Управление локальными ресурсами.

Важнейшей функцией операционной системы является организация рационального использования всех аппаратных и программных ресурсов системы.

К основным ресурсам могут быть отнесены: процессоры, память, внешние устройства, данные и программы. Располагающая одними и теми же ресурсами, но управляемая различными ОС, вычислительная система может работать с разной степенью эффективности. Поэтому знание внутренних механизмов операционной системы позволяет косвенно судить о ее эксплуатационных возможностях и характеристиках.

1 Управление процессами

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами.

Процесс (или по-другому, задача) – абстракция, описывающая выполняющуюся программу. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.

2 Состояние процессов

В многозадачной (многопроцессной) системе процесс может находиться в одном из трех основных состояний:
ВЫПОЛНЕНИЕ – активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

ОЖИДАНИЕ – пассивное состояние процесса, процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса;

ГОТОВНОСТЬ – также пассивное состояние процесса, но в этом случае процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе.

В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ – несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно “вытеснен” из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени.

В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.

3 Контекст и дескриптор процесса

На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды.

Состояние операционной среды отображается состоянием регистров и программного счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т.д.

Эта информация называется контекстом процесса. Кроме этого, операционной системе для реализации планирования процессов требуется дополнительная информация: идентификатор процесса, состояние процесса, данные о степени привилегированности процесса, место нахождения кодового сегмента и другая информация. В некоторых ОС (например, в ОС UNIX) информацию такого рода, используемую ОС для планирования процессов, называют дескриптором процесса.

Дескриптор процесса по сравнению с контекстом содержит более оперативную информацию, которая должна быть легко доступна подсистеме планирования процессов.

Контекст процесса содержит менее актуальную информацию и используется операционной системой только после того, как принято решение о возобновлении прерванного процесса. Очереди процессов представляют собой дескрипторы отдельных процессов, объединенные в списки.

Таким образом, каждый дескриптор, кроме всего прочего, содержит по крайней мере один указатель на другой дескриптор, соседствующий с ним в очереди. Такая организация очередей позволяет легко их переупорядочивать, включать и исключать процессы, переводить процессы из одного состояния в другое.

Программный код только тогда начнет выполняться, когда для него операционной системой будет создан процесс.

Создать процесс – это значит: создать информационные структуры, описывающие данный процесс, то есть его дескриптор и контекст; включить дескриптор нового процесса в очередь готовых процессов; загрузить кодовый сегмент процесса в оперативную память или в область свопинга.

4 Алгоритмы планирования процессов

Планирование процессов включает в себя решение следующих задач:

• определение момента времени для смены выполняемого процесса;
• выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов;
• переключение контекстов “старого” и “нового” процессов.

Первые две задачи решаются программными средствами, а последняя в значительной степени аппаратно. Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, по разному решающих вышеперечисленные задачи, преследующих различные цели и обеспечивающих различное качество мультипрограммирования.

Среди этого множества алгоритмов рассмотрим подробнее две группы наиболее часто встречающихся алгоритмов: алгоритмы, основанные на квантовании, и алгоритмы, основанные на приоритетах. В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если: процесс завершился и покинул систему, произошла ошибка, процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ, исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу. Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние ГОТОВНОСТЬ и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый процесс из очереди готовых. Таким образом, ни один процесс не занимает процессор надолго, поэтому квантование широко используется в системах разделения времени.

Кванты, выделяемые процессам, могут быть одинаковыми для всех процессов или различными. Кванты, выделяемые одному процессу, могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни процесса.

Процессы, которые не полностью использовали выделенный им квант (например, из-за ухода на выполнение операций ввода-вывода), могут получить или не получить компенсацию в виде привилегий при последующем обслуживании. По разному может быть организована очередь готовых процессов: циклически, по правилу “первый пришел – первый обслужился” (FIFO) или по правилу “последний пришел – первый обслужился” (LIFO).

Другая группа алгоритмов использует понятие “приоритет” процесса.

Приоритет – это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.

Приоритет может выражаться целыми или дробными, положительным или отрицательным значением.Чем выше привилегии процесса, тем меньше времени он будет проводить в очередях.

Приоритет может назначаться директивно администратором системы в зависимости от важности работы или внесенной платы, либо вычисляться самой ОС по определенным правилам, он может оставаться фиксированным на протяжении всей жизни процесса либо изменяться во времени в соответствии с некоторым законом. В последнем случае приоритеты называются динамическими. Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты.

В обоих случаях выбор процесса на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается процесс, имеющий наивысший приоритет. По разному решается проблема определения момента смены активного процесса. В системах с относительными приоритетами активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЕ (или же произойдет ошибка, или процесс завершится). В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного процесса прерывается еще при одном условии: если в очереди готовых процессов появился процесс, приоритет которого выше приоритета активного процесса. В этом случае прерванный процесс переходит в состояние готовности.

Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как квантования, так и приоритетов. Например, в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора процесса из очереди готовых определяется приоритетами процессов.

5 Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования

Существует два основных типа процедур планирования процессов – вытесняющие (preemptive) и невытесняющие (non-preemptive).

Non-preemptive multitasking – невытесняющая многозадачность – это способ планирования процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление планировщику операционной системы для того, чтобы тот выбрал из очереди другой, готовый к выполнению процесс.

Preemptive multitasking – вытесняющая многозадачность – это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается планировщиком операционной системы, а не самой активной задачей.

Понятия preemptive и non-preemptive иногда отождествляются с понятиями приоритетных и бесприоритетных дисциплин, что совершенно неверно, а также с понятиями абсолютных и относительных приоритетов, что неверно отчасти.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность – это более широкие понятия, чем типы приоритетности. Приоритеты задач могут как использоваться, так и не использоваться и при вытесняющих, и при невытесняющих способах планирования. Так в случае использования приоритетов дисциплина относительных приоритетов может быть отнесена к классу систем с невытесняющей многозадачностью, а дисциплина абсолютных приоритетов – к классу систем с вытесняющей многозадачностью. А бесприоритетная дисциплина планирования, основанная на выделении равных квантов времени для всех задач, относится к вытесняющим алгоритмам.

Основным различием между preemptive и non-preemptive вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования задач. При вытесняющей многозадачности механизм планирования задач целиком сосредоточен в операционной системе, и программист пишет свое приложение, не заботясь о том, что оно будет выполняться параллельно с другими задачами. При этом операционная система выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения активной задачи, запоминает ее контекст, выбирает из очереди готовых задач следующую и запускает ее на выполнение, загружая ее контекст.

При невытесняющей многозадачности механизм планирования распределен между системой и прикладными программами. Прикладная программа, получив управление от операционной системы, сама определяет момент завершения своей очередной итерации и передает управление ОС с помощью какого-либо системного вызова, а ОС формирует очереди задач и выбирает в соответствии с некоторым алгоритмом (например, с учетом приоритетов) следующую задачу на выполнение. Такой механизм создает проблемы как для пользователей, так и для разработчиков. Для пользователей это означает, что управление системой теряется на произвольный период времени, который определяется приложением (а не пользователем).

Если приложение тратит слишком много времени на выполнение какой-либо работы, например, на форматирование диска, пользователь не может переключиться с этой задачи на другую задачу, например, на текстовый редактор, в то время как форматирование продолжалось бы в фоновом режиме. Эта ситуация нежелательна, так как пользователи обычно не хотят долго ждать, когда машина завершит свою задачу. Поэтому разработчики приложений для non-preemptive операционной среды, возлагая на себя функции планировщика, должны создавать приложения так, чтобы они выполняли свои задачи небольшими частями.

Например, программа форматирования может отформатировать одну дорожку дискеты и вернуть управление системе. После выполнения других задач система возвратит управление программе форматирования, чтобы та отформатировала следующую дорожку. Подобный метод разделения времени между задачами работает, но он существенно затрудняет разработку программ и предъявляет повышенные требования к квалификации программиста. Программист должен обеспечить “дружественное” отношение своей программы к другим выполняемым одновременно с ней программам, достаточно часто отдавая им управление.

Крайним проявлением “недружественности” приложения является его зависание, которое приводит к общему краху системы. В системах с вытесняющей многозадачностью такие ситуации, как правило, исключены, так как центральный планирующий механизм снимет зависшую задачу с выполнения. Однако распределение функций планировщика между системой и приложениями не всегда является недостатком, а при определенных условиях может быть и преимуществом, потому что дает возможность разработчику приложений самому проектировать алгоритм планирования, наиболее подходящий для данного фиксированного набора задач. Так как разработчик сам определяет в программе момент времени отдачи управления, то при этом исключаются нерациональные прерывания программ в “неудобные” для них моменты времени. Кроме того, легко разрешаются проблемы совместного использования данных: задача во время каждой итерации использует их монопольно и уверена, что на протяжении этого периода никто другой не изменит эти данные.

Существенным преимуществом non-preemptive систем является более высокая скорость переключения с задачи на задачу.

Управление реестром

Работа с реестром из командной строки

Работа с реестром возможна не только через утилиту regedit.exe, но и напрямую из командной строки с помощью утилиты REG, она поддерживает все возможности, которые имеет программа regedit.exe.

И более того – она также поддерживает несколько особенных функций. Полезна в том случае когда работа с regedit по каким либо причинам невозможна.

К тому же это позволяет автоматизировать многие рутинные задачи и встраивать команды в скрипты.

В общем виде синтаксис команды REG выглядит следующим образом:

REG <процедура> [список параметров]
Всего существует одиннадцать процедур, которые способна выполнять директива REG: QUERY, ADD, DELETE, COPY, SAVE, LOAD, UNLOAD, RESTORE, COMPARE, EXPORT, IMPORT. Каждая из этих процедур имеет, как правило, собственный набор параметров.

При вызове из командной строки директива REG пересылает в окружение операционной системы так называемый код возврата: сообщение об успешном или неуспешном выполнении операции. Если код возврата равен 0, это означает, что операция была выполнена успешно, если же она завершилась с ошибкой, код возврата будет равен 1.

Более подробные сведения об использовании утилиты REG вы можете получить, набрав в командной строке директиву REG /?, чтобы получить информацию о какой-либо из перечисленных процедур, воспользуйтесь командой REG <процедура> /?.

Для удобства ввода применяются сокращения названий веток реестра. Все сокращения представлены в таблице ниже:

Сокращения названий веток реестра

Вывод содержимого ветвей (QUERY)

Команда REG QUERY отправляет в системный реестр Windows запрос о содержимом ветвей, ключей, подразделов или параметров, и выводит на экран результат обработки этих запросов. В общем виде синтаксис данной команды записывается следующим образом:

REG QUERY [\Компьютер\]Путь [/v Параметр | /ve] [/s]
В составе директивы могут использоваться следующие параметры:

Компьютер – имя компьютера в локальной сети, если директива предназначена для обработки на удаленном компьютере. В случае, если этот параметр опущен, команда выполняется на локальном компьютере.

Путь – полный путь к целевому разделу реестра в виде корень\ключ\подраздел, где корень – сокращенное обозначение ветви реестра (HKLM, HKCU, HKCR, HKU или HKCC), а ключ\подраздел – полный путь к искомому подразделу в иерархии реестра, включая все вложенные подразделы.
/v – запрос о содержимом указанного раздела реестра.
Параметр – вывести имя и значение запрашиваемого параметра в указанном разделе.
/ve – запрос стандартного параметра с пустым именем.
/s – вывести список всех подразделов данного раздела реестра вместе с их содержимым.
В качестве примера получим содержимое ветки в которой хранятся закрытые ключи квалифицированных электронных подписей:

reg query “HKLM\SOFTWARE\Crypto Pro\Settings\Users\S-1-5-21-2889205033-3114528180-1522031737-1000\Keys”
Примечание

Лучше вводить путь в кавычках.
Будет выведен примерно такой результат:

HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Crypto Pro\Settings\Users\S-1-5-21-2889205033-3114528180-1522031737-1000\Keys
def.key REG_BINARY 300E0C0C415A415A415F6E6F70617373
HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Crypto Pro\Settings\Users\S-1-5-21-2889205033-3114528180-1522031737-1000\Keys\2015ZAO_
Как видно из вывода, в реестре компьютера находится всего один контейнер 2015ZAO_.

Экспорт и импорт веток реестра (EXPORT и IMPORT)

Для экспорта используется команда EXPORT. Синтаксис команды:

REG EXPORT <имя_раздела> <имя_файла> [/y]
имя_раздела – полное имя подраздела реестра в одном из выбранных корневых разделов.
имя_файла – имя .reg файла, который получится после экспорта.
Параметр /y в конце команды позволяет выполнение замены существующего файла без запроса подтверждения.
Экспортируем контейнеры закрытых ключей на рабочий стол:

reg export “hklm\SOFTWARE\Crypto Pro\Settings\Users\S-1-5-2-1-2889205033-3114528180-1522031737-1000\Keys” C:\Users\Dmitry\Desktop\keys.reg /y
Операция успешно завершена.
Вся ветка с контейнерами успешно экспортирована на рабочий стол и сохранена в файле keys.reg. Теперь импортируем ее обратно.

Примечание

Команда доступна только для выполнения на локальном компьютере.
Для импорта используется команда IMPORT. Синтаксис команды:

REG IMPORT <имя_файла>
Выполним:

reg import C:\Users\747\Desktop\keys.reg
Операция успешно завершена.

Для экспорта ветки на другом компьютере, необходимо будет изменить в файле keys.reg путь к ветке реестра с учетом разрядности операционной системы и SID текущего пользователя.

Создание резервной копии реестра (SAVE и RESTORE)

Для резервного копирования и восстановления реестра используются следующие команды (типы операций) утилиты REG SAVE и REG RESTORE:

REG SAVE <имя_раздела> <имя_файла> [/y]

REG RESTORE <имя_раздела> <имя_файла>