ΑΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ. Πτυχιακή Εργασία

Transcript

1 ΑΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΕ Πτυχιακή Εργασία Συγκριτική Δοκιμή Λειτουργικού Συστήματος Windows Server 2008 με Server Ανοιχτού Κώδικα (Ubuntu Server) σε επίπεδο εκμετάλλευσης συγκεκριμένων πόρων υλικού & Web υπηρεσιών Τσιόκανος Ανδρέας (ΑΜ:τ-230) Επιβλέπων: Βέντζας Δημήτριος Λάρισα Μάρτιος 2014

2

3 «Εγώ ο Τσιόκανος Ανδρέας, δηλώνω υπεύθυνα ότι η παρούσα Πτυχιακή Εργασία με τίτλο «Συγκριτική Δοκιμή Λειτουργικού Συστήματος Windows Server 2008 με Server Ανοιχτού Κώδικα (Ubuntu Server) σε επίπεδο εκμετάλλευσης συγκεκριμένων πόρων υλικού & Web υπηρεσιών» είναι δική μου και βεβαιώνω ότι: Σε όσες περιπτώσεις έχω συμβουλευτεί δημοσιευμένη εργασία τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Σε όσες περιπτώσεις μεταφέρω λόγια τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Με εξαίρεση τέτοιες περιπτώσεις, το υπόλοιπο κείμενο της πτυχιακής αποτελεί δική μου δουλειά. Αναφέρω ρητά όλες τις πηγές βοήθειας που χρησιμοποίησα. Σε περιπτώσεις που τμήματα της παρούσας πτυχιακής έγιναν από κοινού με τρίτους, α-ναφέρω ρητά ποια είναι η δική μου συνεισφορά και ποια των τρίτων. Γνωρίζω πως η λογοκλοπή αποτελεί σοβαρότατο παράπτωμα και είμαι ενήμερος(-η) για την επέλευση των νομίμων συνεπειών» Τσιόκανος Ανδρέας

4

5

6

7 Περιεχόμενα ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΑΣΙΚΕΣ ΈΝΝΟΙΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΧΡΗΣΤΗ (USER MODE) ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΧΡΗΣΤΗ - ΚΕΛΥΦΟΣ (ΔΙΕΠΑΦΗ Η ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΧΡΗΣΤΗ) ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΥΡΗΝΑ (KERNEL MODE) 15 ΠΥΡΗΝΑΣ 15 Διαχείριση Κ.Μ.Ε 15 Εκμετάλλευση και Διαχείριση Μνήμης Συστήματος 17 Κλήσεις Συστήματος ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΠΥΡΗΝΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 21 H προστασία από λάθη και η ασφάλεια. 21 Συνεργασία διεργασιών 21 Διαχείριση Ι/Ο συσκευών 21 MONOLITHIC (ΜΟΝΟΛΙΘΙΚΟΙ)_ΠΥΡΗΝΕΣ: 22 MICROKERNELS (ΜΙΚΡΟΠΥΡΗΝΕΣ): 22 HYBRID (ΥΒΡΙΔΙΚΟΙ) ΠΥΡΗΝΕΣ: ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ LINUX UBUNTU LTS ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΧΡΗΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΥΡΗΝΑ ΜΕΡΟΣ ΕΙΣΟΔΟΥ / ΕΞΟΔΟΥ (INPUT / ΟUTPUT Ι/Ο) ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΟΥ 29 Τερματικές Συσκευές Ι/Ο 31 Συσκευές Δικτύωσης 31 Συσκευές αποθήκευσης και διαχείρισης αρχείων ΜΕΡΟΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΜΝΗΜΗΣ 32

8 Κλησεις Συστήματος στην διαχείριση μνήμης linux 33 Διαχείριση Φυσικής Μνήμης 33 Μηχανισμός Κατανομής Μνήμης 35 Σελιδοποίηση στο Linux ΤΜΗΜΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ - ΝΗΜΑΤΑ 36 Νήματα 42 Χρονοδρομολόγηση νημάτων ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΡΧΕΙΩΝ LINUX 44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ WINDOWS 2008 SRV ΠΥΡΗΝΑΣ ΝΤ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΧΡΗΣΤΗ WIN NATIVE NT ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΥΡΗΝΑ ΑΦΑΙΡΕΤΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΥΛΙΚΟΥ (HARDWARE ABSTRACTION LAYER) ΕΚΤΕΛΕΣΤΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ NTOS (NTOS EXECUTIVE LAYER) 49 Συνιστώσα Διαχειριστή Αντικειμένων (Object Management Component) 50 Συνιστώσα Διαχειριστή Εισόδου / Εξόδου (Ι/Ο Management Component) 50 Συνιστώσα Διαχείρισης Διεργασιών 51 Συνιστώσα Διαχείρισης Μνήμης 51 Συνιστώσα Διαχείρισης Κρυφής Μνήμης 51 Συνιστώσα Ελέγχου Ασφάλειας 51 Συνιστώσα Διαχειριστή παραμετροποίησης 51 Συνιστώσα LPC (Local Procedure Call) 52 Οδηγοί συσκευών 52 Χειρισμός Αντικειμένων Control Objects 53 Αποστολέας Αντικειμένων - (Dispatcher Objects) 53 4Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΥΛΙΚΟΥ 56 ΕΛΑΧΙΣΤΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 56 Εγκατάσταση 1 η Ελάχιστες Απαιτήσεις 57

9 Εγκατάσταση 2 η Συνιστώμενες Απαιτήσεις WINDOWS 2008 SERVER 58 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ 1 Η ΕΛΑΧΙΣΤΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΥΛΙΚΟΥ 59 Μετρήσεις χωρίς την εγκατάσταση υπηρεσιών 59 Μετρήσεις με εγκατάσταση υπηρεσιών Domain, File και Web Services 60 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ 2 Η ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΥΛΙΚΟΥ LINUX UBUNTU SERVER 70 Μετρήσεις χωρίς την εγκατάσταση υπηρεσιών 70 Μετρήσεις με εγκατάσταση υπηρεσιών Domain, File και Web Services 70 5 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 78 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ -ΠΗΓΕΣ 86 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 87

10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή Βασικές Έννοιες Στην παρούσα πτυχιακή εργασία θα γίνει σύγκριση από πλευράς απόδοσης και κατανάλωσης των πόρων υλικού δύο λειτουργικών συστημάτων εξυπηρετητή (Server O/S) που εκφράζουν δύο διαφορετικές «ιδεολογίες» και κόσμους. Είναι το λειτουργικό Microsoft Windows Server 2008 και το Ubuntu Server LTS. Οι εξυπηρετητές πρέπει να έχουν αρκετές υπηρεσίες και διεργασίες που πρέπει να εκτελούνται και η κατανάλωση των πόρων είναι σημαντικό τόσο για τον καθορισμό του υλικού στο οποίο θα γίνει η εγκατάσταση και επίσης για τον καθορισμό των πόρων που θα δοθεί σε ένα εικονικό μηχάνημα (Virtual Machine) αλλά και για την δυνατότητα και ταχύτητα εξυπηρέτησης των υπηρεσιών των χρηστών ενός δικτύου. Οι διαφορές μεταξύ των δύο συγκεκριμένων λειτουργικών είναι πολύ μεγάλες όσον αφορά τον τρόπο λειτουργίας τους όμως οι βασικές δομές και οντότητες παραμένουν ίδιες σε όλα τα λειτουργικά συστήματα. Το Λειτουργικό Σύστημα είναι το λογισμικό που είναι υπεύθυνο για την σωστή διαχείριση και κατανομή των διαθέσιμων πόρων του υλικού ώστε να επιτυγχάνεται η ορθή και ασφαλή λειτουργία του υπολογιστή. Επίσης αποτελεί την πλατφόρμα ή «μεσολαβητικό» πρόγραμμα χάρις στο οποίο ο χρήστης επικοινωνεί με το σύστημα και χάρις στο οποίο οι εφαρμογές, που χρησιμοποιεί ή θέλει να εγκαταστήσει ο χρήστης, αντιλαμβάνονται το υλικό και εκτελούνται. Χαρακτηριστική είναι η εικόνα 1 στην οποία απεικονίζεται γραφικά η θέση του λειτουργικού συστήματος σε ένα υπολογιστικό σύστημα. Το λειτουργικό σύστημα είναι το λογισμικό που βρίσκεται ανάμεσα από τις Εφαρμογές χρήστη και το Υλικό. Το κεντρικό εξάρτημα ενός υπολογιστικού συστήματος είναι η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) ή επεξεργαστής και μεταφορικά μπορούμε να το χαρακτηρίσουμε ως την καρδιά του συστήματος. Οι περισσότεροι επεξεργαστές λειτουργούν και εναλλάσσονται μεταξύ 2 καταστάσεων και με βάση αυτό το χαρακτηριστικό τα Λ.Σ προσαρμόστηκαν για να συνεργάζονται και να διαχειρίζονται τον επεξεργαστή. Ανάλογα με τον κώδικα που πρέπει να εκτελέσει ο επεξεργαστής γίνεται και

12 η επιλογή της λειτουργίας. Οι εφαρμογές (Applications) του χρήστη εκτελούνται σε User Mode ενώ τα σημαντικά τμήματα κώδικα του Λειτουργικού Συστήματος εκτελούνται σε Kernel Mode (π.χ οδηγοί υλικού). Εικόνα Λειτουργία Χρήστη (User Mode) Σε αυτήν την λειτουργία οι προς εκτέλεση εφαρμογές δεν έχουν άμεση πρόσβαση στο υλικό και στους πόρους του. Ο κώδικας για να εκτελεστεί πρέπει να ζητήσει πόρους υλικού μέσω του πυρήνα. Με αυτόν τον τρόπο προστατεύεται το σύστημα από μία ενδεχόμενη «κατάρρευση» (system crash). Όταν ξεκινάει η εκτέλεση μιας εφαρμογής δημιουργείται από το λειτουργικό μία διεργασία. Η διεργασία είναι το μέρος της εφαρμογής που εκτελείται από το λειτουργικό. Η διαφορά μεταξύ της εφαρμογής (προγράμματος) και της διεργασίας είναι ότι το πρόγραμμα είναι απλώς μία συλλογή κώδικα ενώ η διεργασία (process) είναι το

13 αποτέλεσμα της εκτέλεσής του προγράμματος ή μέρους αυτού. Στην διεργασία παρέχεται ένας Εικονικός Χώρος Διευθύνσεων (Virtual Address Space) και έναν Ιδιωτικό πίνακα διαχείρισης. Ο Εικονικός Χώρος Διευθύνσεων είναι το εικονικό σύνολο των διευθύνσεων μνήμης στον οποίο αποθηκεύονται δεδομένα ή εντολές του συστήματος για πρόσβαση οποιαδήποτε μεταγενέστερη στιγμή κριθεί απαραίτητο. Είναι ιδιωτικός και καμία άλλη εφαρμογή δεν μπορεί να έχει πρόσβαση και να αλλάξει δεδομένα. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η απομόνωση της εφαρμογής κατά την εκτέλεση και σε περίπτωση οποιασδήποτε δυσλειτουργίας ή κατάρρευσης οι συνέπειες περιορίζονται στην συγκεκριμένη εφαρμογή. Αποφεύγεται η κατάρρευση των υπολοίπων εφαρμογών και επίσης η γενική κατάρρευση του συστήματος καθώς ο κώδικας που εκτελείται σε User Mode δεν έχει πρόσβαση στην εικονική μνήμη που δεσμεύτηκε για το λειτουργικό σύστημα. Σε User mode εκτελείται, πέραν των εφαρμογών του χρήστη, και το κέλυφος το οποίο σε κάποιες περιπτώσεις αναλόγως του λειτουργικού είναι μέρος του Λειτουργικού Συστήματος. Το Κέλυφος είναι από την πλευρά του χρήστη το μέρος του Λ.Σ ή ξεχωριστή εφαρμογή χάρις στην οποία αλληλεπιδρά με τον υπολογιστικό σύστημα και παρέχει στον χρήστη την δυνατότητα να έχει πρόσβαση στις υπηρεσίες του πυρήνα. Δεν υπάρχει συναίνεση όσον αφορά τον παραπάνω διαχωρισμό καθώς θεωρείται ότι η έννοια του πυρήνα είναι ταυτόσημη με αυτήν του Λειτουργικού Συστήματος και το Κέλυφος δεν θεωρείται μέρος του λειτουργικό συστήματος. Επίσης το Κέλυφος είναι ένα κομμάτι το οποίο στις περισσότερες μπορεί να αντικατασταθεί ή να αλλάξει από τον χρήστη. Δεν μπορεί να παραβλεφθεί, όμως, ότι τα περισσότερα λειτουργικά συστήματα έχουν κέλυφος είτε με την επικρατούσα μορφή της Γραφικής Διασύνδεσης Χρήστη, είτε με την πιο απλή Γραμμή Εντολών Κελύφους. Στην εικόνα 1 επιλέχτηκε να φαίνεται ως μέρος του Λειτουργικού Συστήματος. Όσον αφορά τα Λ.Σ της παρούσας εργασίας το Windows 2008 διαθέτει Γραφικό περιβάλλον Χρήστη (GUI) σε αντίθεση με το Ubuntu που έχει Γραμμή εντολών. Για τον λόγο ότι γραφικό περιβάλλον χρήστη καταναλώνει περισσότερους πόρους υλικού από ότι η απλή Γραμμή Εντολών και προκειμένου να γίνει επί ίσοις όροις η σύγκριση των δύο λύσεων θα εγκατασταθεί GUI και στο Ubuntu.

14 1.1.1 Επίπεδο Διασύνδεσης Χρήστη - Κελύφος (Διεπαφή ή διασύνδεση Χρήστη). Τα λειτουργικά συστήματα έχουν την ευθύνη για την αλληλεπίδραση του χρήστη με το σύστημα. Το επίπεδο διασύνδεσης ή κέλυφος πρέπει να παρέχει στον χρήστη την δυνατότητα να εκμεταλλευτεί τις υπηρεσίες του πυρήνα. Ο χρήστης λαμβάνει τις απαραίτητες πληροφορίες ώστε να ελέγχει και να χειρίζεται το Υ/Σ ενώ από την πλευρά του συστήματος να «μεταγλωττίζει» τις εντολές και ενέργειες του χρήστη και να τις μεταφέρει στον επίπεδο πυρήνα. Όλες οι επιπλέον εφαρμογές που καλούνται και ενεργοποιούνται μέσω του χρήστη από εδώ και με την σειρά τους εκμεταλλεύονται τους πόρους του συστήματος μέσω του πυρήνα. Τα βασικά είδη διασύνδεσης τα οποία και έχουν επικρατήσει στα περισσότερα λειτουργικά υπολογιστή είναι η Γραφική διασύνδεση χρήστη (Graphical User Interface ή GUI) και η Γραμμή Εντολών Κελύφους (Shell Command Line). Γραφική Διασύνδεση Χρήστη (Graphical User Inter face GUI) Η Γραφική Διασύνδεση Χρήστη, η οποία εφεξής θα αναφέρεται ως GUI είναι ένα σύνολο γραφικών στοιχείων τα οποία δημιουργούν ένα γραφικό περιβάλλον οικείο και φιλικό προς τον χρήστη ώστε να επιτευχθεί η όσο το δυνατόν καλύτερη αλληλεπίδραση με το σύστημα. Το κύριο πλεονέκτημα της είναι ή ευκολία και απλότητα που παρέχει στον χρήστη. Γραμμή Εντολών Κελύφους (Shell Command Line) H Γραμμή Εντολών Κελύφους είναι από τις παλαιότερες (1960) διεπαφές χρήστη που συνεχίζουν να συναντώνται σε πολλά λειτουργικά είτε ως βασικός, είτε ως επιπλέον τρόπος αλληλεπίδρασης. Είναι αμεσότερο, αποτελεσματικότερο και καταναλώνει λιγότερους πόρους από το σύστημα. Δεν είναι όμως εύκολο στην χρήση για έναν απλό και μη εξειδικευμένο χρήστη καθώς απαιτεί καλή γνώση των εντολών, των παραμέτρων καθώς και της σύνταξη της γλώσσας που χρησιμοποιείται.

15 1.2 Λειτουργία Πυρήνα (Kernel Mode) Η δεύτερη από τις δύο λειτουργίες του επεξεργαστή είναι ή λειτουργία πυρήνα (Kernel Mode).Το μοναδικό στοιχείο αυτής της λειτουργίας είναι ο πυρήνας που είναι το θεμελιώδες τμήμα του λειτουργικού συστήματος. Ο κώδικας που εκτελείται σε αυτό το τμήμα έχει πλήρη έλεγχο και απεριόριστη πρόσβαση και εκμετάλλευση των πόρων συστήματος. Σε Kernel mode ο κώδικας που εκτελείται από τον επεξεργαστή προέρχεται από «έμπιστη» εφαρμογή μοιράζεται έναν κοινό εικονικό χώρο διευθύνσεων. Αυτό σημαίνει ότι ο κώδικας που εκτελείται δεν είναι απομονωμένος όπως στην περίπτωση του user mode. Σε περίπτωση που μια εφαρμογή γράψει πάνω σε χώρο που υπήρχαν δεδομένα που προορίζονταν για το λειτουργικό σύστημα ή άλλη εφαρμογή είναι πολύ πιθανό να προκληθεί κατάρρευσή της εφαρμογής (ή μέρους της) με συνέπεια την ολική κατάρρευση του συστήματος. Πυρήνας Θεμέλιο τμήμα του Λειτουργικού Συστήματος και μοναδικό σε αυτήν την λειτουργία είναι ο Πυρήνας και όπως προαναφέρθηκε ταυτίζεται πολλές φορές με την έννοια του Λ.Σ. Είναι το τμήμα που είναι υπεύθυνο για την διαχείριση και κατανομή των πόρων υλικού στις εφαρμογές και την επικοινωνία μεταξύ του υλικού και του λογισμικού. Οι πόροι συστήματος που εκμεταλλεύεται και διαχειρίζεται ο πυρήνας προέρχονται από την εκμετάλλευση του επεξεργαστή, την διαθέσιμη μνήμη και τις συσκευές εισόδου/εξόδου. Διαχείριση Κ.Μ.Ε Η Κ.Μ.Ε (Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας) ή επεξεργαστής αποτελεί την πιο κρίσιμη μονάδα του συστήματος για τον λόγο ότι εκτελεί τις εντολές των εφαρμογών. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα όταν ξεκινάει η εκτέλεση μιας εφαρμογής από τον επεξεργαστή το Λ.Σ δημιουργεί μια διεργασία. Η διεργασία χωρίζεται σε μικρότερες ομάδες εντολών οι οποίες ονομάζονται νήματα. Εννοιολογικά ένα νήμα είναι υποσύνολο μιας διεργασίας και μία διεργασία περιέχει πολλά νήματα. Ένας απλός επεξεργαστής μπορεί να εκτελέσει, σε μία συγκεκριμένη χρονική περίοδο, ένα νήμα μιας διεργασίας. Ευθύνη των Λ.Σ είναι η όσο το δυνατόν καλύτερη και αποδοτικότερη εκμετάλλευση του επεξεργαστή με βάση την λογική ότι μπορεί να εκτελεστεί στις περισσότερες των περιπτώσεων 1 νήμα κάθε φορά. Η προσπάθεια για βελτίωση των δυνατοτήτων των

16 επεξεργαστών και των Λ.Σ είναι προκειμένου να επιτευχθεί πολυνημάτωση (multithreading) και πολυδιεργασία (multitasking). Αρχικά η πολυνημάτωση πραγματοποιήθηκε με την μέθοδο της διαίρεσης χρόνου όπου ο επεξεργαστής μεταπηδούσε ανά πολύ μικρά χρονικά διαστήματα από νήμα σε νήμα και διεργασία σε διεργασία δίνοντας την εντύπωση στον χρήστη ότι γίνεται πολλαπλή και ταυτόχρονη εκτέλεση και ότι επιτυγχάνεται η πολυδιεργασία. Στην πραγματικότητα ο πυρήνας του Λ.Σ διαθέτει μηχανισμό ονόματι χρονοπρογραμματιστής ή χρονοδρομολογητής που καθορίζει τα χρονικά διαστήματα εκτέλεσης των νημάτων κάθε διεργασίας και την σειρά των προς εκτέλεση νημάτων και διεργασιών. Αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχουν πολλοί αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού με διαφορετικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα στην εκμετάλλευση των δυνατοτήτων του επεξεργαστή. Τεχνικές του χρονοπρογραμματισμού συνεχίζουν να εφαρμόζονται. Οι κατασκευαστές επεξεργαστών είχαν ως στόχο την ταυτόχρονη πολυνημάτωση σε έναν επεξεργαστή κάτι που επετεύχθη με την εμφάνιση της τεχνολογίας Hyper-threading (υπερνημάτωση) κατά την οποία το Λ.Σ αντιλαμβανόταν τον έναν πυρήνα του επεξεργαστή ως δύο λογικοί/φανταστικοί πυρήνες και εκτελούσε δύο νήματα ταυτόχρονα. Αξιοσημείωτο είναι ότι η τεχνολογία αυτή εγκαταλείφτηκε αμέσως μετά την εμφάνιση της επόμενης γενιάς επεξεργαστών που ενσωμάτωναν πολλαπλούς πυρήνες επεξεργασίας σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα. Ο λόγος ήταν ότι με την εμφάνιση πολυπύρηνων επεξεργαστών έγινε εφικτός ο διαμοιρασμός των νημάτων σε κάθε πυρήνα και με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνονταν η ταυτόχρονη πολυνημάτωση. Η υπερνημάτωση επανήλθε ως λύση στην απαίτηση για αύξηση των επιδόσεων των επεξεργαστών και πλέον μπορούν να εκτελούνται δύο νήματα σε έναν πυρήνα ενός πολυπύρηνου συστήματος. Από πλευράς λειτουργικού συστήματος για να γίνει εφικτή η υπερνημάτωση πρέπει να υποστηρίζει την λειτουργία συμμετρικής πολυεπεξεργασίας (Symmetric Multiprocessing SMP). Σε αυτήν την περίπτωση το Λ.Σ θα χειρίζεται όλους τους λογικούς πυρήνες σαν ισότιμους και ικανούς να εκτελέσουν τις ίδιες διεργασίες. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται να εκτελούνται οι διεργασίες από οποιοδήποτε λογικό επεξεργαστή και επίσης το Λ.Σ μπορεί να μετακινεί τις διεργασίες μεταξύ των επεξεργαστών μοιράζοντας έτσι τον φόρτο εργασίας και αυξάνοντας την αποδοτικότητα του συστήματος. Πρέπει επίσης το Λ.Σ και ειδικότερα ο χρονοδρομολογητής να χειρίζεται διαφορετικά τους λογικούς πυρήνες από τους φυσικούς καθώς υπάρχει το ενδεχόμενο να εκτελεί 2 διεργασίες μόνον ο ένας

17 φυσικός πυρήνας (λογικός και φυσικός πυρήνας) με αποτέλεσμα έναν εξαιρετικά φορτωμένο πυρήνα και έναν ή περισσότερους σε κατάσταση αναμονής και χαμηλότερες επιδόσεις από ότι αν είχε διαμοιραστεί καλύτερα ο φόρτος στους φυσικούς πυρήνες. Είναι σημαντικό ότι εξέλιξη της τεχνολογίας των επεξεργαστών πρέπει να συμβαδίζει με αυτήν των λειτουργικών συστημάτων και αντίστροφα καθώς σε διαφορετική περίπτωση το Λ.Σ όχι μόνο μπορεί να μην εκμεταλλεύεται τις μεγαλύτερες επιδόσεις των Κ.Μ.Ε αλλά και να οδηγήσει και σε χαμηλότερες επιδόσεις. Εκμετάλλευση και Διαχείριση Μνήμης Συστήματος Η διαχείριση της μνήμης του Υπολογιστικού Συστήματος επηρεάζει πολύ τον τρόπο λειτουργίας του, αλλά και την απόδοσή του και κατά την σχεδίαση ενός Λ.Σ. είναι ένα πεδίο σοβαρών σχεδιαστικών αποφάσεων. Ο σκοπός της μνήμης σε ένα υπολογιστικό σύστημα είναι η προσωρινή ή μόνιμη αποθήκευση πληροφοριών. Η μνήμη αποτελείται από διαφορετικά αποθηκευτικά μέσα με διαφορετικά χαρακτηριστικά και δυνατότητες. Τα κύρια χαρακτηριστικά των αποθηκευτικών μέσων είναι η δυνατότητα αποθήκευσης, δηλαδή το μέγεθος της μνήμης, ο χρόνος προσπέλασης, δηλαδή η ταχύτητα του αποθηκευτικού μέσου και το κόστος ανά δυαδικό ψηφίο (bit) ή κόστος ανά byte (8 bits). Υπάρχει αλληλεξάρτηση των χαρακτηριστικών καθώς ο χρόνος προσπέλασης καθορίζει το κόστος ανά byte, καθώς όσο ταχύτερο είναι το αποθηκευτικό μέσο τόσο υψηλότερο και το κόστος του. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι σε πολλές περιπτώσεις είναι διαφορετική και η τεχνολογία λειτουργίας του αποθηκευτικού μέσου, το οποίο με την σειρά του καθορίζει την διαθεσιμότητα και την χρήση του αποθηκευτικού μέσου σε ένα Υ/Σ. Επιπλέον χαρακτηριστικά των αποθηκευτικών μέσων αφορά την δυνατότητα αποθήκευσης των πληροφοριών και μετά την παύση τροφοδοσίας ηλεκτρικής ισχύος και διαχωρίζονται σε πτητικές ή πρόσκαιρες μνήμες (volatile memory) οι οποίες δεν έχουν την δυνατότητα να αποθηκεύουν τα δεδομένα χωρίς ηλεκτρική ισχύ (π.χ RAM), σε αντίθεση με τις μη-πτητικές μνήμες (non-volatile) οι οποίες διατηρούν την πληροφορία (π.χ μαγνητικοί σκληροί δίσκοι). Επίσης ανάλογα με τον τρόπο προσπέλασης οι μνήμες διαχωρίζονται σε τυχαίας προσπέλασης και προκαθορισμένης προσπέλασης. Η διαφορά έγκειται στο ότι στην προκαθορισμένη προσπέλαση για την ανάγνωση ή την εγγραφή πληροφορίας στο αποθηκευτικό μέσο πρέπει να προσπελαστούν οι θέσεις με έναν προκαθορισμένο τρόπο (ως επί το πλείστον σειριακό) μέχρι να βρεθεί η επιθυμητή θέση που βρίσκεται (αν πρόκειται για ανάγνωση) ή πρέπει να αποθηκευτεί (αν πρόκειται για

18 εγγραφή) η πληροφορία (π/χ μαγνητική ταινία). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ο χρόνος προσπέλασης του αποθηκευτικού μέσου να είναι διαφορετικός κάθε φορά καθώς είναι ανάλογος της θέση που βρίσκεται στο μέσο. Στον αντίποδα, οι μνήμες τυχαίας προσπέλασης δεν έχουν συγκεκριμένο τρόπο ανάγνωσης και αποθήκευσης της πληροφορίας και επίσης ο χρόνος προσπέλασης παραμένει ίδιος και σταθερός για οποιαδήποτε θέση μνήμης (π.χ μνήμη RAM). Με βάση τα κύρια χαρακτηριστικά, η μνήμη ενός υπολογιστικού συστήματος μπορεί να διαταχθεί και σε μορφή πυραμίδας όπως φαίνεται και στην εικόνα 2. Στην κορυφή της βρίσκονται οι Καταχωρητές και αμέσως πιο κάτω ή κρυφή μνήμη της Κ.Μ.Ε. Είναι αποθηκευτικά μέσα στο εσωτερικό της Κ.Μ.Ε με μικρές δυνατότητες αποθήκευσης, υψηλό κόστος, αλλά και ελάχιστο χρόνο προσπέλασης. Εικόνα 2 Στην μέση της πυραμίδας βρίσκεται η Κύρια Μνήμη ή Μνήμη Εργασίας που αποτελείται από την Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης (RAM) και την Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης (ROM). H μνήμη RAM είναι πτητική και αποθηκεύονται οι εντολές και τα δεδομένα τα οποία χρησιμοποιεί η Κ.Μ.Ε κατά την εκτέλεση των διεργασιών. Όσον αφορά την μνήμη ROM είναι μόνο ανάγνωσης (εγγραφή γίνεται από τον κατασκευαστή) είναι μη

19 πτητική και σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις και με ειδικές τεχνικές γίνεται αλλαγή στα δεδομένα της. Παλαιότερα χρησιμοποιείτο και για την μόνιμή αποθήκευση του λειτουργικού συστήματος. Πλέον αποθηκεύεται μόνο το BIOS της μητρικής κάρτας. Όλες οι παραπάνω μνήμες είναι ημιαγωγικές καθώς πρόκειται για ολοκληρωμένα κυκλώματα (κυκλώματα συνδεδεμένων λογικών πυλών, δημιουργημένα πάνω σε ένα φύλλο ημιαγωγού συνήθως πυρίτιο). Οι ημιαγωγικές μνήμες έχουν την ιδιότητα του σταθερού και μικρού χρόνου προσπέλασης. Στις χαμηλότερες θέσεις της πυραμίδας βρίσκονται οι δευτερεύουσες μνήμες οι οποίες είναι μη πτητικές και χρησιμοποιούνται για την μόνιμη αποθήκευση των δεδομένων και των εφαρμογών και επίσης εκεί αποθηκεύεται και το Λ.Σ. Οι μαγνητικοί σκληροί δίσκοι έχουν μεγάλες δυνατότητες αποθήκευσης με τεράστιο, σε σχέση με τις ανάγκες της Κ.Μ.Ε, χρόνο προσπέλασης. Για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα ήταν το κύριο, αν όχι μοναδικό, αποθηκευτικό μέσο στο οποίο εγκαθίστατο το λειτουργικό σύστημα. Η τεχνολογία των SSD δίσκων έγινε πιο διαδεδομένη το τελευταίο διάστημα. Χρησιμοποιείται η τεχνολογία των ημιαγωγών και για αυτόν τον λόγο πρόκειται για ένα πολύ ταχύτερα προσπελάσιμο μέσο με το μειονέκτημα ότι προς το παρόν οι δυνατότητες αποθήκευσης είναι μικρότερες και με μεγαλύτερη αναλογία κόστος/bit των μαγνητικών σκληρών δίσκων. Τείνει να αντικαταστήσει τους μαγνητικούς σκληρούς δίσκους τουλάχιστον όσον αφορά το αποθηκευτικό μέσο εγκατάστασης του λειτουργικού συστήματος καθώς λόγω της εικονικής μνήμης που χρησιμοποιείται σε πολλά λειτουργικά συστήματα αυξάνεται κατακόρυφα η συνολική απόδοση του συστήματος. Η Εικονική Μνήμη είναι τεχνική με την οποία τα Λειτουργικά Συστήματα αυξάνουν την συνολική χωρητικότητα της κύριας μνήμης του υπολογιστικού συστήματος. Ο λόγος είναι ότι οι εφαρμογές που εκτελούνται έχουν μεγαλύτερες απαιτήσεις σε κύρια μνήμη από αυτήν που διαθέτει το σύστημα. Έτσι το Λ.Σ δεσμεύει αποθηκευτικό χώρο στη δευτερεύουσα μνήμη και την παρουσιάζει ως εικονική επέκταση της κύριας μνήμης. Στην πραγματικότητα μεταφέρονται από την δευτερεύουσα στην κύρια μνήμη μόνο οι απαραίτητες προς εκτέλεση διεργασίες ενώ οι υπόλοιπες είναι σε κατάσταση αναμονής για να μεταφερθούν. Υπεύθυνο για την για την οργάνωση και τις στρατηγικές της διαχείρισης είναι ο Διαχειριστής μνήμης του Λ.Σ το οποίο συνεργάζεται με τη Μονάδα Διαχείρισης Μνήμης που είναι υλικό και μέρος της Κ.Μ.Ε υπεύθυνο για την διαχείριση της κρυφής μνήμης και των καταχωρητών.

20 Κλήσεις Συστήματος Έχει προαναφερθεί ο διαχωρισμός των λειτουργιών σε Λειτουργία Χρήστη και Λειτουργία Πυρήνα και ότι οι εφαρμογές που εγκαθιστά και εκτελεί ο χρήστης εκτελούνται σε Λειτουργία Χρήστη. Οι προς εκτέλεση εφαρμογές δεν έχουν άμεση πρόσβαση στο υλικό και στους πόρους του. Ο κώδικας για να εκτελεστεί πρέπει να έχει διαθέσιμους πόρους από το υλικό του συστήματος τους οποίους πρέπει να ζητήσει από το Λ.Σ. Όταν μια διεργασία από εφαρμογή του χρήστη ξεκινάει να εκτελεστεί κάνει μια αίτηση (κλήση) στον πυρήνα του Λ.Σ, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την διαχείριση των πόρων και του υλικού γενικότερα, ζητώντας συγκεκριμένους πόρους όπως για παράδειγμα μνήμη ή χρόνο για χρήση και εκτέλεση από την Κ.Μ.Ε. Αυτές οι «αιτήσεις» από πλευράς εφαρμογών ονομάζονται κλήσεις συστήματος και ο πυρήνας είναι υπεύθυνος για την διαχείριση και εκτέλεσή τους. Το λειτουργικό σύστημα παρέχει μία βιβλιοθήκη ή διεπαφή εφαρμογών (application interface API) η οποία βρίσκεται ανάμεσα στην εφαρμογή που εκτελείται σε λειτουργία χρήστη και του Λ.Σ. Συνήθως είναι μέρος της βιβλιοθήκης C (πχ Glibc για Linux ή Windows API για Windows) που παρέχει συναρτήσεις που καλούν τις συναρτήσεις των κλήσεων συστήματος και μεταφέρουν τα προς εκτέλεση δεδομένα στον πυρήνα ώστε να εκτελεστούν σε λειτουργία πυρήνα. Υπάρχουν διαφορετικές κατηγορίες για κλήσεις συστήματος, οι βασικές είναι οι κάτωθι : 1. Διαχείρισης διεργασιών (Process Control) : load, execute, create process, terminate process, get/set process attributes, wait for time, wait event, signal event, allocate, free memory 2. Διαχείρισης Αρχείων (File management) : create file, delete file, open, close,read, write, reposition, get/set file attributes 3. Διαχείρισης Συσκευών (Device Management) : request device, release device, read, write, reposition, get/set device attributes, logically attach or detach devices 4. Συντήρηση Δεδομένων (Information Maintenance) : get/set time or date, get/set system data, get/set process, file, or device attributes 5. Επικοινωνία (Communication) : create, delete communication connection, send, receive messages, transfer status information, attach or detach remote devices Οι κλήσεις συστήματος είναι διαφορετικές ανάλογα με το Λ.Σ και για αυτό πολλές εφαρμογές χρήστη εκτελούνται και μπορούν εγκατασταθούν σε συγκεκριμένο λειτουργικό

21 σύστημα και όχι σε όλα καθώς είναι δημιουργημένες να χρησιμοποιούν συγκεκριμένες κλήσεις συστήματος με χρήση συγκεκριμένης βιβλιοθήκης λειτουργικού. 1.3 Αρχιτεκτονικές Πυρήνα Λειτουργικών Συστημάτων Υπάρχουν πολλά Λ.Σ τα οποία εξυπηρετούν διαφορετικές ανάγκες σε κάθε σύστημα και για αυτόν τον λόγο υπάρχουν και πολλά είδη πυρήνα. Βασικά ζητήματα τα οποία προσπαθούν οι δημιουργοί να λύσουν κατά τον σχεδιασμό του πυρήνα είναι: H προστασία από λάθη και η ασφάλεια. Τα περισσότερα Υ/Σ χρησιμοποιούν την προστασία που παρέχεται από το υλικό που χρησιμοποιείται καθώς για κάθε είδος υλικού καθορίζει τις δυνατότητες του όσον αφορά την πρόσβαση σε δεδομένα και εφαρμογές. Όπως έχει προαναφερθεί η Κ.Μ.Ε ελέγχει τις προς επεξεργασία εφαρμογές αν πληρούν τις προϋποθέσεις εκτέλεσης και αναλόγως επιτρέπει η σταματάει την εκτέλεση. Το ίδιο συμβαίνει και με τους μηχανισμούς διαχείρισης μνήμης. Διαφορετική προσέγγιση επιτυγχάνεται μέσω των γλωσσών προγραμματισμού. Ο πυρήνας να επιτρέπει και εκτελεί εφαρμογές από συγκεκριμένο και έμπιστο μεταγλωτιστή (compiler) γλώσσας προγραμματισμού η οποία είναι δομημένη και σχεδιασμένη ώστε να είναι ανέφικτο για τον προγραμματιστή να δημιουργήσει μία εφαρμογή που θα παραβιάζει οποιαδήποτε προϋπόθεση ασφάλειας. Συνεργασία διεργασιών Σε πολλές περιπτώσεις τα προς εκτέλεση νήματα ή διεργασίες πρέπει να ανταλλάσουν μεταξύ τους δεδομένα τα οποία είναι χρήσιμα προς εκτέλεση. Διαχείριση Ι/Ο συσκευών Όταν μία μονάδα υλικού στέλνει δεδομένα προς μια άλλη τότε εκτελείται μία λειτουργία εισόδου-εξόδου. Από την σκοπιά της συσκευής η οποία δέχεται τα δεδομένα η λειτουργία ονομάζεται λειτουργία εισόδου, ενώ για την άλλη συσκευή αυτήν είναι μία λειτουργία εξόδου και οι συσκευές υλικού οι οποίες έχουν αυτήν την δυνατότητα ονομάζονται συσκευές εισόδου εξόδου. Το λογισμικό το οποίο εκτελείται και λειτουργεί ως διεπάφη μεταξύ της συσκεύης υλικού και του λειτουργικού συστήματος ονομάζεται οδηγός συσκευής. Έχει προαναφερθεί ότι δεν είναι σωστό από άποψη ασφάλειας η απευθείας διαχείριση των συσκευών του Υ/Σ από εφαρμογές. Έτσι λοιπόν ο πυρήνας παρέχει ένα επίπεδο

22 διαχείρισης υλικού ως διεπαφή και στο οποίο εγκαθίσταται η εφαρμογή οδηγός της συσκευής. Στις περισσότερες των περιπτώσεων για να επιτευχθεί ένα αποτέλεσμα πρέπει να συνεργαστούν περισσότερες από μία συσκευές και διεργασίες. Τα παραπάνω ζητήματα έχουν αντιμετωπιστεί με πολλούς και διαφορετικούς όσον αφορά την αρχιτεκτονική πυρήνων. Οι βασικές τους διαφορές έγκειται στην διαφορά μεταξύ λειτουργίας πυρήνα και λειτουργίας χρήστη. Υπάρχουν πολλές κατηγορίες πυρήνων. Τα λειτουργικά Linux έχουν μονολιθικό πυρήνα ενώ των windows έχουν υβριδικό πυρήνας. Monolithic (Μονολιθικοί)_Πυρήνες : Εκτελούν όλες τις εφαρμογές σε λειτουργία πυρήνα και χρησιμοποιούν τον ίδιο χώρο μνήμης. Είναι το είδος πυρήνα των Linux λειτουργικών συστημάτων και επίσης του Ubuntu της δοκιμής. Τα πλεονεκτήματα των μονολιθικών πυρήνων είναι ότι ο κώδικάς του είναι μικρότερος άρα λιγότερα σφάλματα και προβλήματα καθώς και υψηλότερη ταχύτητα. Επίσης έχει την δυνατότητα να φορτώνει δυναμικά μονάδες τις οποίες θεωρεί απαραίτητες και επίσης δίνει την δυνατότητα στους προγραμματιστές να προσαρμόσουν το μέγεθός του αναλόγως με τις μονάδες (modules) που θέλουν να χρησιμοποιούνται και να εκτελούνται. Το κύριο μειονέκτημα είναι ότι όλες οι εφαρμογές τρέχουν σε λειτουργία πυρήνα και σε αυτήν την περίπτωση αν υπάρχει κάποιο σφάλμα στον κώδικα ή προκύψει κάποιο σφάλμα κατά την εκτέλεση είναι πολύ πιθανή ή ολική κατάρρευση. Microkernels (Μικροπυρήνες): Είναι η αντίθετη φιλοσοφία από τον μονολιθικό πυρήνα καθώς οι περισσότερες εφαρμογές ακόμα και πολλές από αυτές που εκτελούνται σε λειτουργία πυρήνα σε μονολιθική αρχιτεκτονική εκτελούνται σε λειτουργία χρήστη. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική βασίζεται στην λογική ότι ο πυρήνας πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος σε κώδικα. Στον πυρήνα μένουν μόνο πολύ βασικές λειτουργίες συνήθως διαχείριση μνήμης και διεργασιών και ευθύνη για επικοινωνία μεταξύ των διεργασιών. Όλες οι υπόλοιπες υπηρεσίες εκτελούνται ως προγράμματα που ονομάζονται servers. Τα πλεονεκτήματα του είναι η ευκολότερη συντήρηση λόγω πολύ μικρού πυρήνα και η δυνατότητα αδιάλειπτης λειτουργίας του συστήματος με πολύ μικρό ποσοστό ολικής κατάρρευσης λόγω εκτέλεσης των server σε λειτουργία χρήστη. Το κύριο μειονέκτημα της αρχιτεκτονικής αυτής είναι ότι η επικοινωνία μεταξύ των διεργασιών είναι τόσο μεγάλη σε

23 όγκο ώστε να δημιουργεί πρόβλημα στην γενικότερη επίδοση του πυρήνα και του συστήματος. Hybrid (Υβριδικοί) Πυρήνες: Οι πυρήνες των Windows βασίζονται σε αυτήν την αρχιτεκτονική. Πρόκειται για πυρήνα που προσπαθεί να συνδυάσει τις ιδιότητες των αρχιτεκτονικών μονολιθικού πυρήνα με του μικροπυρήνα. Υπάρχουν σημαντικά, για το λειτουργικό μέρη κώδικα τα οποία έχουν εισαχθεί στον πυρήνα για να αυξηθεί η απόδοση όπως π.χ του συστήματος αρχείων (file system) ή του κώδικα για την δικτύωση σε σχέση με τον μικροπυρήνα αλλά επίσης κάποια μέρη κώδικα συνεχίζουν να τρέχουν σε λειτουργία χρήστή όπως π.χ οι οδηγοί συσκευών υλικού. Αυτό γίνεται και στην περίπτωση των Windows και του πυρήνα τους NT. 1.4 Εξυπηρετητές και Λειτουργικά Συστήματα Με την έννοια εξυπηρετητής ή διακομιστής (Server) εννοείται η λύση (λογισμικό ή υλικό) η οποία έχει ως κύρια ή αποκλειστική λειτουργία να παρέχει υπηρεσίες προς (εφαρμογές ή υπολογιστές) πελάτες σε ένα δίκτυο. Εξαιτίας του ειδικού σκοπού τους, οι απαιτήσεις σε πόρους και ισχύ είναι μεγαλύτερες και επίσης πρέπει να εξασφαλίζεται η συνεχής και αδιάλειπτη λειτουργία του και κατ επέκταση η συνεχής και απρόσκοπτη παροχή των υπηρεσιών του προς τους πελάτες. Όσον αφορά το υλικό (hardware) του εξυπηρετητή μπορεί να είναι από υλικό ενός κοινού προσωπικού υπολογιστικού συστήματος και αναλόγως τις απαιτήσεις να καλύψει πολλά τ.μ. σε ένα κλειστό χώρο με πολλαπλούς επεξεργαστές και μέσα αποθήκευσης. Μπορεί να υπάρχουν πολλές περιπτώσεις που το υλικό που χρησιμοποιείται ως server να είναι ίδιο με ενός προσωπικού υπολογιστή δεν συμβαίνει το ίδιο και με τα λειτουργικά συστήματα τα οποία πρέπει να έχουν ειδικά χαρακτηριστικά.

24

25

26 Κεφάλαιο 2 Λειτουργικό Σύστημα Linux Ubuntu LTS Το Linux, απόγονος του Unix, είναι ένα λειτουργικό σύστημα σχεδιασμένο να διαχειρίζεται πολλαπλές διεργασίες και χρήστες ταυτόχρονα. Είχε σχεδιαστεί από τους προγραμματιστές για προγραμματιστές και γενικότερα για πιο εξειδικευμένους χρήστες. Το Linux έχει κληρονομήσει πολλά χαρακτηριστικά από το Unix, αν και η πρώτη έκδοση ήταν για έναν προσωπικό υπολογιστή. Στόχος είναι ένα λιτό, προγραμματιστικά, λειτουργικό σύστημα χωρίς περιττές εφαρμογές ως εκ τούτου με περισσότερους πόρους υλικού και με περισσότερη ευχέρεια στην διαχείριση τους από τον χρήστη. Επίσης πρακτικά σημαίνει ότι το σύστημα θα πρέπει να έχει ένα μικρό αριθμό βασικών στοιχείων που μπορούν να συνδυαστούν σε μία άπειρη ποικιλία τρόπων ανάλογα με την εφαρμογή. Μία από τις βασικές κατευθυντήριες γραμμές πίσω από το Linux είναι ότι κάθε εφαρμογή πρέπει να κάνει μόνο ένα πράγμα με όσο το δυνατόν αποδοτικότερο τρόπο. To Ubuntu LTS χρησιμοποιεί τον πυρήνα έκδοσης 3.2. Η κοινότητα του που αναπτύσσει τον πυρήνα του linux αλλά και του Ubuntu βγάζει ανά τακτά χρονικά διαστήματα καινούριες εκδόσεις. Κάποιες από αυτές υποστηρίζονται για μεγάλο χρονικό διάστημα και ονομάζονται εκδόσης μακροχρόνιας υποστήριξης (Long Time Support LTS). O λόγος για τον οποίο επιλέχθηκε η έκδοση Ubuntu είναι γιατί χαρακτηρίστηκε και ο πυρήνας του και η συγκεκριμένη έκδοση από την κοινότητα Ubuntu ως Long Term Support (LTS). Οι κύριες λειτουργίες που παίζουν καθοριστικό ρόλο σε ένα λειτουργικό Linux καθορίζονται από την έκδοση του πυρήνα και διαφορές όσον αφορά την απόδοση είναι μικρές ανάμεσα σε Linux του ίδιου πυρήνα και είναι ανάλογες με τα μέρη του κώδικα του πυρήνα και επιπλέον εφαρμογές που επιλεχθούν στην κάθε έκδοση Linux. Τα βασικά χαρακτηριστικά πυρήνα αναλύονται παρακάτω.

27 Ένα σύστημα Linux μπορεί να θεωρηθεί ως ένα είδος πυραμίδας, όπως απεικονίζεται στο σχήμα 2.1 σύμφωνα με τον Andrew S. Tanembaum Σχήμα 2.1 Στην βάση της πυραμίδας είναι το υλικό το οποίο αποτελείται από τον επεξεργαστή, τη μνήμη, δίσκους, οθόνη, πληκτρολόγιο και άλλες συσκευές. Το Linux βρίσκεται αμέσως πιο πάνω από το υλικό, διαχειρίζεται τους πόρους του και παρέχει διασύνδεση για κλήσεις συστήματος ανάμεσα στις εφαρμογές και στο Linux. Η δημιουργία και διαχείριση διεργασιών αρχείων και πόρων συστήματος από τις εφαρμογές του χρήστη γίνονται μέσω κλήσεων συστήματος. 2.1 Λειτουργία Χρήστη Ξεκινώντας από τον χρήστη στο ψηλότερο σημείο της πυραμίδας, το Linux παρέχει την διασύνδεση χρήστη. Με την επιλογή από τον χρήστη της, προς εκτέλεση, εφαρμογής δημιουργείται μία κλήση συστήματος ώστε η εφαρμογή να μπορέσει να «μεταβεί» από λειτουργία χρήστη σε λειτουργία πυρήνα και να έχει πρόσβαση σε πόρους του υλικού για την εκτέλεσή της. Οι κλήσεις συστήματος είναι διαδικασίες σε γλώσσα προγραμματισμού χαμηλού επιπέδου (γλώσσα μηχανής) assembly σε αντίθεση με την γλώσσα της εφαρμογής χρήστη η οποία στο Linux είναι σε γλώσσα προγραμματισμού C. Ανάμεσα από την εφαρμογή χρήστη και τον πυρήνα υπάρχει ένα στρώμα-βιβλιοθήκη με προτυποποιημένες διαδικασίες-ρουτίνες σε γλώσσα προγραμματισμού assembly. Καθεμία από αυτές αντιστοιχεί σε μία συγκεκριμένη κλήση συστήματος και καλούνται μέσω C. Υπάρχουν δύο διασυνδέσεις σε αυτό το επίπεδο. Μία διασύνδεση της βιβλιοθήκης με την εφαρμογή

28 χρήστη, ώστε η εφαρμογή χρήστη (σε γλώσσα C) να καλέσει την κλήση συστήματος (σε assembly) που απαιτείται και μία διασύνδεση της βιβλιοθήκης με τον πυρήνα του λειτουργικού ώστε να εκτελεστούν στον πυρήνα οι ρουτίνες της κλήσης. 2.2 Λειτουργία Πυρήνα Σχήμα 2.2 Ο πυρήνας του Linux έχει άμεση πρόσβαση στο υλικό και διαχειρίζεται τις αλληλεπιδράσεις με τις συσκευές Input/Output και της μονάδας διαχείρισης μνήμης και ελέγχει την πρόσβαση της CPU σε αυτά. Στο χαμηλότερο επίπεδο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2 βρίσκονται τα σήματα διακοπής (Interrupt Signals) και οι χειριστές σημάτων διακοπής (Interrupt handlers). Τα σήματα διακοπής είναι ο πρωταρχικός τρόπος αλληλεπίδρασης με τις συσκευές, και τον διανεμητή χρόνου (Dispatcher). Είναι σήματα προς τον επεξεργαστή του συστήματος που εκπέμπονται είτε από μονάδα υλικού είτε από λογισμικού προειδοποιώντας τον επεξεργαστή για συμβάν υψίστης προτεραιότητας που απαιτεί τη διακοπή του κώδικα του

29 νήματος που εκτελεί εκείνη την συγκεκριμένη χρονική στιγμή. O διανεμητής χρόνου αναστέλλει την εκτέλεση της υπάρχουσας στον επεξεργαστή διεργασίας αφού έχει σώσει την υπάρχουσα κατάσταση της και ξεκινάει την εκτέλεση του χειριστή διακοπής (Interrupt handler)για να διαχειριστεί το συμβάν και θα φορτώσει τον κατάλληλο οδηγό. Αυτή η διακοπή είναι προσωρινή καθώς όταν ο χειριστής διακοπής τελειώσει, ο επεξεργαστής συνεχίζει την εκτέλεση της προηγούμενης διεργασίας από την κατάσταση που είχε σωθεί πριν την μετάβαση. Να σημειωθεί ότι ο διανεμητής χρόνου είναι μέρος του χρονοπρογραμματιστή Κ.Μ.Ε. Τα κύρια μέρη του πυρήνα Linux μπορούν να χωριστούν σε τρια μέρη τα οποία είναι αλληλένδετα και αλληλοεξαρτώμενα : Μέρος εισόδου / εξόδου (Input / Οutput Ι/Ο) και διαχείρισή του Η συνιστώσα I/O περιέχει όλα τα κομμάτια του πυρήνα υπεύθυνα για την αλληλεπίδραση του υλικού και την εκτέλεση των δικτυακών και αποθηκευτικών λειτουργιών εισόδου εξόδου. Το βασικότερο όσον αφορά αυτήν την κατηγορία είναι ότι όλες οι συσκευές εισόδου εξόδου αντιμετωπίζονται σαν αρχεία, ονομάζονται ειδικά αρχεία (special files), τους δίνεται και προσπελαύνονται με κλήσεις συστήματος ίδιες με αυτών των αρχείων. Όλα τα ειδικά αρχεία ή συσκευές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Τις συσκευές μπλόκ και τις συσκευές χαρακτήρα. Οι συσκευές μπλοκ έχουν το χαρακτηριστικό ότι για την λειτουργία εισόδου εξόδου τα δεδομένα διακινούνται σε πακέτα (data blocks) με την χρήση, άμεσα προσπελάσιμης, ενδιάμεσης μνήμη (cache) επιτυγχάνοντας με αυτόν τον τρόπο διάφορες συσκευές να λειτουργούν ταυτόχρονα και με μεγάλη ταχύτητα. Συνήθως είναι συσκευές αποθήκευσης (σκληροί δίσκοι, συσκευές οπτικών μέσων, κ.α). Σε αντίθεση οι συσκευές χαρακτήρα οι οποίες δεν χρησιμοποιούν ενδιάμεση μνήμη και η εγγραφή ή ανάγνωση από και προς την συσκευή γίνεται άμεσα με σειρά δυαδικών ψηφίων. Χαρακτηριστικά παραδείγματα συσκευών αυτού του είδους είναι το πληκτρολόγιο και το ποντίκι. Στο υψηλότερο επίπεδο, οι λειτουργίες εισόδου εξόδου ενσωματώνονται σε ένα στρώμα που ονομάζεται Εικονικό Σύστημα Αρχείων (Virtual File System). Το VFS παρέχει ένα σύνολο τυποποιημένων διεπαφών για εφαρμογές του ανώτερου στρώματος

30 ώστε να έχουν την δυνατότητα να εκτελέσουν λειτουργίες I / O σε ένα σύνολο διαφορετικών συστημάτων αρχείων. Το κάνει με τρόπο που υποστηρίζει ταυτόχρονα πολλαπλά συστήματα αρχείων και σε μία ή περισσότερες συσκευές υλικού. Κάτω από το επίπεδο του Εικονικού συστήματος αρχείων, όλες οι λειτουργίες Ι/Ο διέρχονται μέσα από κάποιον οδηγό συσκευής. Κάθε οδηγός χωρίζεται νοητά σε δύο μέρη τα οποία και τα δύο είναι μέρη του πυρήνα και εκτελούνται σε λειτουργία πυρήνα. Το ένα μπορούμε να το θεωρήσουμε, επίσης νοητά, ως το χαμηλότερο για τον λόγο ότι συνεργάζεται με το μέρος του υλικού και έχει σαν σκοπό την εκμετάλλευσή του και το νοητά υψηλότερο τμήμα με τον υπόλοιπο πυρήνα π.χ. την διεργασία της εφαρμογής που το καλεί. Όλοι οι οδηγοί Linux ταξινομούνται, όπως αντίστοιχα και οι συσκευές, είτε ως οδηγοί συσκευών χαρακτήρα ή οδηγοί συσκευών μπλοκ. Όσον αφορά τις συσκευές δικτύου, στην πραγματικότητα είναι συσκευές χαρακτήρα λόγω των δεδομένων που διακινούνται, αλλά λόγω της ασύγχρονης φύσης τους αντιμετωπίζονται με διαφορετικό τρόπο από το σύστημα και για αυτόν τον λόγο έχει γίνει ο διαχωρισμός τους στο σχήμα. Αξίζει να σημειωθεί ότι κάθε οδηγός που αντιστοιχεί σε ειδικό αρχείο έχει έναν μοναδικό αριθμό που τον χαρακτηρίζει και ονομάζεται Κυριος Αριθμός Συσκευής (Major Device Number). Σε περίπτωση που υπάρχουν περισσότερες από μία ίδιες συσκευές τότε κάθε συσκευή έχει τον δικό της ελάσσων αριθμό συσκευής (Minor Device Number). Ο συνδυασμός αυτών των δυο αντιστοιχεί σε μία μοναδική συσκευή εισόδου εξόδου. Οι κατηγορίες συσκευών, με τους οδηγούς οι οποίοι τους αντιστοιχούν, είναι οι εξής :

31 Τερματικές Συσκευές Ι/Ο Για τις Τερματικές Συσκευές Ι/Ο ο κώδικας του πυρήνα που χρησιμοποιείται, πάνω από το επίπεδο του οδηγού της συσκευής, είναι διαφορετικός αναλόγως τον τύπο συσκευής. Οι συσκευές χαρακτήρα μπορεί να χρησιμοποιηθούν με δύο διαφορετικούς τρόπους. Ορισμένα προγράμματα θέλουν κάθε πάτημα πλήκτρου την στιγμή που έχει πατηθεί να αποσταλεί απευθείας προς επεξεργασία (π.χ πληκτρολόγηση). Άλλο λογισμικό, όπως το κέλυφος γραμμής εντολών επιτρέπει στους χρήστες να εισάγει το σύνολο της γραμμής πριν πατήσει το ENTER για να το στείλει προς επεξεργασία. Στην περίπτωση αυτή η ροή χαρακτήρων από την τερματική συσκευή διέρχεται μέσω πρωτοκόλλου γραμμής (Line Discipline)το οποίο είναι ένα σύνολο κανόνων που ελέγχουν την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ δύο συσκευών. Επίσης σε αυτό το στάδιο γίνεται και η μορφοποίηση των δεδομένων. Συσκευές Δικτύωσης Το επίπεδο πάνω από τα προγράμματα οδήγησης δικτύου λειτουργεί ως δρομολογητής πακέτων δεδομένων, εξασφαλίζοντας ότι το τα δεδομένα οδεύουν προς τη σωστή συσκευή. Πάνω από τον κώδικα του δρομολογητή είναι η στοίβα πρωτοκόλλων στην οποία συμπεριλαμβάνονται πέραν πολλών άλλων και τα πρωτόκολλα IP και TCP. Στο ψηλότερο επίπεδο βρίσκεται η διεπαφή υποδοχών (Sockets) οι οποίες επιτρέπουν σε προγράμματα τη δημιουργία υποδοχών για συγκεκριμένα δίκτυα και πρωτόκολλα. Μία διεργασία όταν χρειάζεται να στείλει δεδομένα μέσω δικτύου δημιουργεί μία υποδοχή η οποία πρέπει να έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά τα οποία αναφέρονται στο αρχείο περιγραφής (file_descriptor) της υποδοχής και το οποίο καθορίζει την εγκατάσταση της σύνδεσης δικτύου, ανάγνωση δεδομένων, εγγραφή δεδομένων και απελευθέρωση της σύνδεσης. Η υποδοχή υποστηρίζει συγκεκριμένους τύπους δικτύωσης. Ο πρώτος τύπος κατά τον οποίο η μεταφορά δεδομένων γίνεται είτε αξιόπιστα με συνεχόμενη ροή bytes. Σε αυτήν την περίπτωση είναι σαν να υπάρχει ένας αγωγός από bytes και το σύστημα εγγυάται την λήψη των bytes και με την σωστή τους σειρά. Ο δεύτερος εγγυάται την λήψη των bytes μόνο που αυτήν την φορά ο τρόπος αποστολής γίνεται ανά πακέτα bytes. Το συνηθέστερο πρωτόκολλο το οποίο χρησιμοποιείται σε αυτές τις περιπτώσεις είναι το TCP. Υπάρχει και ένας τρίτος τρόπος οποίος είναι μεν ίδιος με τον δεύτερο όσον αφορά τον τρόπο αποστολής των δεδομένων και με υψηλότερη ταχύτητα, δεν υπάρχει όμως η εγγύηση ότι τα πακέτα δεν θα χαθούν και συνήθως χρησιμοποιείται το UDP πρωτόκολλο.

32 Συσκευές αποθήκευσης και διαχείρισης αρχείων Πάνω από το επίπεδο των οδηγών συσκευών αποθήκευσης βρίσκεται χρονοδρομολογητής εισόδου / εξόδου, το οποίο είναι υπεύθυνο διαχείριση και έκδοση των αιτήσεων λειτουργιών του δίσκου κατά τρόπο που να διαχειρίζεται ορθά την κίνηση της κεφαλής του δίσκου ή να συμμορφώνεται με κάποια άλλη πολιτική συστήματος. Στην κορυφή της συσκευής μπλοκ είναι το Σύστημα Αρχείων. Το Linux μπορεί να έχει πολλαπλά συστήματα αρχείων να συνυπάρχουν ταυτόχρονα. Λόγω των πολλών διαφορών που προκύπτουν από τις πολλές και διαφορετικές συσκευές υλικού, υπάρχει ανάμεσα από το Σύστημα Αρχείων και τον χρονοδρομολογητή Ι / Ο ένα επίπεδο «αφαίρεσης» το οποίο παρέχει κοινό τρόπο λειτουργίας για όλες τις συσκευές μπλοκ και ονομάζεται Γενικευμένο Μπλοκ επίπεδο Μέρος Διαχείρισης Μνήμης Το τμήμα διαχείρισης μνήμης περιλαμβάνει διεργασίες για την διατήρηση των απεικονίσεων της εικονικής μνήμης στην φυσική, διεργασίες που διατηρούν ένα χώρο προσωρινής αποθήκευσης (cache) από σελίδες μνήμης που πρόσφατα προσπελάθηκαν και διεργασίες που μεταφέρουν από νέες σελίδες με απαιτούμενο κώδικα και δεδομένα στη φυσική μνήμη. Το σύστημα διαχείρισης μνήμης του Linux είναι επιτυχημένο και έχουν γίνει λίγες αλλαγές από την πρώτη του εμφάνιση. Κάθε διεργασία στο Linux έχει ένα δικό της χώρο διευθύνσεων ο οποίος αποτελείται από 3 τμήματα. 1. Το τμήμα κειμένου (text) το οποίο περιέχει τον κώδικα εκτέλεσης της διεργασίας και είναι μόνο ανάγνωσης και παραμένει σταθερό σε μέγεθος. 2. Το τμήμα δεδομένων στο οποίο αποθηκεύονται όλες οι μεταβλητές, τα ορίσματα, οι πίνακες και άλλα δεδομένα και είναι μεταβλητό σε μέγεθος. Χωρίζεται με την σειρά του σε δύο υπο-τμήματα : i. Τμήμα Αρχικοποιημένων Δεδομένων το οποίο περιέχει τιμές μεταβλητών και σταθερές του μεταγλωττιστή οι οποίες χρειάζεται να έχουν αρχική τιμή όταν θα ξεκινήσει η εκτέλεση της διεργασίας. ii. Τμήμα Μη-αρχικοποιημένων δεδομένων στο οποίο όλες οι τιμές των μεταβλητών ή ορισμάτων κ.α δεδομένων έχουν αρχική τιμή 0.

33 3. Στοίβα η οποία περιέχει μεταβλητές συστήματος (environmental variables) και τη γραμμή εντολής που δόθηκε στο κέλυφος από τον χρήστη. Με αυτόν τον τρόπο το πρόγραμμα μπορεί να βρει τα ορίσματα και τις πραγματικές παραμέτρους. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου το τμήμα κειμένου είναι κοινό και σε αυτήν την περίπτωση υπάρχει μόνο ένα τμήμα κειμένου το οποίο μοιράζονται οι διεργασίες. Η στοίβα και το τμήμα δεδομένων δεν είναι κοινό ποτέ παρά μόνο σε περίπτωση κλήσης συστήματος fork. Πέραν της δυναμικής διάθεσης επιπλέον μνήμης, μία διεργασία linux μπορεί να έχει πρόσβαση σε αρχεία δεδομένων μέσω απεικόνισμένων αρχείων μνήμης (memory-mapped files).αυτό το χαρακτηριστικό αντιστοιχεί ένα αρχείο σε ένα μέρος του χώρου διευθύνσεων της διεργασίας κατά τέτοιον τρόπο ώστε να διαβάζεται και να εγγράφεται ως ένας πίνακας από bytes στην μνήμη καθώς είναι ευκολότερο από την χρήση κλήσεων συστήματος για ανάγνωση και εγγραφή. Επιπλέον πλεονέκτημα του χαρακτηριστικού αυτού, είναι η δυνατότητα να μπορούν δύο ή περισσότερες διεργασίες να απεικονίζουν το ίδιο αρχείο την ίδια στιγμή. Οι εγγραφές σε αυτό το αρχείο είναι άμεσα ορατές σε όλες τις διεργασίες που έχουν πρόσβαση δίνοντας με αυτόν τον τρόπο ένα μηχανισμό υψηλής ταχύτητας για κοινή χρήση μνήμης σε πολλές διεργασίες ταυτόχρονα. Κλησεις Συστήματος στην διαχείριση μνήμης linux Η διαχείριση της μνήμης από το Linux γίνεται μέσω κλήσεων συστήματος. Οι κλήσεις συστήματος μπορούν να καθορίσουν το μέγεθος του τμήματος δεδομένων και επίσης τα αρχεία απεικόνισης μνήμης. Διαχείριση Φυσικής Μνήμης Η φυσική μνήμη χωρίζεται σε 3 ζώνες : 1. ZONE_DMA σελίδες οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για λειτουργίες που επιτρέπουν υποσυστήματα υλικού να προσπελάσουν την μνήμη του συστήματος ανεξάρτητα από την Κ.Μ.Ε. 2. ZONE_NORMAL περιέχει σελίδες απεικόνισης. 3. ZONE_HIGHMEM - σελίδες οι οποίες δεν είναι μόνιμα απεικονισμένες Η κύρια μνήμη αποτελείται από 3 μέρη την απεικόνιση του πυρήνα, την απεικόνιση μνήμης (τα οποία βρίσκονται συνεχώς στην μνήμη και δεν σελιδοποιούνται) και την υπόλοιπη μνήμη η οποία χωρίζεται σε πλαίσια σελίδων τα οποία μπορούν να είναι είτε

34 ελεύθερα είτε να περιέχουν δεδομένα, πίνακες σελίδων. Ο πυρήνας έχει απεικόνιση της κύριας μνήμης η οποία με την σειρά της έχει τις πληροφορίες για την χρήση της φυσικής μνήμης όπως το παρακάτω σχήμα. Εικόνα 2.3 Καταρχήν υπάρχει ένας πίνακας ο οποίος περιέχει περιγραφείς σελίδων που αντιστοιχεί σε κάθε πλαίσιο της φυσικής μνήμης με το όνομα mem_map. Ο περιγραφέας σελίδων περιέχει δείκτη που αντιστοιχεί σε διεύθυνση χώρου που ανήκει καθώς και 2 δείκτες οι οποίοι του δίνουν την δυνατότητα να σχηματίσει συνεχόμενη λίστα με άλλους περιγραφείς με κοινά χαρακτηριστικά. Στο παραπάνω παράδειγμα η σελίδα 150 αντιστοιχεί στον χώρο διεύθυνσης ενώ η σελίδα 70 είναι κενή και υπάρχουν οι άλλοι δύο δείκτες οι οποίοι δημιουργούν νοητά ένα συνεχόμενο κομμάτι ελεύθερων σελίδων. Το Linux χρησιμοποιεί έναν μηχανισμό 4 επιπέδων και επίσης διαχωρίζει την κάθε εικονική διεύθυνση σε 5 τομείς. Κάθε τομέας λειτουργεί ως ευρετήριο που δείχνει σε κατάλογο σελίδων ιδιωτικό για κάθε διεργασία. Η τιμή είναι ένας δείκτης σε ένα κατάλογο του επόμενου επίπεδο καταλήγοντας στην απαιτούμενη σελίδα.

35 Μηχανισμός Κατανομής Μνήμης Ο κύριος τρόπος κατανομής μνήμης είναι μέσω του κατανεμητή σελίδων ο οποίος χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο buddy. Όταν υπάρξει μία απαίτηση για μνήμη πρέπει να στρογγυλοποιηθεί σε δύναμη του 2. Αν η απαίτηση είναι 7 σελίδες τότε πρέπει να δεσμευτούν 8 σελίδες. Αρχικά η μνήμη θεωρείται ως ενιαία π.χ 64 σελίδες σύνολο. Το πλήρες κομμάτι διαιρείται σε δύο μέρη των 32 σελίδων. Ο αλγόριθμος επιλέγει το ένα μέρος να το διαιρέσει σε δύο νέα των 16 σελίδων και η ίδια διαδικασία θα επαναληφθεί μέχρι να δημιουργηθούν μέρη που αντιστοιχούν στον απαιτούμενο αριθμό σελίδων μνήμης. Επίσης υπάρχει μία σειρά της οποίας το πρώτο στοιχείο περιέχει την πρώτη σελίδα από μπλοκ με μέγεθος μιας σελίδας. Το δεύτερο στοιχείο περιέχει την πρώτη σελίδα από μπλοκ με μέγεθος δύο σελίδων, το τρίτο περιέχει την πρώτη σελίδα από μπλοκ των 4 σελίδων (λόγω δύναμης του 2) κλπ. Με αυτόν τον τρόπο βρίσκεται γρήγορα η απαιτούμενη σελίδα στο σωστό μέγεθος. Ο αλγόριθμος buddy δημιουργεί από μόνος του κατακερματισμό της μνήμης. Για την καταπολέμηση του φαινομένου τρέχει ένας ακόμη μηχανισμός κατανομής μνήμης που ονομάζεται κατανεμητής slab και ο οποίος παίρνει κομμάτια του buddy και δημιουργεί μικρότερες μονάδες (slabs) και τις διαχειρίζεται ξεχωριστά και καθώς ο πυρήνας λειτουργεί με αντικείμενα συγκεκριμένου τύπου π.χ δομές tasks στηρίζεται και σε οbject caches τα οποία αποτελούνται από δείκτες σε μία ή περισσότερες μονάδες και οι οποίες θα αποθηκεύσουν τα αντικείμενα του ίδιου τύπου. Ο τρίτος μηχανισμός κατανομής μνήμης ονομάζεται vmalloc και χρησιμοποιείται όταν απαιτείται συνεχόμενη εικονική μνήμη και όχι φυσική. Όμως η χρήση αυτού του μηχανισμού προκαλεί πτώση απόδοσης και χρησιμοποιείται για την δυναμική αποθήκευση μονάδων του πυρήνα. Ο εικονικός χώρος διεύθυνσης χωρίζεται σε συνεχόμενα μέρη ή περιοχές με κοινές ιδιότητες και προστασία των σελίδων που τα αποτελούν. Κάθε περιοχή περιγράφεται από την δομή vm_area_struct. Όλες οι δομές αυτού του τύπου μία διεργασίας συνδέονται σε λίστα ώστε να είναι εφικτή η ανεύρεσή τους. Η δομή περιέχει πληροφορίες για την προστασία (μόνο ανάγνωση ή ανάγνωση και εγγραφή), αν είναι η όχι εφικτή η σελιδοποίησή της, ή αν είναι κοινή σε περίπτωση αντιγραφής της διεργασίας με χρήση fork και επίσης αν υπάρχει υποστηρικτικός χώρος στον σκληρό δίσκο και σε ποιο μέρος.

36 Σελιδοποίηση στο Linux Η κύρια μονάδα διαχείρισης μνήμης είναι η σελίδα και όλα τα μέρη διαχείρισης μνήμης λειτουργούν με βάση την σελιδοποίηση. Δεν χρειάζεται να φορτώνεται ολόκληρη η διεργασία στον πυρήνα για να εκτελεστεί αλλά μόνο η δομή χρήστη και οι πίνακες σελιδοποίησης. Οι σελίδες που περιέχουν δεδομένα και τμήματα στοίβας φορτώνονται δυναμικά και κατόπιν απαίτησης. Υπάρχει επίσης και μία διεργασία που ονομάζεται page daemon η οποία φορτώνεται περιοδικά και αν δει ότι ο ελεύθερος χώρος μνήμης ελαχιστοποιείται αρχίζει να απελευθερώνει περισσότερες σελίδες. Δεδομένα και αρχεία απεικονισμένα σελιδοποιούνται στον δίσκο και τα υπόλοιπα δεδομένα σελιδοποιούνται σε μέρος με σελιδοποιημένα αρχεία καθορισμένου μεγέθους το οποίο ονομάζεται περιοχή ανταλλαγής (swap area). Ο βασικός αλγόριθμος απελευθέρωσης και αντικατάστασης σελίδων είναι ο PFRA (Page Frame Reclaiming Algorithm). Tο Linux διακρίνει τις σελίδες σε τέσσερις κατηγορίες: 1. Μη ανακτήσιμες (unreclaimable) και δεν απελευθερώνονται ούτε ανταλλάσσονται ποτέ 2. Ανταλλάξιμες (swappable) οι οποίες μπορούν να απελευθερωθούν αλλά θα πρέπει πρώτα να αντιγραφούν στον δίσκο ή στην περιοχή ανταλλαγής. 3. Συγχρονίσιμες (syncable) είναι οι σελίδες οι οποίες πρέπει να γραφτούν στον δίσκο σε περίπτωση που έχουν επισημανθεί ως σελίδες οι οποίες έχουν τροποποιηθεί και πρέπει να διατηρηθεί η πληροφορία για πρόσβαση αργότερα. 4. Απορρίψιμες (discardable) οι οποίες μπορούν να ανακτηθούν άμεσα Μία διεργασία daemon τρέχει ανά τακτά χρονικά διαστήματα και ελέγχει αν υπάρχει διαθέσιμη μνήμη. Σε περίπτωση που υπάρχει πέφτει σε κατάσταση αναμονής μέχρι την επόμενη προγραμματισμένη ενεργοποίηση ή σε περίπτωση ανάγκης. Ειδάλλως ενεργοποιεί τον αλγόριθμο PFRA ο οποίος αρχικά απελευθερώνει τις απορρίψιμες και τις εύκολα απελευθερώσιμες και μετά πάει στις πιο δύσκολες σελίδες. Ο αλγόριθμος διατηρεί στοιχεία για κάθε σελίδα τα οποία καθορίζουν αν θα απελευθερωθεί ή όχι Τμήμα Διαχείρισης Διεργασιών - Νήματα Η βασική ευθύνη της συνιστώσας διαχείρισης των διεργασιών είναι η δημιουργία και ο τερματισμός τους. Περιλαμβάνει επίσης το χρονοδρομολογητή διεργασιών ο οποίος