Что такое Unix (для начинающих)
Дмитрий Ю. Карпов
О чем это я?
Этот опус не претендует на полноту описания. Более того, в целях упрощения сознательно опущены некоторые подробности. Сначала цикл задумывался как FAQ (ЧаВо - часто задаваемые вопросы), но видимо получится "Курс молодого бойца" или "Сержантская школа".
Я попытался дать сравнительное описание разных операционных систем - именно этого на мой взгляд не хватает большинству учебников и технических пособий.
Не дожидаясь разоблачения со стороны опытных Unix"оидов, делаю добровольное признание - я не могу претендовать на роль великого знатока Unix, а мои знания в основном вокруг FreeBSD. Надеюсь, это не помешает.
Этот файл еще долго будет находиться в состоянии "under construction". :-)
Что такое Unix?
Unix - полноценная, изначально многопользовательская, многозадачная и многотерминальная операционная система. Точнее, это целое семейство систем, почти полностью совместимых друг с другом на уровне исходных текстов программ.
Какие бывают Unix"ы и на каких машинах они запускаются?
Этот список не претендует на полноту, ибо кроме перечисленных есть еще множество менее распространенных Unix"ов и Unix-подобных систем, не говоря уже о древних Unix"ах для устаревших машин.
Условно можно выделить семейства System V и Berkeley. System V (читается "System Five") имеет несколько вариантов, последний по моим сведениям System V Release 4. Университет Berkeley славен не только разработкой BSD, но и большинства протоколов Internet. Впрочем, многие Unix"ы сочетают свойства обеих систем.
Где взять бесплатный Unix?
Каковы основные отличия Unix от других OS?
Unix состоит из ядра с включенными в него драйверами и из утилит (внешних по отношению к ядру программ). Если надо изменить конфигурацию (добавить устройство, изменить порт или прерывание), то ядро пересобирают (перелинковывают) из обьектных модулей или (напр., во FreeBSD) из исходников. /* Это не совсем верно. Некоторые параметры можно поправить без пересборки. Существуют также loadable kernel modules. */
В противоположность Unix"у Windows (если не уточняется, какая, то имеются в виду 3.11, 95 и NT) и OS/2 при загрузке фактически на ходу прилинковывают драйверы. При этом компактность собранного ядра и повторное использование общего кода на порядок ниже, чем у Unix. Кроме того, при неизменной конфигурации системы ядро Unix без переделки (потребуется изменить только стартовую часть BIOS) может быть записан в ПЗУ и выполняться _не_загружаясь_ в ОЗУ. Компактность кода особенно важна, т.к. ядро и драйверы никогда не покидают физическую оперативную память, не свопятся на диск.
Unix - самая многоплатформенная OS. WindowsNT пытается подражать ему, но пока это плохо удается - после отказа от MIPS и POWER-PC, W"NT остались всего на двух платформы - традиционная i*86 и DEC Alpha. Разумеется, переносимость программ с одной версии Unix на другую ограничена. Неаккуратно написанная программа, не учитывающая различий в реализациях Unix, делающая необоснованные предположения типа "переменная integer должна занимать четыре байта", может потребовать серьезной переделки. Но все равно это на много порядков легче, чем например пернести с OS/2 на NT.
Почему Unix?
Unix используется как в качестве как сервера, так и рабочей станции. В номинации серверов с ним конкурируют MS WindowsNT, Novell Netware, IBM OS/2 Warp Connect, DEC VMS и операционные системы мэйнфреймов. Каждая система имеет свою область применения, в которой она лучше других.
Unix хорош для квалифицированного (или желающего стать таковым) администратора, т.к. требует знания принципов функционирования происходящих в нем процессов. Реальная многозадачность и жесткое разделение памяти обеспечивают высокую надежность функционирования системы, хотя в производительности файл- и принт-сервисов Unix"ы уступают Netware.
Недостаточная гибкость предоставления прав доступа пользователей к файлам по сравнению с WindowsNT затрудняет организацию _на_уровне_файловой_системы_ группового доступа к данным (точнее, к файлам), что на мой взгляд компенсируется простотой реализации, а значит меньшими требованиями к аппаратуре. Впрочем, такие приложения, как SQL-сервер решают проблему группового доступа к данным своими силами, так что отсутствующая в Unix возможность запретить доступ к _файлу_ конкретному пользователю на мой взгляд является явно избыточной.
Практически все протоколы, на которых основан Internet, были разработаны под Unix, в частности стек протоколов TCP/IP придуман в университете Berkeley.
Защищенность Unix при правильном администрировании (а когда это не так?) ни в чем не уступает ни Novell, ни WindowsNT.
Важным свойством Unix, которое приближает его к мэйнфреймам, является его многотерминальность, много пользователей могут одновременно запускать программы на одной Unix-машине. Если не требуется использовать графику, можно обойтись дешевыми текстовыми терминалами (специализированными или на базе дешевых PC), подключенными по медленным линиям. В этом с ним конкурирует только VMS. Можно использовать и графические X-терминалы, когда на одном экране присутствуют окна процессов, выполняющихся на разных машинах.
В номинации рабочих станций с Unix конкурируют MS Windows*, IBM OS/2, Macintosh и Acorn RISC-OS.
Unix функционирует как на PC, так и на мощных рабочих станциях с RISC-процессорами, под Unix написаны действительно мощные САПР и геоинформационные системы. Своей масштабируемостью Unix из-за его многоплатформенности на порядок превосходит любую другую операционную систему из известных мне.
Основные понятия Unix
Unix базируется на двух основных понятиях: "процесс" и "файл". Процессы являют собой динамическую сторону системы, это субьекты; а файлы - статическую, это обьекты действия процессов. Почти весь интерфейс взаимодействия процессов с ядром и друг с другом выглядит как запись/чтение файлов. /* Хотя надо добавить такие вещи, как сигналы, разделяемая память и семафоры. */
Процессы нельзя путать с программами - одна программа (как правило с различными данными) может выполняться в разных процессах. Процессы можно весьма условно разделить на два типа - задачи и демоны. Задача - это процесс, который выполняет свою работу, стремясь побыстрее закончить ее и завершиться. Демон ждет событий, которые он должен обработать, обрабатывает произошедшие события и снова ждет; завершается он как правило по приказу другого процесса, чаще всего его убивает пользователь, дав команду "kill номер_процесса". /* В этом смысле получается, что интерактивная задача, обрабатывающая ввод пользователя, скорее похожа на демона, чем на задачу. :-) */
Файловая система
В старых Unix"ах отводилось 14 букв на имя, в новых это ограничение снято. В директории кроме имени файла находится его идентефикатор inode - целое число, определяющее номер блока, в котором записаны атрибуты файла. Среди них: номер пользователя - хозяина файла; номер группы; количество ссылок на файл (см.далее) даты и время создания, последней модификации и последнего обращения к файлу; атрибуты доступа. Атрибуты доступа содержат тип файла (см.далее), атрибуты смены прав при запуске (см.далее) и права доступа к нему для хозяина, одногрупника и остальных на чтение, запись и выполнение. Право на стирание файла определяется правом записи в вышележащую директорию.
Каждый файл (но не директория) может быть известен под несколькими именами, но обязательно лежащими на одном разделе. Все ссылки на файл равноправны; файл стирается, когда удаляется последняя ссылка на файл. Если файл открыт (для чтения и/или записи), то число ссылок на него увеличивается еще на единицу; так многие программы, открывающие временный файл, сразу удаляют его, чтобы при аварийном завершении, когда операционная система закрывает открытые процессом файлы, этот временный файл был удален операционной системой.
Есть еще одна интересная особенность файловой системы: если после создания файла запись в него шла не подряд, а с большими интервалами, то для этих интервалов место на диске не выделяется. Таким образом суммарный обьем файлов в разделе может быть больше обьема раздела, а при удалении такого файла освобождается меньше места, чем его размер.
Файлы бывают следующих типов:
- обычный файл прямого доступа;
- директория (файл, содержащий имена и идентефикаторы других файлов);
- символьный линк (строка с именем другого файла);
- блочное устройство (диск или магнитная лента);
- последовательное устройство (терминалы, последовательные и параллельные порты; диски и магнитные ленты тоже имеют интерфейс последовательного устройства)
- поименованный канал.
Специальные файлы, предназначенные для работы с устройствами, как правило, сосредоточены в директории " /dev ". Вот некоторые из них (в номинации FreeBSD):
- tty* - терминалы, в т.ч.:
- ttyv - виртуальная консоль;
- ttyd - DialIn терминал (обычно последовательный порт);
- cuaa - DialOut линия
- ttyp - сетевой псевдо-терминал;
- tty - терминал, с которым ассоциирована задача;
- wd* - жесткие диски и их подразделы, в т.ч.:
- wd - жесткий диск;
- wds - партиция этого диска (именуемая здесь "slice");
- wds - раздел партиции;
- fd - floppy-диск;
- rwd*, rfd* - то же самое, что wd* и fd*, но с последовательным доступом;
Иногда требуется, чтобы программа, запущенная пользователем, имела не права запустившего ее пользователя, а какие-то другие. В этом случае устанавливается атрибут смены прав на права пользователя - хозяина программы. (В качестве примера приведу программу, которая читает файл с вопросами и ответами и на основании прочитанного тестирует запустившего эту программу студента. Программа должна иметь право читать файл с ответами, а запустивший ее студент - нет.) Так, например, работает программа passwd, с помощью которой юзер может изсменить свой пароль. Юзер может запустить программу passwd, она может произвести изменения в системной базе данных - а пользователь не может.
В отличие от DOS, в котором полное имя файла выглядит как "диск:\путь\имя", и RISC-OS, в которой оно выглядит "-файловая_система-диск:$.путь.имя" (что вообще говоря имеет свои преимущества), Unix использует прозрачную нотацию в виде "/путь/имя". Корень отсчитывается от раздела, с которого было загружено ядро Unix. Если мы собираемся использовать другой раздел (а на загрузочном разделе как правило находится только самое необходимое для загрузки), используется команда `mount /dev/файл_раздела директория`. При этом файлы и поддиректории, ранее находившиеся в этой директории, становятся недоступными, пока не раздел не будет размонтирован (естественно, все нормальные люди используют для монтирования разделов пустые директории). Производить монтирование и размонтирование имеет право только супервизор.
При запуске каждый процесс может расчитывать, что для него уже открыты три файла, которые ему известны как стандартный ввод stdin по дескриптору 0; стандартный вывод stdout по дескриптору 1; и стандартный вывод stderr по дескриптору 2. При регистрации в системе, когда пользователь вводит имя и пароль, а ему запускается shell, все трое направлены на /dev/tty; позже любой из них может быть перенаправлен в любой файл.
Комадный интерпретатор
В Unix практически всегда входят два командных интерпретатора - sh (shell) и csh (C-подобный shell). Кроме них еще бывают bash (Bourne), ksh (Korn), и другие. Не вдаваясь в подробности, приведу общие принципы:
Все команды, кроме изменения текущей директории, установки переменных окружения (environment) и операторов структурного программирования - внешние программы. Программы эти как правило располагаются в каталогах /bin и /usr/bin. Программы системного администрирования - в каталогах /sbin и /usr/sbin.
Команда состоит из имени запускаемой программы и аргументов. Аргументы отделяются от имени команды и друг от друга пробелаим и табуляциями. Некоторые спецсимволы интерпретируются самим shell"ом. Спецсимволами являются " " ` \ ! $ ^ * ? | & ; (еще какие?).
В одной командной строке можно дать несколько команд. Команды могут быть разделены; (последовательное выполнение команд), & (асинхронное одновременное выполнение команд), | (синхронное выполнение, стандартный вывод stdout первой команды будет подан на стандартный ввод stdin второй).
Кроме того, можно брать стандартный ввод из файла, включив в качестве одного из аргументов "<файл" (без кавычек); можно направить стандартный вывод в файл, используя ">файл" (файл будет обнулен) или ">>файл" (запись будет произведена в конец файла). Сама программа не получит этого аргумента; чтобы узнать, что ввод или вывод переназначены, программа должна сама предпринять некоторые весьма нетривиальные телодвижения.
Руководства - man
Если надо получить информацию по какой-либо команде, дайте команду "man имя_команды". На экран это будет выдаваться через программу "more" - посмотрите, как с ней управляться на вашем Unix"е командой `man more`.
Дополнительная документация
UNIX имеет долгую и интересную историю. Начавшись как несерьезный и почти "игрушечный" проект молодых исследователей, UNIX стал многомиллионной индустрией, включив в свою орбиту университеты, многонациональные корпорации, правительства и международные организации стандартизации.
UNIX зародился в лаборатории Bell Labs фирмы AT&T более 20 лет назад. В то время Bell Labs занималась разработкой многопользовательской системы разделения времени MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) совместно с MIT и General Electric, но эта система потерпела неудачу, отчасти из-за слишком амбициозных целей, не соответствовавших уровню компьютеров того времени, а отчасти и из-за того, что она разрабатывалась на языке PL/1, а компилятор PL/1 задерживался и вообще плохо работал после своего запоздалого появления. Поэтому Bell Labs вообще отказалась от участия в проекте MULTICS, что дало возможность одному из ее исследователей, Кену Томпсону, заняться поисковой работой в направлении улучшения операционной среды Bell Labs. Томпсон, а также сотрудник Bell Labs Денис Ритчи и некоторые другие разрабатывали новую файловую систему, многие черты которой вели свое происхождение от MULTICS. Для проверки новой файловой системы Томпсон написал ядро ОС и некоторые программы для компьютера GE-645, который работал под управлением мультипрограммной системы разделения времени GECOS. У Кена Томпсона была написанная им еще во времена работы над MULTICS игра "Space Travel" - "Космическое путешествие". Он запускал ее на компьютере GE-645, но она работала на нем не очень хорошо из-за невысокой эффективности разделения времени. Кроме этого, машинное время GE-645 стоило слишком дорого. В результате Томпсон и Ритчи решили перенести игру на стоящую в углу без дела машину PDP-7 фирмы DEC, имеющую 4096 18-битных слов, телетайп и хороший графический дисплей. Но у PDP-7 было неважное программное обеспечение, и, закончив перенос игры, Томпсон решил реализовать на PDP-7 ту файловую систему, над который он работал на GE-645. Из этой работы и возникла первая версия UNIX, хотя она и не имела в то время никакого названия. Но она уже включала характерную для UNIX файловую систему, основанную на индексных дескрипторах inode, имела подсистему управления процессами и памятью, а также позволяла двум пользователям работать в режиме разделения времени. Система была написана на ассемблере. Имя UNIX (Uniplex Information and Computing Services) было дано ей еще одним сотрудником Bell Labs, Брайаном Керниганом, который первоначально назвал ее UNICS, подчеркивая ее отличие от многопользовательской MULTICS. Вскоре UNICS начали называть UNIX.
Первыми пользователями UNIX"а стали сотрудники отдела патентов Bell Labs, которые нашли ее удобной средой для создания текстов.
Большое влияние на судьбу UNIX оказала перепись ее на языке высокого уровня С, разработанного Денисом Ритчи специально для этих целей. Это произошло в 1973 году, UNIX насчитывал к этому времени уже 25 инсталляций, и в Bell Labs была создана специальная группа поддержки UNIX.
Широкое распространение UNIX получил с 1974 года, после описания этой системы Томпсоном и Ритчи в компьютерном журнале CACM. UNIX получил широкое распространение в университетах, так как для них он поставлялся бесплатно вместе с исходными кодами на С. Широкое распространение эффективных C-компиляторов сделало UNIX уникальной для того времени ОС из-за возможности переноса на различные компьютеры. Университеты внесли значительный вклад в улучшение UNIX и дальнейшую его популяризацию. Еще одним шагом на пути получения признания UNIX как стандартизованной среды стала разработка Денисом Ритчи библиотеки ввода-вывода stdio. Благодаря использованию этой библиотеки для компилятора С, программы для UNIX стали легко переносимыми.
Рис. 5.1. История развития UNIX
Широкое распространение UNIX породило проблему несовместимости его многочисленных версий. Очевидно, что для пользователя весьма неприятен тот факт, что пакет, купленный для одной версии UNIX, отказывается работать на другой версии UNIX. Периодически делались и делаются попытки стандартизации UNIX, но они пока имели ограниченный успех. Процесс сближения различных версий UNIX и их расхождения носит циклический характер. Перед лицом новой угрозы со стороны какой-либо другой операционной системы различные производители UNIX-версий сближают свои продукты, но затем конкурентная борьба вынуждает их делать оригинальные улучшения и версии снова расходятся. В этом процессе есть и положительная сторона - появление новых идей и средств, улучшающих как UNIX, так и многие другие операционные системы, перенявшие у него за долгие годы его существования много полезного.
На рисунке 5.1 показана упрощенная картина развития UNIX, которая учитывает преемственность различных версий и влияние на них принимаемых стандартов. Наибольшее распространение получили две весьма несовместимые линии версий UNIX: линия AT&T - UNIX System V, и линия университета Berkeley-BSD. Многие фирмы на основе этих версий разработали и поддерживают свои версии UNIX: SunOS и Solaris фирмы Sun Microsystems, UX фирмы Hewlett-Packard, XENIX фирмы Microsoft, AIX фирмы IBM, UnixWare фирмы Novell (проданный теперь компании SCO), и список этот можно еще долго продолжать.
Наибольшее влияние на унификацию версий UNIX оказали такие стандарты как SVID фирмы AT&T, POSIX, созданный под эгидой IEEE, и XPG4 консорциума X/Open. В этих стандартах сформулированы требования к интерфейсу между приложениями и ОС, что дает возможность приложениям успешно работать под управлением различных версий UNIX.
Независимо от версии, общими для UNIX чертами являются:
- многопользовательский режим со средствами защиты данных от несанкционированного доступа,
- реализация мультипрограммной обработки в режиме разделения времени, основанная на использовании алгоритмов вытесняющей многозадачности (preemptive multitasking),
- использование механизмов виртуальной памяти и свопинга для повышения уровня мультипрограммирования,
- унификация операций ввода-вывода на основе расширенного использования понятия "файл",
- иерархическая файловая система, образующая единое дерево каталогов независимо от количества физических устройств, используемых для размещения файлов,
- переносимость системы за счет написания ее основной части на языке C,
- разнообразные средства взаимодействия процессов, в том числе и через сеть,
- кэширование диска для уменьшения среднего времени доступа к файлам.
Версия UNIX System V Release 4 - это незаконченная коммерческая версия операционной системы, т.к. в ее кодах отсутствуют многие системные утилиты, необходимые для успешной эксплуатации ОС, например утилиты администрирования или менеджер графического интерфейса. Версия SVR4 является скорее стандартной реализацией кода ядра, вобравшая в себя наиболее популярные и эффективные решения из различных версий ядра UNIX, такие как виртуальная файловая система VFS, отображаемые в память файлы и т.п. Код SVR4 (частично доработанный) лег в основу многих современных коммерческих версий UNIX, таких как HP-UX, Solaris, AIX и т.д.
Краткие сведения о развитии ОС UNIX
ОС UNIX появилась в конце 60-х годов, как операционная система для мини-ЭВМ PDP-7. Активное участие в разработке приняли Кеннет Томсон и Деннис Ритчи.
Особенностями ОС UNIX стали: многопользовательский режим, новая архитектура файловой системы и др.
В 1973 году большая часть ядра ОС была переписана на новом языке C.
С 1974 года ОС UNIX распространяется в университетах США в исходных кодах.
Версии UNIX
С самого начала распространения UNIX в американских университетах начали появляться различные версии ОС.
Для упорядочивания фирма AT&T в 1982 объединила несколько версий в одну назвала вариант ОС – System III. В 1983 году была выпущена коммерческая версия – System V. В 1993 году AT&T продала свои права на UNIX фирме Novell, которая далее консорциуму X/Open и Santa Cruz Operation (SCO).
Другая линия ОС UNIX – BSD разрабатывается в Калифорнийском университете (Беркли). Существуют бесплатные версии FreeBSD, OpenBSD.
К семейству OSF/1 – Open Software Foundation – относятся ОС консорциума IBM, DEC и Hewlett Packard. К числу ОС данного семейства относятся – HP-UX, AIX, Digital UNIX.
Бесплатные версии ОС семейства UNIX
Существует большое количество бесплатных версий UNIX.
FreeBSD, NetBSD, OpenBSD – варианты, разрабатываемые на основе ОС BSD.
Наиболее популярное семейство бесплатных UNIX-систем – это системы семейства Linux . Первый вариант Linux был разработан Линусом Торвальдсом в 1991 г. В настоящее время существует несколько вариантов Linux: Red Hat, Mandrake, Slackware, SuSE, Debian.
Общие черты UNIX-систем
Различные варианты UNIX обладают рядом общих черт:
Мультипрограммная обработка в режиме разделения времени, основанная на вытесняющей многозадачности;
Поддержка многопользовательского режима;
Использование механизмов виртуальной памяти и свопинга;
Иерархическая файловая система;
Унификация операций ввода/вывода на основе расширенного использования понятия файл;
Переносимость системы;
Наличие сетевых средств взаимодействия.
Достоинства UNIX-систем
К числу достоинств ОС семейства UNIX относят:
Переносимость;
Эффективная реализация многозадачности;
Открытость;
Наличие и строгое соблюдение стандартов;
Единая файловая система;
Мощный командный язык;
Наличие значительного числа программных продуктов;
Реализация стека протокола TCP/IP;
Возможность работы в роли сервера или рабочей станции.
Серверы на основе UNIX
Сервер – компьютер, обрабатывающий запросы других компьютеров в сети и предоставляющий собственные ресурсы для хранения, обработки и передачи данных. Сервер под управлением UNIX может выполнять следующие роли:
Файловый сервер;
Web-сервер;
Почтовый сервер;
Сервер дистанционной регистрации (аутентификации);
Вспомогательные серверы Web-служб (DNS, DHCP);
Сервер доступа к сетям Интернет
Управление компьютером под управлением UNIX
При работе с UNIX-системой в режиме сервера, как правило, используется режим удаленного доступа с помощью некоторой терминальной программы.
Сеанс работы начинается с ввода регистрационного имени и пароля доступа
Часто для решения задач управления сервером ограничиваются командным режимом работы. В этом случае, для управления используется ввод специальных команд в командную строку в специальном формате. Командная строка имеет специальное приглашение, например:
Общий вид команды:
- -bash-2.05b$ команда [опции] [параметры]
Например, вызов справки по ОС имеет вид:
- -bash-2.05b$ man [ключи] [тема]
- Для вызова справки по использованию команды man введите
- -bash-2.05b$ man man
Интерпретация командной строки
При вводе команд используются следующие соглашения:
Первое слово в командной строке является именем команды;
Остальные слова – аргументы.
Среди аргументов выделяются ключи (опции) – предопределенные для каждой команды слова (символы), начинающиеся с одной (краткий формат) или пары дефисов (длинный формат). Например:
Bash-2.05b$ tar –c –f arch.tar *.c
Bash-2.05b$ tar - -create - -file=arch.tar *.c
При задании опций они могут объединятся. Например следующие команды равноправны:
Bash-2.05b$ ls –a –l
Bash-2.05b$ ls –l –a
Bash-2.05b$ ls –al
Другие аргументы указывают на объекты, над которыми выполняются операции.
Переменные оболочки
При работе в системе существует способ передачи параметров в программы, кроме использования ключей командной оболочки, – использование переменных окружения. Для задания переменной окружения используется команда set. Формат команды:
Bash-2.05b$ set имя_переменной=значение
Удаление переменной окружения выполняется командой unset.
Для обращения к значению переменной используется обозначение $имя_переменной, например команда:
Bash-2.05b$ echo $PATH
Выведет значение переменной PATH.
С языком высокого уровня . Примерно в 1969 году Кен Томпсон при содействии Денниса Ритчи разработал и реализовал язык Би (B), представлявший собой упрощённый (для реализации на мини-компьютерах) вариант разработанного в языка BCPL . Би, как и BCPL, был интерпретируемым языком. В 1972 году была выпущена вторая редакция Unix, переписанная на языке Би. В 1969-1973 гг. на основе Би был разработан компилируемый язык, получивший название Си (C).
Раскол
Важной причиной раскола Unix стала реализация в 1980 году стека протоколов TCP/IP . До этого межмашинное взаимодействие в Unix пребывало в зачаточном состоянии - наиболее существенным способом связи был UUCP (средство копирования файлов из одной Unix-системы в другую, изначально работавшее по телефонным сетям с помощью модемов).
Было предложено два интерфейса программирования сетевых приложений: Berkley sockets (сокет Беркли) и интерфейс транспортного уровня TLI (англ. Transport Layer Interface ).
Интерфейс Berkley sockets был разработан в университете Беркли и использовал стек протоколов TCP/IP , разработанный там же. TLI был создан AT&T в соответствии с определением транспортного уровня модели OSI и впервые появился в системе System V версии 3. Хотя эта версия содержала TLI и потоки, первоначально в ней не было реализации TCP/IP или других сетевых протоколов, но подобные реализации предоставлялись сторонними фирмами.
Реализация TCP/IP официально и окончательно была включена в базовую поставку System V версии 4. Это, как и другие соображения (по большей части, рыночные), вызвало окончательное размежевание между двумя ветвями Unix - BSD (университета Беркли) и System V (коммерческая версия от AT&T). Впоследствии, многие компании, лицензировав System V у AT&T, разработали собственные коммерческие разновидности Unix, такие как AIX , CLIX, HP-UX , IRIX , Solaris .
Современные реализации Unix, как правило, не являются системами V или BSD в чистом виде. Они реализуют возможности как System V, так и BSD.
Свободные Unix-подобные операционные системы
В настоящий момент GNU/Linux и представители семейства BSD быстро отвоёвывают рынок у коммерческих Unix-систем и одновременно проникают как на настольные компьютеры конечных пользователей, так и на мобильные и встраиваемые системы.
Проприетарные системы
После разделения компании AT&T товарный знак Unix и права на оригинальный исходный код неоднократно меняли владельцев, в частности, они длительное время принадлежали компании Novell .
Влияние Unix на эволюцию операционных систем
Unix-системы имеют большую историческую важность, поскольку благодаря им распространились некоторые популярные сегодня концепции и подходы в области ОС и программного обеспечения . Также, в ходе разработки Unix-систем был создан язык Си .
Широко используемый в системном программировании язык Си , созданный изначально для разработки Unix, превзошёл Unix по популярности. Язык Си был первым «веротерпимым» языком, который не пытался навязать программисту тот или иной стиль программирования. Си был первым высокоуровневым языком, предоставляющим доступ ко всем возможностям процессора, таким как ссылки , таблицы , битовые сдвиги , инкременты и т. п. С другой стороны, свобода языка Си приводила к ошибкам переполнения буфера в таких функциях стандартной библиотеки Си, как gets и scanf. Результатом стали многие печально известные уязвимости, например, та, что эксплуатировалась в знаменитом черве Морриса .
Первые разработчики Unix способствовали внедрению принципов модульного программирования и повторного использования в инженерную практику.
Unix предоставлял возможность использования протоколов TCP/IP на сравнительно недорогих компьютерах, что привело к быстрому росту Интернета . Это, в свою очередь, способствовало быстрому обнаружению нескольких крупных уязвимостей в системе безопасности, архитектуре и системных утилитах Unix.
Со временем ведущие разработчики Unix разработали культурные нормы разработки программного обеспечения, которые стали столь же важны, как и сам Unix. ( )
Одними из самых известных примеров Unix-подобных ОС являются macOS , чьих? ] тогдашний Unix имел недостатки по сравнению с данными ОС (например, отсутствие серьёзных движков баз данных), он был: а) дешевле, а иногда и бесплатен для академических учреждений; б) был портируем с оборудования на оборудование и разработан на портируемом языке Си, что «отвязывало» разработку программ от конкретной аппаратуры. Кроме того, «отвязанным» от аппаратуры и производителя оказался и опыт пользователя - человек, работавший с Unix на VAX, легко работал с ней же и на 68xxx, и так далее.
Производители аппаратуры в то время часто прохладно относились к Unix, считая её игрушечной, и предлагая свою проприетарную ОС для серьёзной работы - в первую очередь СУБД и основанных на них бизнес-приложений в коммерческих структурах. Известны комментарии по этому поводу от DEC по поводу её VMS . К этому прислушивались корпорации, но не академическая среда, которая имела всё для себя необходимое в Unix, зачастую не требовала официальной поддержки от производителя, справляясь своими силами, и ценила дешевизну и переносимость Unix. Таким образом, Unix была едва ли не первой переносимой на разную аппаратуру ОС.
Вторым резким взлётом Unix было появление RISC -процессоров около 1989 года. Ещё до того существовали т. н. workstations - персональные однопользовательские компьютеры большой мощности, имеющие достаточный объём памяти, жёсткого диска и достаточно развитую ОС (многозадачность, защита памяти) для работы с серьёзными приложениями, такими как CADы. Среди производителей таких машин выделялась компания Sun Microsystems , сделавшая себе на них имя.
До появления RISC-процессоров в этих станциях обычно использовался процессор Motorola 680x0 , тот же, что и в компьютерах фирмы Apple (хотя и под более развитой операционной системой, чем у Apple). Около 1989 года на рынке появились коммерческие реализации процессоров RISC-архитектуры. Логичным решением ряда компаний (Sun и других) был перенос Unix на эти архитектуры, что немедленно повлекло за собой и перенос всей экосистемы ПО для Unix.
Проприетарные серьёзные ОС, такие как VMS, начали свой закат именно с этого момента (даже если и удалось перенести на RISC саму ОС, всё было намного сложнее с приложениями под неё, которые в этих экосистемах зачастую разрабатывались на ассемблере или же на проприетарных языках типа BLISS), и Unix стал ОС для самых мощных компьютеров в мире.
Однако в это время экосистема начала переходить на GUI в лице Windows 3.0 . Огромные преимущества GUI, а также, например, унифицированная поддержка всех типов принтеров, были оценены и разработчиками, и пользователями. Это сильно подорвало позиции Unix на рынке PC - такие реализации, как SCO и Interactive UNIX, не справлялись с поддержкой Windows-приложений. Что же касается GUI для Unix, называемого X11 (были и иные реализации, много менее популярные), то он не мог полноценно работать на обычной пользовательской PC ввиду требований к памяти - для нормальной работы X11 требовалось 16 МБ, в то время как Windows 3.1 с достаточной производительностью исполняла и Word, и Excel одновременно в 8 МБ (это было стандартным размером памяти PC в то время). При высоких ценах на память это было лимитирующим фактором.
Успех Windows дал импульс внутреннему проекту Microsoft под названием Windows NT , которая была совместима с Windows по API, но при этом имела всё те же архитектурные особенности серьёзной ОС, что и Unix - многозадачность, полноценную защиту памяти, поддержку многопроцессорных машин, права доступа к файлам и каталогам, системный журнал. Также Windows NT представила журнальную файловую систему NTFS , которая по возможностям на тот момент превышала все стандартно поставляемые с Unix файловые системы - аналоги под Unix были только отдельными коммерческими продуктами от Veritas и других.
Хотя Windows NT и не была популярна первоначально, из-за высоких требований к памяти (те же 16 МБ), она позволила Microsoft выйти на рынок решений для серверов , например, СУБД . Многие в то время не верили в возможность Microsoft, традиционно специализирующейся на настольном ПО, быть игроком на рынке ПО масштаба предприятия, где уже были свои громкие имена, такие как Oracle и Sun. К этому сомнению добавлялся тот факт, что СУБД Microsoft - SQL Server - начинался как упрощённая версия Sybase SQL Server, лицензированная у Sybase и на 99 % совместимая по всем аспектам работы с ним.
Во второй половине 1990-х годов Microsoft начал теснить Unix и на рынке корпоративных серверов.
Совокупность вышеперечисленных факторов, а также обвал цен на 3D-видеоконтроллеры , ставшими из профессионального оборудования домашним, по сути убила само понятие workstation к началу 2000-х годов.
Кроме того, системы Microsoft проще в управлении, особенно в типовых сценариях использования.
Но в данный момент начался третий резкий взлёт Unix.
Серьёзным конкурентом Linux на тот момент была FreeBSD , однако «соборный» стиль управления разработкой в противовес «базарному» стилю Linux, а также куда большая техническая архаичность в таких вопросах, как поддержка многопроцессорных машин и форматы исполняемых файлов, сильно замедлила развитие FreeBSD по сравнению с Linux, сделав последний флагманом мира свободного ПО.
В дальнейшем Linux достигал всё новых и новых высот:
- перенос серьёзных проприетарных продуктов, таких как Oracle ;
- серьёзный интерес IBM к этой экосистеме как основе для своих вертикальных решений;
- появление аналогов почти всех привычных программ из мира Windows;
- отказ некоторых производителей оборудования от обязательной предустановки Windows;
- выпуск нетбуков с одной лишь Linux;
- использование в качестве ядра в Android .
На настоящий момент Linux является заслуженно популярной ОС для серверов, хотя и куда менее популярной на рабочих столах.
Первое значение термина упирается в рассмотрение структур, в которые могут быть организованы файлы на носителях данных. Существует несколько видов таких структур: линейные, древовидные, объектные и другие, но в настоящее время широко распространены только древовидные структуры.
Каджый файл в древовидной структуре расположен в определенном хранилище файлов – каталоге , каждый каталог, в свою очередь, также расположен в некотором каталоге. Таким образом, по принципу вложения элементов файловой системы (файлов и каталогов) друг в друга строится дерево, вершинами которого являются непустые каталоги, а листьями – файлы или пустые каталоги. Корень такого дерева имеет название корневой каталог и обозначается каким-либо специальным символом или группой символов (например, «C: » в операционной системе Windows). Каждому файлу соответствует некоторое имя , отпределяющее его расположение в дереве файловой системы. Полное имя файла состоит из имен всех вершин дерева файловой системы, через которые можно пройти от корня до данного файла (каталога), записывая их слева-направо и разделяя специальными символами-разделителями.
В настоящее время существует огромное количество файловых систем, каждая из которых используется для определенной цели: для быстрого доступа к данным, для обеспечения целостности данных при сбоях системы, для простоты реализации, для компактного хранения данных, и т.д. Однако среди всего множества файловых систем можно выделить такие, которые обладают рядом схожих признаков, а именно:
Файлы и каталоги идентифицируются не по именам, а по индексным узлам (i-node) – индексам в общем массиве файлов для данной файловой системе. В этом массиве хранится информация об используемых блоках данных на носителе, а также – длина файла, владелец файла, права доступа и другая служебная информация под общим названием «метаданные о файле ». Логические же связки типа «имя–i-node » – есть ни что иное как содержимое каталогов.
Таким образом, каждый файл характеризуется одним i-node, но может быть связан с несколькими именами – в UNIX это называют жёсткими ссылками (см. Рисунок 1.22, «Пример жесткой ссылки»). При этом, удаление файла происходит тогда, когда удаляется последняя жёсткая ссылка на этот файл.
Важной особенностью таких файловых систем является то, что имена файлов зависят от регистра, другими словами файлы test.txt и TEST.txt отличаются (т.е. являются разными строками в файле директории).
В определенных (фиксированных для данной файловой системы) блоках физического носителя данных находится т.н. суперблок . Суперблок – это наиболее ответственная область файловой системы, содержащая информацию для работы файловой системы в целом, а также – для ёе идентификации. В суперблоке находится «магическое число » – идентификатор файловой системы, отличающий её от других файловых систем, список свободных блоков, список свободных i-node"ов и некоторая другая служебная информация.
Помимо каталогов и обычных файлов для хранения информации, ФС может содержать следующие виды файлов:
Специальный файл устройства
Обеспечивает доступ к физическому устройству. При создании такого устройства указывается тип устройства (блочное или символьное), старший номер – индекс драйвера в таблице драйверов операционной системы и младший номер – параметр, передаваемый драйверу, поддерживающему несколько устройств, для уточнения о каком «подустройстве » идет речь (например, о каком из нескольких IDE-устройств или COM-портов).
Именованный канал Символическая ссылкаОсобый тип файла, содержимое которого – не данные, а имя какого-либо другого файла (см. Рисунок 1.23, «Пример символической ссылки» . Для пользователя такой файл неотличим от того, на который он ссылается.
Символическая ссылка имеет ряд преимуществ по сравнению с жёсткой ссылкой: она может использоваться для связи файлов в разных файловых системах (ведь номера индексных узлов уникальны только в рамках одной файловой системы), а также более прозрачно удаление файлов – ссылка может удаляться совершенно независимо от отсновного файла.
Такие файловые системы наследуют особенности оригинального UNIX. К ним можно отнести, например: s5 (используемая в версиях UNIX System V), ufs (BSD UNIX), ext2, ext3, reiserfs (Linux), qnxfs (QNX). Все эти файловые системы различаются форматами внутренних структур, но совместимы с точки зрения основных концепций.
Дерево каталогов
Рассмотрение второго значения термина ФС приводит нас к уже обозначенной ранее совокупности процедур, осуществляющих доступ к файлам на различных носителях. Особенностью операционных систем семейства UNIX является существование единого дерева файловой системы для любого количества носителей данных с одинаковыми или разными типами файловых систем на них. Это достигается путем монтирования – временной подстановкой вместо каталога одной файловой системы дерева другой файловой системы, вследствие чего система имеет не несколько деревьев никак не связанных друг с другом, а одно большое разветвленное дерево с единым корневым каталогом.
Файловая подсистема операционной системы UNIX имеет имеет уникальную систему обработки запросов к файлам – переключатель файловых систем или виртуальная файловая система (VFS ). VFS предоставляет пользователю стандартный набор функций (интерфейс) для работы с файлами, вне зависимости от места их расположения и принадлежности к разным файловым системам.
В мире стандартов UNIX определено, что корневой каталог единого дерева файловой системы должен иметь имя / , как и символ-разделитель при формировании полного имени файла. Тогда полное имя файла может быть, например, /usr/share/doc/bzip2/README . Задача VFS – по полному имени файла найти его местоположение в дереве файловой системы, определить её тип в этом месте дерева и «переключить », т.е. передать файл на дальнейшую обработку драйверу конктретной файловой системы. Такой подход позволяет использовать практически неограниченое количество различных файловых систем на одном компьютере под управлением одной операционной системы, а пользователь даже не будет знать, что файлы физически находятся на разных носителях информации.
Использование общепринятых имен основных файлов и структуры каталогов существенно облегчает работу в операционной системе, её администрирование и переносимость. Некоторые из этих структур используются при запуске системы, некоторые – во время работы, но все они имеют большое значение для ОС вцелом, а нарушение этой структуры может привести к неработоспособности системы или ее отдельных компонентов.
Рисунок 1.24. Стандартные каталоги в файловой системе UNIX
Приведем краткое описание основных каталогов системы, формально описываемых специальным стандартом на иерархию файловой системы (Filesystem Hierarchy Standart). Все каталоги можно разделить на две группы: для статической (редко меняющейся) информации – /bin , /usr и динамической (часто меняющейся) информации – /var , /tmp . Исходя из этого администраторы могут разместить каждый из этих каталогов на собственном носителе, обладающем соответствующими характеристиками.
Корневой каталог
Корневой каталог / является основой любой ФС UNIX. Все остальные каталоги и файлы располагаются в рамках струтуры (дерева), порождённой корневым каталогом, независимо от их физического местонахождения.
/binВ этом каталоге находятся часто употребляемые команды и утилиты системы общего пользования. Сюда входят все базовые команды, доступные даже если была примонтирована только корневая файловая система. Примерами таких команд являются: ls , cp , sh и т.п..
/bootДиректория содержит всё необходимое для процесса загрузки операционной системы: программу-загрузчик, образ ядра операционной системы и т.п..
/devКаталог содержит специальные файлы устройств, являющиеся интерфейсом доступа к периферийным устройствам. Наличие такого каталога не означает, что специальные файлы устройств нельзя создавать в другом месте, просто достаточно удобно иметь один каталог для всех файлов такого типа.
/etcВ этом каталоге находятся системные конфигурационные файлы. В качестве примеров можно привести файлы /etc/fstab , содержащий список монтируемых файловых систем, и /etc/resolv.conf , который задаёт правила составления локальных DNS-запросов. Среди наиболее важных файлов – скрипты инифиализации и деинициализации системы. В системах, наследующих особенности UNIX System V, для них отведены каталоги с /etc/rc0.d по /etc/rc6.d и общий для всех файл описания – /etc/inittab .
/home (необязательно)Директория содержит домашние директории пользователей. Её существование в корневом каталоге не обязательно и её содержимое зависит от особенностей конкретной UNIX-подобной операционной системы.
/libКаталог для статических и динамических библиотек, необходимых для запуска программ, находящихся в директориях /bin и /sbin .
/mntСтандартный каталог для временного монтирования файловых систем – например, гибких и флэш-дисков, компакт-дисков и т.п..
/root (необязательно)Директория содержит домашюю директорию суперпользователя. Её существование в корневом каталоге не обязательно.
/sbinВ этом каталоге находятся команды и утилиты для системного администратора. Примерами таких команд являются: route , halt , init и т.п.. Для аналогичных целей применяются директории /usr/sbin и /usr/local/sbin .
/usrЭта директория повторяет структуру корневой директории – содержит каталоги /usr/bin , /usr/lib , /usr/sbin , служащие для аналогичных целей.
Каталог /usr/include содержит заголовочные файлы языка C для всевозможные библиотек, расположенных в системе.
Каталог /usr/local является следующим уровнем повторения корневого каталога и служит для хранения программ, установленных администратором в дополнение к стандартной поставке операционной системы.
Каталог /usr/share хранит неизменяющиеся данные для установленных программ. Особый интерес представляет каталог /usr/share/doc , в который добавляется документация ко всем установленным программам.
/var , /tmpИспользуются для хранения временных данных процессов – системных и пользовательских соответственно.
