Большинство современных операционных систем представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой архитектуры ОС не существует, но существуют универсальные подходы к структурированию ОС.
Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы.
1. Ядро – модули, выполняющие основные функции ОС как правило в привилегированном режиме.
2. Модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.
В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекстов, загрузка/выгрузка станиц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т.д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют прикладного программный интерфейс – API.
Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы.
1. Утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных на магнитную ленту.
2. Системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики.
3. Программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор, игры.
4. Библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например библиотека математических функций, функций ввода-вывода и т.д.
Рисунок 1 – Многослойная структура ядра ОС
Приведенное разбиение ядра ОС на слои является достаточно условным. В реальной системе количество слоев и распределение функций между ними может быть и иным. Выбор количества слоев ядра является ответственным и сложным делом: увеличение числа слоев ведет к замедлению работы ядра за счет дополнительных межслойных взаимодействий, а уменьшение числа слоев ухудшает расширяемость и логичность системы.
Аппаратная зависимость и переносимость ОС. Многие операционные системы успешно работают на различных аппаратных платформах без существенных изменений в своем составе. Во многом это объясняется тем, что, несмотря на различия в деталях, средства аппаратной поддержки ОС большинства компьютеров приобрели много типовых черт, а именно эти средства в первую очередь влияют на работу компонентов операционной системы. В результате можно выделить достаточно компактный слой машинно-зависимых компонентов ядра и сделать остальные слои общими.
Мультипроцессорная обработка – одновременное выполнение двух и более процессов (программ) несколькими процессорами вычислительной системы.
Файловые системы
FAT является наиболее простой из поддерживаемых Windows. Основой файловой системы FAT является таблица размещения файлов, размещённая в самом начале тома. На случай повреждения на диске хранятся две копии этой таблицы.
Диск, отформатированный в файловой системе FAT, делится на кластеры, размер которых зависит от размера тома. Одновременно с созданием файла создается запись и устанавливается номер первого кластера, содержащего данные. Такая запись в таблице размещения файлов сигнализирует о том, что это последний кластер файла, или указывает на следующий кластер.
NTFS поддерживает систему метаданных и использует специализированные структуры данных для хранения информации о файлах для улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства. NTFS хранит информацию о файлах в Master File Table (MFT). NTFS имеет встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей (списки контроля доступа – ACL), а также назначать квоты (ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или иными пользователями). NTFS использует систему журналирования для повышения надёжности файловой системы.
Базы данных
База данных – объективная форма представления и организации совокупности данных (статей, расчетов и так далее), систематизированных таким образом, чтобы эти данные могли быть найдены и обработаны с помощью электронной вычислительной машины (ЭВМ) [12], ст.4.
Реляционная база данных
Реляционная база данных – БД, основанная на реляционной модели данных. Слово «реляционный» происходит от англ. relation (отношение). Для работы с реляционными БД применяют реляционные СУБД.
Реляционная модель данных – логическая модель данных, строгая математическая теория, описывающая структурный аспект, аспект целостности и аспект обработки данных в реляционных базах данных.
Структурный аспект (составляющая) – данные в базе данных представляют собой набор отношений.
Аспект (составляющая) целостности – отношения (таблицы) отвечают определенным условиям целостности. РМД поддерживает декларативные ограничения целостности уровня домена (типа данных), уровня отношения и уровня базы данных.
Аспект (составляющая) обработки (манипулирования) – РМД поддерживает операторы манипулирования отношениями (реляционная алгебра, реляционное исчисление).
Термин «реляционный» означает, что теория основана на математическом понятии отношение (relation). В качестве неформального синонима термину «отношение» часто встречается слово таблица.
Для лучшего понимания РМД следует отметить три важных обстоятельства:
1. модель является логической, то есть отношения являются логическими (абстрактными), а не физическими (хранимыми) структурами;
2. для реляционных баз данных верен информационный принцип: все информационное наполнение базы данных представлено одним и только одним способом, а именно – явным заданием значений атрибутов в кортежах[1] отношений; в частности, нет никаких указателей (адресов), связывающих одно значение с другим;
3. наличие реляционной алгебры позволяет реализовать декларативное программирование и декларативное описаний ограничений целостности, в дополнение к навигационному (процедурному) программированию и процедурной проверке условий.
Принципы реляционной модели были сформулированы в 1969 – 1970 гг. Коддом (E. F. Codd).
Наиболее известными альтернативами реляционной модели являются иерархическая модель, и сетевая модель. Кроме того, можно упомянуть об объектно-ориентированной модели.
Нормализация
Создание реляционных баз данных неразрывно связано с теорией нормализации.
Целью нормализации является устранение недостатков структуры базы данных, приводящих к вредной избыточности в данных, которая в свою очередь потенциально приводит к различным аномалиям и нарушениям целостности данных.
Нормальная форма отношения – формальное свойство отношения, которое характеризует степень избыточности хранимых данных и возможные проблемы (например, логически ошибочные результаты выборки). Нормальная форма определяется как совокупность требований, которым должно удовлетворять отношение.
Существует несколько нормальных форм.
1. Первая нормальная форма.
2. Вторая нормальная форма.
3. Третья нормальная форма.
4. Нормальная форма Бойса-Кодда.
5. Четвёртая нормальная форма.
6. Пятая нормальная форма.
Каждая следующая нормальная форма более «совершена», чем предыдущая, с точки зрения устранения избыточности.
Реляционная СУБД
Реляционная СУБД – СУБД, управляющая реляционными базами данных.
Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:
1. каждый элемент таблицы – один элемент данных.
2. все ячейки в столбце таблицы однородные, то есть все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т. д.)
3. каждый столбец имеет уникальное имя
4. одинаковые строки в таблице отсутствуют
5. порядок следования строк и столбцов может быть произвольным
Строка таблицы называется записью, колонка – полем.
Ключи
Первичный ключ (англ. primary key) – минимальное множество атрибутов, являющееся подмножеством заголовка данного отношения, составное значение которых уникально определяет кортеж отношения. На практике термин первичный ключ обозначает поле или группу полей таблицы базы данных, значение которого (или комбинация значений которых) используется в качестве уникального идентификатора записи этой таблицы. В реляционной теории таблица представляет собой неупорядоченный набор записей. Единственный способ идентифицировать определённую запись в этой таблице – это указать набор значений одного или нескольких полей, который был бы уникальным для этой записи. Отсюда и происходит понятие первичного ключа – набора полей таблицы, совокупность значений которых определена для любой записи (строки) этой таблицы и различна для любых двух записей.
Внешний ключ (англ. foreign key) – поле таблицы, предназначенное для хранения значения первичного ключа другой таблицы с целью организации связи между этими таблицами.
Пусть имеются таблицы A и B. Таблица A содержит поля a, b, c, d, из которых поле a – первичный ключ. Таблица B содержит поля x, y, z. В поле y содержится значение поля a одной из записей таблицы A. В таком случае поле y и называется внешним ключом таблицы A в таблице B.
Вот такой SQL-запрос вернёт все связанные пары записей из таблиц A и B:
select * from A, B where A.a = B.y;
Внешний ключ в таблице может ссылаться и на саму эту таблицу. В таких случаях говорят о рекурсивном внешнем ключе. Необходимо для реализации древовидной структуры данных в реляционной таблице.
СУБД поддерживают автоматический контроль ссылочной целостности на внешних ключах.
Виды связей таблиц
Существует три виды связей таблиц.
Связь с отношением «один-ко-многим». Является наиболее часто используемым типом связи между таблицами. В такой связи каждой записи в таблице A могут соответствовать несколько записей в таблице B, а запись в таблице B не может иметь более одной соответствующей ей записи в таблице A. Например, в одном подразделение может работать несколько сотрудников, но ни один сотрудник не может работать сразу в нескольких подразделениях. Принятое обозначение (1 – ∞).
Отношение «многие-ко-многим». При этом отношении одной записи в таблице A могут соответствовать несколько записей в таблице B, а одной записи в таблице B несколько записей в таблице A. Такая схема реализуется только с помощью третьей (связующей) таблицы, ключ которой состоит по крайней мере из двух полей, которые являются полями внешнего ключа в таблицах A и B. Например, между таблицами инспекторов и лиц, пересекающих границу, связь определяется отношением «многие-ко-многим». Один декларант может обсуживаться у нескольких инспекторов, в то же время инспектор может обслуживать несколько лиц. Такая связь определяется путем создания двух связей с отношением «один-ко-многим» для таблицы Инспектор_Декларант, в которой обязательно должны быть поля КлючИнспектора и КлючДекларанта.
При отношении «один-к-одному» запись в таблице A может иметь не более одной связанной записи в таблице B и наоборот. Этот тип связи используют не очень часто, поскольку такие данные могут быть помещены в одну таблицу. Связь с отношением «один-к-одному» используют для разделения очень широких таблиц или для отделения части таблицы по соображениям защиты.