Опишите историю вычислительной техники и историю развития операционных систем. Задачи современных операционных систем

1. 
   Опишите историю вычислительной техники и историю развития операционных систем. Задачи современных операционных систем.
   

История вычислительной техники берет свое начало в 1800-х годах, когда были разработаны первые механические калькуляторы. Со временем развитие электроники привело к изобретению современного компьютера в середине 20-го века. Вместе с развитием компьютеров появились операционные системы, которые отвечают за управление аппаратными и программными ресурсами компьютера. Первая операционная система была разработана в 1950-х годах, и с тех пор было создано множество операционных систем, каждая из которых имеет свои уникальные функции и возможности. Современные операционные системы выполняют такие задачи, как управление системными ресурсами, предоставление пользовательского интерфейса и обеспечение взаимодействия между программными и аппаратными компонентами. Они стали неотъемлемой частью современных компьютеров и постоянно развиваются, чтобы соответствовать требованиям пользователей.

2. 
   Опишите понятие командного интерпретатора. Примеры команд, перенаправление ввода-вывода, конвейеры.
   

Интерпретатор команд — это программа, которая позволяет пользователям взаимодействовать с операционной системой компьютера посредством вводимых команд. Он действует как мост между пользователем и компьютером, интерпретируя команды пользователя и выполняя их путем вызова соответствующих системных функций. Примеры команд, которые могут быть выполнены через командный интерпретатор, включают задачи управления файлами, такие как создание, копирование и удаление файлов, а также задачи управления системой, такие как установка переменных среды и настройка сетевых параметров. Перенаправление ввода-вывода позволяет пользователям перенаправлять ввод и вывод между программами, а конвейеры позволяют объединять несколько команд для выполнения сложных задач. Интерпретаторы команд широко используются в операционных системах на базе Unix, популярным примером является оболочка Bash.

3. 
   Опишите понятие Операционной системы
   

Операционная система — это программное обеспечение, которое управляет аппаратными и программными ресурсами компьютера. Она служит связующим звеном между пользователем, приложениями и аппаратным обеспечением компьютера. Основная функция операционной системы заключается в распределении ресурсов, таких как память и вычислительная мощность, между различными задачами и приложениями, обеспечивая их эффективное использование. Она также предоставляет пользовательский интерфейс, который позволяет пользователям взаимодействовать с компьютером и запускать приложения. Примерами популярных операционных систем являются Windows, macOS, Linux и Android. Без операционной системы компьютеры не смогли бы функционировать, поскольку им требуется это важное программное обеспечение для работы и управления всеми их компонентами.

4. 
   Опишите ядро операционной системы. Понятие системного вызова.
   

Ядро операционной системы — это основной компонент операционной системы, который является связующим звеном между аппаратным и программным обеспечением. Оно отвечает за управление системными ресурсами, такими как память, процессор и устройства ввода/вывода. Ядро предоставляет приложениям интерфейс для доступа к этим ресурсам через механизм, называемый системным вызовом. Системный вызов — это запрос программы к ядру на выполнение определенной операции, такой как чтение или запись в файл или выделение памяти. Ядро выполняет запрошенную операцию и возвращает результат вызывающей программе. Системные вызовы являются важным компонентом операционной системы, поскольку они позволяют приложениям взаимодействовать с базовым оборудованием и получать доступ к ресурсам контролируемым и безопасным образом.

5. 
   Опишите какие операционные системы существуют, и какие ОС наиболее популярные.
   

Существует несколько типов операционных систем, каждая из которых предназначена для различных целей. К наиболее популярным операционным системам для персональных компьютеров относятся Microsoft Windows, MacOS и различные дистрибутивы Linux. Операционные системы для мобильных устройств, с другой стороны, включают Android и iOS. Кроме того, существуют специализированные операционные системы, предназначенные для серверов, встраиваемых систем и других устройств. Популярность каждой операционной системы зависит от контекста и региона. Однако в настоящее время Microsoft Windows является наиболее распространенной операционной системой для персональных компьютеров во всем мире, в то время как Android доминирует на рынке мобильных операционных систем. MacOS также популярна среди пользователей Apple, особенно в США, а Linux имеет значительное присутствие на рынке серверов.

6. 
   Опишите требования к современным ОС.
   

Современная операционная система обычно имеет следующие требования:

Пользовательский интерфейс: Операционная система должна предоставлять удобный интерфейс для взаимодействия с системой. Сюда входят графические пользовательские интерфейсы (GUI) и интерфейсы командной строки (CLI).

Управление ресурсами: Операционная система должна эффективно управлять ресурсами компьютера. Сюда входит управление памятью компьютера, процессором и устройствами ввода/вывода (I/O).

Многозадачность: Операционная система должна позволять нескольким приложениям работать одновременно. Это требует эффективного планирования процессов и потоков.

Безопасность: Операционная система должна обеспечивать механизмы защиты системы от несанкционированного доступа и гарантировать конфиденциальность, целостность и доступность данных.

Управление файлами: Операционная система должна предоставлять файловую систему, которая позволяет пользователям создавать, удалять и управлять файлами и каталогами.

Работа в сети: Операционная система должна предоставлять сетевые возможности, которые позволяют системе подключаться к другим системам и устройствам.

Примерами современных операционных систем являются Windows, macOS, Linux и Android.Опишите требования к современным ОС.

7. 
   Опишите понятие драйвера устройства. Способы загрузки драйвера.
   

Драйвер устройства — это программный компонент, который позволяет операционной системе взаимодействовать с аппаратным устройством. Он действует как мост между аппаратным устройством и операционной системой, переводя высокоуровневые команды операционной системы в низкоуровневые аппаратные команды, понятные устройству.

Когда устройство подключено к компьютеру, операционная система ищет соответствующий драйвер устройства для связи с ним. Если драйвер еще не установлен в системе, операционная система предлагает пользователю установить драйвер.

Чтобы загрузить драйвер вручную, выполните следующие действия:

Загрузите программное обеспечение драйвера с веб-сайта производителя устройства.

8. 
   Опишите понятие процесса, основные свойства процесса.
   

В вычислительной технике процесс - это экземпляр компьютерной программы, выполняемый одним или многими потоками. Это фундаментальное понятие в операционных системах, поскольку процессы - это единицы работы, которыми операционная система управляет и планирует на центральном процессоре.

Процесс может быть описан несколькими основными свойствами, включая:

Память: Процесс имеет свое собственное виртуальное адресное пространство, которое используется для хранения программного кода, данных и стека.

Состояние: Процесс может находиться в одном из нескольких состояний, включая состояние выполнения, готовности, блокировки или завершения. Состояние процесса зависит от его текущего статуса выполнения и любых событий, которые могут произойти, например, операций ввода-вывода.

Идентификация: Каждый процесс имеет уникальный идентификатор, который отличает его от других процессов в системе.

Приоритет: Процессу может быть присвоен приоритет, который определяет, сколько процессорного времени ему выделяет планировщик операционной системы.

Межпроцессное взаимодействие: Процессы могут взаимодействовать друг с другом, используя различные механизмы межпроцессного взаимодействия, такие как общая память, очереди сообщений и каналы.

Ресурсы: Процессам может потребоваться доступ к общим ресурсам, таким как файлы, сетевые соединения и устройства. Операционная система отвечает за управление доступом к этим ресурсам и предотвращение конфликтов между процессами.

В целом, процессы являются фундаментальным строительным блоком современных операционных систем, и понимание их свойств необходимо для понимания того, как операционные системы управляют и планируют рабочие нагрузки на компьютерную систему.

9. 
   Опишите построение многопользовательского сервера с обслуживающими процессами.
   

Создание многопользовательского сервера с обслуживающими процессами обычно включает следующие шаги:

Выберите серверную операционную систему: Первым шагом является выбор операционной системы, предназначенной для использования на серверах и поддерживающей работу нескольких пользователей. В качестве примера можно привести Linux, Windows Server и macOS Server.

Установите необходимое программное обеспечение: установите все необходимое программное обеспечение, которое будет использоваться для обслуживания запросов пользователей. Например, для веб-сервера может потребоваться Apache или NGINX, а для сервера баз данных - MySQL или PostgreSQL.

Настройте сеть: Настройте сетевые параметры для сервера, включая IP-адрес, маску подсети, шлюз и параметры DNS. Убедитесь, что сервер подключен к Интернету и что все необходимые правила брандмауэра установлены для защиты сервера.

Создайте учетные записи пользователей: Создайте учетные записи пользователей для каждого пользователя, который будет иметь доступ к серверу. Назначьте соответствующие разрешения каждому пользователю, чтобы гарантировать, что он имеет доступ только к тем ресурсам, которые ему необходимы.

Настройте процессы сервера: Настройте процессы сервера, чтобы они отвечали

10. 
    Опишите Организацию взаимодействия "клиент-сервер" с помощью потоковых сокетов. Проблема очерёдности действий и возможные подходы к её решению.
    

При взаимодействии клиент-сервер с использованием потоковых сокетов клиент и сервер общаются по сети, используя поток данных. Клиент посылает запросы на сервер, а сервер посылает ответы обратно клиенту.

Организация такого взаимодействия обычно включает следующие шаги:

Клиент открывает сокетное соединение с сервером, а сервер принимает соединение.

Чтобы решить проблему очередей, можно использовать несколько подходов:

Использовать балансировщик нагрузки: Балансировщик нагрузки может распределять входящие запросы между несколькими серверами, предотвращая перегрузку одного сервера.

Внедрить алгоритмы постановки в очередь: Алгоритмы постановки в очередь могут быть использованы для управления входящими запросами и определения их приоритетности на основе их срочности или важности. Это поможет обеспечить, чтобы критически важные запросы обрабатывались в первую очередь, а менее важные запросы ставились в очередь и обрабатывались по мере поступления ресурсов.

Увеличение ресурсов сервера: Добавление большего количества процессора, памяти и пропускной способности сети на сервер может помочь увеличить его пропускную способность и уменьшить очереди. Для этого может потребоваться модернизация оборудования или оптимизация программного обеспечения сервера.

Внедрите кэширование: Кэширование часто запрашиваемых данных может сократить количество запросов, которые необходимо обработать серверу, освободив ресурсы для других запросов. Это поможет уменьшить очереди и повысить общую производительность системы.

11. 
    Опишите проблемы, возникающие при работе с разделяемыми данными. Понятие "ситуации состязания" (race condition). Примеры.
    

Когда несколько процессов или потоков одновременно обращаются к одним и тем же общим данным и изменяют их, могут возникнуть проблемы. Эти проблемы известны как проблемы параллелизма, и наиболее распространенной из них является состояние гонки.

Состояние гонки возникает, когда поведение системы зависит от порядка выполнения параллельных операций. Это может привести к непредсказуемому и неправильному поведению, а также к повреждению или потере данных.

Вот несколько примеров условий гонки:

Два потока увеличивают общий счетчик: если два потока одновременно увеличивают общий счетчик, конечное значение счетчика может быть неверным. Например, если счетчик изначально равен 0, а оба потока увеличивают его одновременно, конечное значение может быть 1 вместо 2.

Два процесса пишут в один и тот же файл: если два процесса пишут в один и тот же файл без надлежащей синхронизации, конечное содержимое файла может быть смесью результатов двух процессов. Это может привести к повреждению или потере данных.

Два потока читают и записывают в общую переменную: если один поток читает общую переменную, а другой поток записывает в нее данные, то читающий поток может увидеть противоречивые или неопределенные данные. Это может привести к некорректному поведению, например, исключениям нулевого указателя или повреждению данных.

Для предотвращения ситуаций гонки можно использовать механизмы управления параллелизмом, такие как блокировки, семафоры и мониторы, чтобы гарантировать, что только один процесс или поток может одновременно обращаться к общим данным. Эти механизмы могут помочь предотвратить повреждение данных и обеспечить корректное поведение в параллельных системах.

12. 
    Опишите классификацию операционных систем (по количеству задач, по интерфейсу, по способу построения). Виды многозадачности.
    

Операционные системы можно классифицировать по-разному, основываясь на их характеристиках. Вот три распространенные схемы классификации:

Классификация по количеству задач:

Классификация по интерфейсу:

Классификация по способу построения:

В многозадачных операционных системах задачи или процессы могут быть запланированы и выполнены различными способами. Вот три распространенных типа многозадачности:

Вытесняющая многозадачность: Операционная система прерывает выполнение задачи через регулярные промежутки времени и переключается на другую задачу, ожидающую выполнения. Это гарантирует, что каждая задача получит справедливую долю процессорного времени и не позволит одной задаче монополизировать процессор.

Кооперативная многозадачность: Каждая задача или процесс добровольно уступает процессор, чтобы позволить другим задачам работать. Это требует сотрудничества со стороны всех задач, и плохо продуманная задача может привести к зависанию всей системы.

Гибридная многозадачность: сочетает в себе аспекты как вытесняющей, так и кооперативной многозадачности. Операционная система планирует задачи с упреждением, но также позволяет им сотрудничать, уступая процессор, когда они заблокированы на вводе/выводе или других ресурсах. Этот подход может обеспечить лучшую производительность и отзывчивость по сравнению с чисто кооперативной многозадачностью.

13. 
    Опишите стандартные сервисные программы поддержки интерфейса
    

В операционных системах сервисные программы поддержки стандартного интерфейса предназначены для обеспечения стандартизированного и согласованного интерфейса для доступа прикладных программ к системным ресурсам. Эти сервисные программы обычно обеспечивают уровень абстракции, который ограждает прикладную программу от деталей базового оборудования и системного программного обеспечения, облегчая написание переносимого и сопровождаемого кода.

Вот несколько распространенных примеров сервисных программ поддержки стандартного интерфейса:

Драйверы устройств: Эти программы предоставляют прикладным программам стандартный интерфейс для доступа к аппаратным устройствам, таким как дисковые накопители, принтеры и сетевые интерфейсы. Драйвер устройства абстрагирует детали аппаратного обеспечения устройства и обеспечивает согласованный интерфейс для использования прикладной программой.

Программы файловой системы: Эти программы предоставляют прикладным программам стандартный интерфейс для доступа к файлам и каталогам на диске или другом устройстве хранения данных. Они обрабатывают низкоуровневый доступ к диску, блокировку файлов и другие операции файловой системы, обеспечивая согласованный интерфейс для прикладной программы.

Программы управления памятью: Эти программы управляют распределением и деаллокацией системной памяти для прикладных программ. Они предоставляют стандартизированный интерфейс для запроса и освобождения памяти, а также решают такие задачи, как управление виртуальной памятью и защита памяти.

Программы управления процессами: Эти программы предоставляют стандартизированный интерфейс для создания, управления и завершения процессов и потоков. Они решают такие задачи, как составление расписания, синхронизация и межпроцессное взаимодействие, обеспечивая согласованный интерфейс для использования прикладной программой.

Сетевые программы: Эти программы предоставляют прикладным программам стандартизированный интерфейс для доступа к сетевым ресурсам, таким как сокеты, протоколы и сервисы. Они обрабатывают низкоуровневые сетевые операции, обеспечивая согласованный интерфейс для использования прикладной программой.

Предоставляя эти стандартные сервисные программы поддержки интерфейса, операционные системы могут упростить разработку прикладных программ, улучшить их переносимость и сопровождаемость, а также обеспечить им безопасный и контролируемый доступ к системным ресурсам.

14. 
    Опишите понятие программного интерфейса, его назначение
    

В программной инженерии программный интерфейс - это набор протоколов, стандартов и правил, регулирующих взаимодействие между компонентами программного обеспечения. Цель программного интерфейса - обеспечить стандартизированный способ связи и взаимодействия программных компонентов друг с другом, не требующий знания внутренней работы каждого компонента.

Концепция программного интерфейса тесно связана с идеей модульности, которая подразумевает разбиение сложной системы на более мелкие и управляемые компоненты. Определяя четкий и хорошо документированный интерфейс между компонентами программного обеспечения, разработчики могут создавать каждый компонент независимо, тестировать его в изоляции, а затем интегрировать его с другими компонентами для создания более крупной системы.

Программные интерфейсы могут принимать различные формы, в зависимости от характера интегрируемых программных компонентов. Например, интерфейс прикладного программирования (API) - это тип программного интерфейса, который определяет, как сторонние приложения могут взаимодействовать с определенной программной платформой или сервисом. API обычно включает набор функций, методов и структур данных, которые позволяют разработчикам приложений получать доступ к системным ресурсам и услугам стандартным образом.

Другим распространенным типом программного интерфейса является пользовательский интерфейс (UI), который определяет, как пользователи взаимодействуют с программным приложением. Пользовательский интерфейс обычно включает графические элементы, такие как меню, кнопки и диалоговые окна, а также механизмы ввода/вывода, такие как текстовые поля, ползунки и сенсорные экраны.

В целом, цель программного интерфейса - обеспечить стандартизированный способ взаимодействия, коммуникации и обмена данными для программных компонентов. Используя четко определенные программные интерфейсы, разработчики могут создавать более модульные, обслуживаемые и масштабируемые программные системы, которые можно легко адаптировать и расширять с течением времени.

15. 
    Объясните особенности архитектуры и основные компоненты ОС Linix
    

Linux - это операционная система с открытым исходным кодом, основанная на операционной системе Unix. Она была создана Линусом Торвальдсом в 1991 году и с тех пор стала одной из наиболее широко используемых операционных систем в мире. Архитектура Linux состоит из трех основных компонентов: ядра, системных библиотек и приложений пользовательского пространства.

Ядро: Ядро является ядром операционной системы Linux. Оно отвечает за управление системными ресурсами, такими как память, процессорное время и операции ввода/вывода. Оно также обеспечивает интерфейс между аппаратным обеспечением и остальной частью системы. Ядро Linux является монолитным ядром, что означает, что все основные функции операционной системы включены в один исполняемый файл. Оно имеет модульную структуру и множество дополнительных функций, которые могут быть включены или отключены во время компиляции.

Системные библиотеки: Системные библиотеки - это коллекции предварительно написанного кода, который предоставляет стандартный набор функций и процедур для использования приложениями. Эти библиотеки абстрагируются от деталей базового оборудования и операционной системы, облегчая разработчикам приложений написание переносимого и сопровождаемого кода. Некоторые примеры системных библиотек в Linux включают библиотеку GNU C Library (glibc), Linux Standard Base (LSB) и X Window System (X11).

Приложения пользовательского пространства: Приложения пользовательского пространства — это программы и утилиты, которые работают поверх ядра Linux. К ним относятся системные утилиты, такие как оболочка, текстовые редакторы, файловые менеджеры и сетевые инструменты, а также приложения более высокого уровня, такие как веб-браузеры, медиаплееры и офисные программы. Linux поддерживает широкий спектр языков программирования и механизмов разработки, что упрощает разработку и развертывание различных приложений.

Помимо этих трех основных компонентов, Linux также включает ряд других функций и подсистем, таких как виртуальная файловая система (VFS), которая обеспечивает единое представление файловой системы, и сетевая файловая система (NFS), которая обеспечивает удаленный обмен файлами по сети. Linux также поддерживает широкий спектр аппаратных архитектур, от небольших встроенных систем до больших серверных кластеров.