ;
• организация взаимодействия между процессами;
• манипулирование блоками управления процессами;
• поддержка операций ввода-вывода;
• поддержка распределения и перераспределения памяти;
• поддержка работы файловой системы ;
• поддержка механизма вызова-возврата при обращении к проце¬дурам;
• поддержка определенных функций по ведению учета работы
• машины.

1 .2 Процессы

Проце́сс — это в выполняемая в данный момент программа. Выполнение процесса должно осуществляться последовательно. Процесс определяется как сущность, представляющая основную единицу работы, которая должна быть реализована в системе.

На любой ЭВМ всегда имеется процесс соответствующий операционной системе (ОС) этой ЭВМ, а также один или несколько процессов отвечающих пользовательским программам. На однопроцессорных ЭВМ в любой момент времени может выполнятся только один процесс. Любая ОС должна уметь производить запуск процессов, приостановку, их выполнение, завершение их выполнения и синхронизацию процессов между собой. Для каждого процесса ОС предоставляет собственное адресное пространство. Это адресное пространство начинается от нуля и продолжается непрерывно до предела соответствующего ЭВМ и ОС. С целью обеспечения переносимости адресное пространство всегда начинается с нуля. Ни один процесс кроме ОС не знает в какой именно части физической памяти и каким образом располагается его адресное пространство. Это прерогатива ОС, которая должна наиболее эффективным образом выполнять выполняющиеся процессы.

Операционная система контролирует следующую деятельность, связанную с процессами:

1. создание и удаление процессов
2. планирование процессов
3. синхронизация процессов
4. коммуникация процессов
5. разрешение тупиковых ситуаций

Каждому процессу ОС системой выделяются ресурсы: дисковое пространство, устройство ввода вывода, канал передачи информации и прочее. Каждый процесс имеет возможность создавать другие процессы и контролировать их выполнения. Каждому процессу в ОС отводятся определенные права. Эти права максимальны для самой ОС, имеют промежуточные значения для подсистем ОС (драйвера) и минимальные права соответствуют выполняющимся пользовательским программам. ОС для каждого из процесса хранит всю информацию об этих процессах в специальных таблицах. В этих таблицах обязательно описываются права процесса, полное состояние регистров процессора для данного процесса, объем ОП отводимый процессу и отображение этой памяти на реальную физическую память, а так же список всех ресурсов, отводимых данному процессу. При переключении с одного процесса на другой ОС пользуется этими учетными записями.

Создание процесса

Простейшей ОС не требуется создание новых процессов, так как внутри них работает всего одна программа, запускаемая во время включения устройства. В более сложных системах надо создавать новые процессы. Обычно они создаются:

• При запуске ОС;
• При появлении запроса на создание процесса.

Инициализация

При старте процесса производится выделение ему ряда файлов. Как правило эти файлы наследуются от того процесса который стартует в процессе. Вновь созданный процесс в свою очередь может создавать, модифицировать и закрывать принадлежащие ему файлы.

В UNIX системах устанавливаются строгая иерархия процессов по принципу родитель потомок. Родитель имеет право контролировать работу потомка, приостанавливать или завершать его выполнение. Потомок не имеет никаких прав по отношению к родителям, «братьям», «дядям».

В Windows системах нет жесткой иерархии. Все процессы - равноправны. Ни один процесс (кроме ядра ОС) не имеет право контролировать работу другого процесса. Так же, в силу реализации Windows, один и тот же процесс может оказываться на различных уровнях прав.

В процессе выполнения процесса могут возникать сигналы тревоги. Они связаны с различными внештатными ситуациями: с попыткой деления на ноль, выходом за пределы доступного адресного пространства, неисправностью использованных устройств. При возникновении такого сигнала, управление передается ОС, которая должна предпринять необходимые корректирующие действия. В развитых ОС возможна регистрация процессом собственного обработчика сигнала тревоги. Обычно этот обработчик пишется в виде подпрограммы в программе соответствующей процессу. В этом случи при возникновении сигнала тревоги управление передается этому обработчику.

Порождение нового процесса

Порождение нового процесса это длительная процедура, так как ОС должна выполнить множество действий:

1. Выделить процессу необходимые ресурсы (адресное пространство, файлы, устройство и т.д.);
2. Произвести инициализацию этих ресурсов (загрузить выполняемую программу в ОП, инициализировать первое начальное значение регистров и стеков, открыть файлы и т.д.);
3. Занести всю необходимую информацию в специальную таблицу, описывающую процессу в системе;
4. Передать управление новому процессу.

Переключение между отдельными выполняющимися процессами так же длительная процедура. В этом случи ОС должна произвести дополнительные (обычно в таблице соответствующей выполняемому процессу) от регистров соответствующих выполняемому процессу, карту отображения в памяти процесса на реальную физическую память, сохранить состояние всех файлов и устройств используемых процессом. После этого ОС должна выбрать полное описание процесса на который она переключается из таблицы (инициализировать регистры, карту отображения памяти процесса на физическую память, состояние файлов и устройств). Переключение между процессами осуществляется в том числе по прерыванию таймера. Обычно системному программисту предоставляется возможность задания максимального времени выполнения одного процесса, после которого произойдет прерывание по таймеру и переключение на другой процесс. При задании маленького значения этого времени у системы будет мало времени на отклик на возникающие события, однако при этом значительная часть процессорного времени будет тратиться на переключение между процессами. При задании большого времени таймера накладные расходы, связанные с переключениями между процессами будут уменьшаться, однако будет ухудшаться отклик системы на возникающие события. При завершении процесса происходит закрытие всех файлов, освобождение всех ресурсов, занятых всех ресурсов и вычеркивании его из таблицы процессов.

Планирование процессов

Планирование необходимо для организации более производительной работы многозадачной, многопользовательской ОС. В однозадачный однопользовательских ОС, система не ведет никакого планирования запуска на выполнения отдельных процессов. Все задачи планирования выполняет пользователь, работающий за однозадачной однопользовательской ОС. Однако для многозадачных многопользовательских ОС (UNIX) есть необходимость в таком планировании, так как в очереди на выполнение обычно стоит большое количество различных процессов. Планирование проявляется так же в выделении различных приоритетов, объема ОП, количество выделяемых ресурсов и процессорного времени, предоставляемого отдельным процессам.

Для всех ОС соблюдается следующие принципы планирования:

1. Предоставление каждому процессу справедливого (одинакового) количество процессорного времени.
2. Производится принудительное выполнение политики приоритетов выполняющихся процессов.
3. Планирование производится таким образом чтобы поддерживался максимальный баланс занятости системы. Например: в очереди на выполнение имеются 4 процесса, 2 из которых требуют значительного количество работы устройств ввода вывода и малого количество процессорного времени, а 2 других процесса требуют большого количество процессорного времени и малого времени работы устройств ввода вывода. Все процессы будут выполнятся значительно скорее если они будут запускаться попарно: процесс требующий большого количество работы устройств ввода вывода и малого количество времени процессора, а так же процесс требующий большого количество процессорного времени и малого времени работы устройств ввода вывода.

Для ОС пакетной обработки данных кроме того используются следующие критерии планирования:

1. Максимальная пропускная способность ЭВМ в целом.
2. Максимальное использование процессора.
3. Минимальное время выполнения одного задания (процесса).

Для интерактивных ОС при планировании ведется учет того, что ОС должна обладать минимальным временем отклика на запрос пользователя. Кроме того в этом случи ОС должна уметь настраиваться под пожелания отдельных пользователей.

Для ОС реального времени при планировании должно обеспечиваться окончание работы процесса к заданному времени для предотвращения потери данных, исключения возможных взаимоблокировок процессов, предсказуемости поведения ОС.

Состояния процесса

Процесс, помимо главного рабочего состояния, может находиться в других состояниях.

Linux Процесс в ОС Linux может находиться в одном из следующих состояний:

R (running) — процесс исполняется или ожидает своей очереди;

D — непрерываемый сон (ожидает события);

S — прерываемый сон (ожидает определённого события или сигнала);

T — остановка — процесс приостановлен чем-либо;

Z (zombie) — процесс уже завершился, но ещё не передал родительскому процессу свой код возврата.

Взаимоблокировка процессов

Блокировкой процессов называют состояние системы, при котором 2 или более процессов не могут продолжать свое выполнение из-за отсутствия необходимых для этого ресурсов.

Взаимоблокировка возникает в многозадачных многопользовательских ОС. Чем большее количество различных задач выполняется на машине, и чем меньше ее ресурсы, тем больше вероятность возникновение взаимоблокировок. При этом ситуация напоминает подающий с горы снежный ком. Количество блокированных процессов быстро возрастает до тех пор, пока в системе не останется не одного работающего процесса. ОС практически полностью прекращает полезное функционирование а ЭВМ простаивает. Блокировки процессов возникают либо сами собой, либо инициализируются внешними атаками. Например: атаки вирусов (хакеров) на определенный сайт приводят к возникновению блокировки на обслуживающим этот сайт ЭВМ. Это вызвано перегрузкой работы соответствующей ЭВМ, когда в условии ограниченности ресурсов (хотя эти ресурсы у майнфреймов могут быть очень большими: несколько сотен дисков, десятки терабайт ОП и т.д. ) ЭВМ должна одновременно обработать очень большое количество запросов.

В итоге ЭВМ нужно будет заново перезагружать. Для майнфрейма каждая перезагрузка аналогична потере нескольких миллионов долларов, такова цена за невыполненные вовремя различные запросы. Имеются различные способы выхода из блокировок:

1. Снятие оператором выполняющихся процессов до тех пор, пока не исчезнет взаимоблокировка. Этот путь эффективен лишь в том случае, когда количество выполняющихся процессов не очень велико (не превышает 100). При большом количестве выполняющихся процессов этот путь чаще всего не помогает преодолеть блокировку.
2. Перезагрузка системы этот путь преодоления блокировок наиболее радикальный, но и наиболее дорогой.
3. Рестарт системы с так называемой контрольной точки.

Контрольная точка - это полное состояние ЭВМ запомненное на внешнем носители. Для больших ЭВМ организация контрольной точки требует больших ресурсов и времени, поскольку на внешний носитель нужно будет запомнить полное состояние всех регистров ЭВМ, всей ее ОП (несколько десятков терабайт на майнфреймах), а так же полное состояние регистров и ОП каждого из устройств ЭВМ (несколько десятков тысяч устройств на майнфреймах). Несмотря на то что организация контрольной точки требует большого количества времени и ресурсов, ее регулярно проводят с различной периодичностью (раз в час) для того чтобы уменьшить неизбежные финансовые потери от рестарта ЭВМ.

Имеются два противоположных способа борьбы с взаимоблокировками:

1. Полное игнорирование угроз возникновения взаимоблокировок.
2. Построение такой ОС, которая просчитывает на несколько шагов вперед ситуацию, которая может возникнуть в ЭВМ после запуска определенного процесса. Такое построение ОС ведет к существенному усложнению ее структуры, однако не решает проблемы на 100%, так как любая сложная программа имеет большое количество не выявленных ошибок.

На построение ОС безопасных по отношению к взаимоблокировкам идут лишь в некоторых случаях, в которых возникновение блокировок может привести к катастрофическим последствиям. Например: на ЭВМ управляющих системами стратегических ракет и противоракетной обороны.

Игнорирование угрозы взаимоблокировок приводит к тому, что ОС плохо контролирует последовательность выделения ресурсов отдельным процессам, поэтому с течением времени неизбежно возникновение блокировки. Почти все ОС построены по такому принципу. На майнфреймах, при проектировании, такая структура ОС была принята , что при среднем количестве запросов на ЭВМ и большом объеме ее ресурсов возникновение блокировок было маловероятным. Затраты на написание сложной безопасной ОС представлялись проектировщиками гораздо больше чем экономические потери возникающие из-за редких возникновении взаимоблокировок. Однако с появлением вирусов и хакерских атак вероятность перегрузки ЭВМ и возникновение блокировок очень сильно возросла.

1 .3 Управление процессами

Управление процессами

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 схема 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.

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.

1 .4 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.

1 .5 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.

1 .6 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.

1 .7 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:

1. Специальные инструкции

Особые, неуниверсальные инструкции процессора, внедренные специально для контроля устройств ввода-вывода. Они позволяют отправлять данные на устройство и считывать их оттуда.

2. 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.

3. 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.

1 .8 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.

1 .9 Потоки

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.

Задачи потоков:

• 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.

1 .10 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.

1 .11 Требование мультипроцессорного программирования

Результат выполнения процессов не должен зависеть от порядка переключения выполнения между процессами, т.е. от соотношения скорости выполнения данного процесса со скоростями выполнения других процессов:

//process 1
input(in);
ountput(in);
//process 2
input(in);
ountput(in);

2 .1 Unix-подобные

• BSD (Berkeley Software Distribution, реализация Unix для DEC VAX) и её вариации: 386BSD, DesktopBSD, DragonFly BSD, FreeBSD, MidnightBSD, NetBSD, OpenBSD, PC-BSD, TrianceOS, TrueBSD,
• GNU/Hurd (ОС, реализованная как набор серверов, работающих на микроядре Mach): Hurd/L4 (ОС, реализованная как набор серверов, работающих на микроядре L4)
• Linux: Linux (наиболее популярное свободное Unix-подобное ядро), Cosmoe (основана на ядре Linux и использует много кода AtheOS, подобна BeOS), Объединённое ядро Linux, Ubuntu, Debian.
• OpenSolaris (проект по открытию кодов Solaris): AuroraUX, BeleniX, Jaris, MilaX, marTux, Nexenta OS, NexentaStor, OpenIndiana, OpenSolaris for System z, OSUNIX, Polaris, SchilliX, StormOS.
• Plan 9 (распределённая ОС, разработана Bell Labs): Plan B (распределённая ОС, произошедшая от Plan 9), Off++ (распределённая ОС, произошедшая от Plan 9), Inferno (ОС на основе виртуальной машины, произошла от Plan 9)
• SSS-PC (разработана в Токийском Университете)
• Minix (учебная ОС от Эндрю Таненбаума)

Существует множество принципов программирования, выработанных для Unix-систем. Вот некоторые из них:

• Децентрализация разработки (сотни фирм-разработчиков и миллионы разработчиков некоммерческих версий), наличие развитой системы стандартизации
• Открытость архитектур, методов и средств (идеология свободно распространяемого ПО GNU, открытость ядра Linux)
• Стабильность основных идей и разработка на их основе новых методов и средств (идеи процесса, файла, пользователя, ресурса)
• Универсальная направленность инструментальных средств (ориентация на различные категории пользователей)
• Эволюционность развития архитектур UNIX-подобных ОС и переносимость приложений
• Цивилизованные способы распространения ПО

2 .2 Не-Unix-подобные

• ReactOS  — это современная, свободная и открытая операционная система, основанная на лучших принципах архитектуры Windows NT (такие продукты компании Microsoft, как Windows XP, Windows 7, Windows Server 2012 построены на архитектуре Windows NT). Система была разработана с нуля, и таким образом не основана на Linux и не имеет ничего общего с архитектурой UNIX.
• FreeDOS
• Haiku

2 .3 Другие Unix-подобные и POSIX-совместимые

• TAILS
• Whonix
• Aegis/OS (Apollo Computer)
• CLIX от Intergraph
• Cromix (Unix-emulating OS from Cromemco)
• Coherent (Эмулирующая Unix ОС от Mark Williams Co. для персональных компьютеров)
• DNIX
• DYNIX — Unix-подобная ОС, разработана компанией Sequent Computer Systems, которая позже была поглощена IBM
• Idris
• IRIX от SGI
• NeXTStep — своё развитие получила в ОС Mac OS X после объединения компаний NeXT и Apple
• OPENSTEP
• OS-9 — Unix-подобная RTOS, эмулирующая Unix от Microware для процессора Motorola 6809
  • OS-9/68k (Эмулирующая Unix от Microware для процессора Motorola 680x0; создана из OS-9)
  • OS-9000 (портативная эмуляция Unix от Microware; одна из реализаций предназначена для Intel x86)
• QNX (POSIX, микроядерная операционная система; используется, в основном, во встроенных системах реального времени)
• Rhapsody
• RiscOS
• SCO UNIX (от Santa Cruz Operation, куплена компанией Caldera, позже переименованной в SCO)
• System V (реализация AT&T Unix, 'SVr4' 4й релиз). Фактически последний «чистый» UNIX. Всё остальное обычно называют UNIX-подобным.
• UNIflex (Эмулирующая Unix ОС от TSC для DMA-совместимых, Motorola 6809 с расширенной адресацией; например, SWTPC, GIMIX, …)
• Ultrix (первая версия Unix для VAX и PDP-11 от DEC, основана на BSD)
• Unicos (Unix для суперкомпьютеров Cray Research Inc.)
• Venix

2 .4 Microsoft

• MSX-DOS
• MS-DOS
• Xenix — лицензированная версия Unix; продана SCO в 1990-х
• Microsoft Windows
  • Windows 1.0
  • Windows 3.0 — первая версия, имевшая коммерческий успех
  • Windows 3.1 — выпущена 18 марта 1992 года
  • Windows for Workgroups 3.11
• Windows 9x — версии Windows 4.x, новое семейство, сохранявшее преемственность с Windows 3.x
  • Windows 95 (версия Windows 4.00.950)
  • Windows 98 (версия Windows 4.10.1998)
  • Windows Me (версия Windows 4.90.3000)
• Windows NT — ОС, разрабатываемая в Microsoft с 1988 года командой во главе с Дэвидом Катлером под рабочим названием OS/2 Version 3.
  • Windows NT 3.1 — первая версия Windows NT, выпущена 27 июля 1993
  • Windows NT 3.5 (варианты поставки: Workstation — для рабочих станций и Server — для серверов)
    • Windows NT 3.51 — отлаженная версия Windows NT 3.5
  • Windows NT 4.0 (варианты поставки: Workstation — для рабочих станций и Server — для серверов)
  • Windows 2000 (версия Windows NT 5.0, варианты поставки: Professional — для рабочих станций, Server, Advanced Server и Datacenter Server — для серверов)
  • Windows XP (версия Windows NT 5.1 — внутренне основана на ядре Windows 2000); варианты поставки: Home, Professional, Tablet PC Edition, Media Center Edition, Embedded
    • Windows Server 2003 (версия Windows NT 5.2) — вариант Windows XP для работы на серверах
    • Windows Compute Cluster Server 2003 — вариант Windows XP для работы в кластерных системах
    • Windows XP Embedded — вариант Windows XP для встраиваемых систем
  • Windows Vista (версия Windows NT 6.0)
    • Windows Server 2008 (версия Windows NT 6.0) — вариант Windows Vista для работы на серверах
    • Windows HPC Server 2008 — замена Windows Compute Cluster Server 2003 для кластерных систем
    • Windows Home Server
    • Windows Vista for Embedded Systems — вариант Windows Vista для встраиваемых систем
  • Windows 7 (версия Windows NT 6.1)
    • Windows Server 2008 R2 (версия Windows NT 6.1) — вариант Windows 7 для работы на серверах
  • Windows 8 (версия Windows NT 6.2) — имеются версии на планшетные компьютеры и на персональные компьютеры.
  • Windows Server 2012 — серверная ОС от Microsoft. Поддержка драйверов Windows 8. Полная совместимость с Windows Server 2008, Windows Server 2008 R2.
  • Windows 8.1 (версия Windows NT 6.3) — ОС от Microsoft. Отличается обновлённым ядром, повышенным быстродействием, стабильностью и безопасностью.
  • Windows 10 (версия Windows NT 10.0) — ОС от Microsoft. Особенностью является то, что эта операционная система едина для компьютеров, планшетов и смартфонов.
• Windows CE (compact edition — компактная редакция) — операционная система реального времени для встраиваемых систем, мобильных телефонов, наладонных компьютеров и даже роботов.
  • Windows Mobile, Pocket PC — версии Windows CE для мобильных телефонов и планшетных компьютеров.
  • Windows Embedded — версии Windows CE для встраиваемых систем, включая роботов.

2 .5 Apple

• A/UX
• Apple Darwin
• Apple DOS
• GS/OS
• Mac OS
• Mac OS 8
• Mac OS 9
• Mac OS X
  • 10.0 Cheetah
  • 10.1 Puma
  • 10.2 Jaguar
  • 10.3 Panther
  • 10.4 Tiger
  • 10.5 Leopard
  • 10.6 Snow Leopard
• OS X
  • 10.7 Lion
  • 10.8 Mountain Lion
  • 10.9 Mavericks
  • 10.10 Yosemite
  • 10.11 El Capitan
• macOS
  • 10.12 Sierra
  • 10.13 High Sierra
  • 10.14 Mojave
  • 10.15 Catalina
• iOS
• ProDOS
• SOS

2 .6 Linux

Линукс (от англ. «Linux») — это операционная система на основе Unix-подобных систем, включающая утилиты GNU. Распространяется бесплатно.

Помимо самой ОС Линукс, все пакеты (программы) бесплатны.

ОС Линукс никому не принадлежит. Точнее можно сказать, что она принадлежит сообществу программистов. На бесплатной основе каждый желающий может вносить свои изменения, которые в дальнейшем принимаются сообществом.

Собственно говоря усилиями десятков тысяч программистов и был создан Линукс. Изначально первыми пользователями были опытные пользователи ПК. Сейчас все больше становится и обычных пользователей Линукса.

Отличительно и то, что Линукс работает на всех архитектурах: DEC Alpha, x86, x86-64, ARM и PowerPC.

Примечание 1 Линукс является ядром операционной системой, поэтому на профессиональном уровне можно сказать, что Линукс это не ОС, а лишь ядро, но для обычного обывателя для начала работы это мало имеет значение. Ядро Линукс похоже на движок.

Примечание 2 Зачастую в различных источниках можно увидеть название «GNU/Linux» (по сути это то же самое, что и Linux). Однако в среде профессионалов даже разгораются жаркие дискуссии по этому поводу.

Примечание 3 Тех, кто пользуюется ОС Линукс зачастую называют «линуксойдам».

Говоря про Linux нельзя не упомянуть про проект GNU — это концепция свободного бесплатного программного обеспечения. Основатель Ричард Столлман.
 

#Для Ubuntu, Linux Mint и Debian

apt-get "имя пакета"

#Для Fedora и CentOS 

yum install "имя пакета"

#Для Arch и Manjaro 

Pacman "имя пакета"

2 .7 Сравнение ядер операционных систем Linux, Mac и Windows

Существует единая система, на которой базируются ядра таких операционных системы, как Linux, Mac и Windows, и др. — это Unix.

С целью выбора наиболее оптимальной системы для разработки произведем аналитический обзор данных операционных систем. В таблице 1 отображены результаты сравнения операционных систем Linux, Mac и Windows.

Таблица 1 – Сравнение операционных систем Linux, Mac и Windows.

Говорить о функциональных возможностях операционной системы Windows 10 можно бесконечно долго, потому как они практически безграничны. Компания Microsoft не поскупилась и добавила в ОС сотни различных функций и возможностей, только вот работают многие из них без согласия пользователя, и еще многие нам, как пользователям, никогда не пригодятся. В данной ОС полно серьезных минусов, но главным, что делает эту операционную систему худшей среди других, является в политика обновления.

Windows 10 делает все без согласия пользователя. Причем, некоторые возможности можно отключить при использовании стороннего ПО, да и то мы никогда не можем быть уверены в том, что они действительно отключены.

В добавок к этому, Microsoft продает лицензию для Windows 10 Pro более чем за 14 000 рублей, но сейчас ее временно можно приобрести более чем в 40 раз дешевле - всего за 300 рублей. Ноутбуки под управлением Windows 10 стоят дороже на 600 рублей. Конечно, мы можем скачать пиратское программное обеспечение и установить Windows бесплатно, однако при этом остается лишь надеяться на то, что вместе с операционной системой не установятся вирусы.

По всем критериям сравнения Linux превосходит другие системы, что обосновывает наш выбор данной операционной системы. Документация по наиболее актуальной версии ядра Linux расположена в Интернете по адресу:

– http://www.kernel.org/doc/Documentation

2 .8 Android

Операционная система Андроид — это программное ядро более 60% смартфонов и других устройств, выпущенных по всему миру. Благодаря ей стало возможным производство «портативного компьютера», дающего своему владельцу доступ к любым медиафайлам и сети интернет. Рассмотрим особенности и историю разработки ОС.

Работа системы основана на ядре Linux, ОС, которая доступна для установки на ПК. Google позаботился о том, чтобы для её разработки использовалась виртуальная машина Java, применяющаяся так же для создания разнообразных приложений. Впоследствии за стабильное развитие операционной системы отвечает альянс Open Handset Alliance (OHA), состоящий из 84 компаний со всего мира. Скачивать и устанавливать приложения для Android можно прямиком из универсального интернет-магазина — Google Play. Именно в нём представлены всё функциональное ПО, которое может корректно работать на созданном движке. На данный момент существует масса альтернативных ОС, которые разрабатываются энтузиастами по всему миру. Можно отметить одну из них — MIUI, разработанную китайской компанией Xiaomi Inc.

Ниже представлены все компоненты системы.

3 .1 Эмуляторы терминалов

Эмулятор терминала - это программа для взаимодействия с командной оболочкой. Практически любая операционная система поставляется с эмулятором. На стационарных компьютерах эмулятор терминала запускается с помщью комбинаций клавиш:

cntrl + alt + T

либо

Win + T

Т.к. эмулятор терминала - это стандартная программа, то она также может  быть запущена с помощью ярлыка либо через список программ.

pwd

cd

ls

ls

file

less

cp

mv

mkdir

rm

ln

cat

sort

uniq

wc

grep

head

tail

tee

type

which

man

apropos

info

whatis

alias