سیستم عامل

مفاهیم پایه

مفاهیم سیستم عامل

فرایندها، نخ‌ها و زمان‌بندی پردازنده

همروندی، انحصار متقابل و همگام‌سازی

بن بست

مدیریت I/O و دیسک

مدیریت حافظه

حافظه مجازی

کلاس سیستم عامل دکتر حقیقت با 28 سال تجربه تدریس این درس در دانشگاه ها و موسسات مختلف آموزش عالی، نویسنده پرتیراژترین کتاب در حوزه سیستم عامل و مترجم دو کتاب در همین حوزه به همه علاقه مندان این درس و داوطلبان کنکور های کارشناسی ارشد و دکترای مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات اکیداً توصیه می شود. 

در جلسه چهل و یکم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، سومین قسمت فصل هشتم (آخر) سیستم عامل با عنوان «انواع جدول صفحه و TLB» ارائه می‌شود. 

انواع جدول صفحه و TLB

در جلسه اول سیستم عامل با عنوان «سیستم عامل چیست و چرا سیستم عامل؟»، اهداف این درس، سر فصل ها، منابع درس و میزان اهمیت درس گفته می شود. همچنین مفاهیم پایه ای مثل تعریف سیستم عامل، فرایندها و منابع ارائه می شود. هسته و پوسته سیستم عامل معرفی می شود. همچنین در این جلسه فراخوان های سیستمی و فرمان ها مطالعه و با یکدیگر مقایسه می گردد. دو وظیفه و نقش مهم سیستم عامل شرح داده شده و جنبه های مختلف مدیریتی سیستم عامل مورد بررسی قرار می گیرد.

سیستم عامل چیست و چرا سیستم عامل؟

در جلسه دوم سیستم عامل با عنوان «سازمان کامپیوتر»، مفاهیم پایه سخت افزار کامپیوتر یادآوری می شود. اجزای سازمان کامپیوتر از جمله پردازنده، حافظه، دستگاه های I/O و دیسک مورد بررسی قرار می گیرند. نقش سیستم عامل و پردازنده در اجرای فرایندها شرح داده می شود. سیکل کاری فان نیومن در CPU به تفصیل تشریح شده و سازمان حافظه و سلسله مراتب آن معرفی می شود. تفاوت دستورالعمل، عبارات برنامه های سطح بالا، فرمان ها و فراخوان های سیستمی با چند مثال تشریح می گردد. 

سازمان کامپیوتر

در جلسه سوم سیستم عامل با عنوان «وقفه‌ها (Interrupts)، سرکشی و DMA»، مفاهیم پایه سخت افزاری مربوط به سرکشی و مقایسه آن با وقفه ها یادآوری می شود. وقفه های سخت افزاری و نرم افزاری و انواع هر کدام مورد بررسی قرار می گیرند. انواع وقفه های سخت افزاری (وقفه I/O، وقفه ساعت، وقفه خرابی ماشین، وقفه restart و ...) و انواع وقفه های نرم افزاری (فراخوان های سیستمی، استثناء ها و سیگنال ها) شرح داده می شود.  در مورد زمان پاسخ گویی به وقفه در سیکل فان نیومن مطالب مهمی ارائه شده و مراحل پردازش وقفه به تفصیل تشریح می شود. وقفه های تو در تو و نحوه پردازش آنها و اولویت وقفه ها مطالب بعدی بیان شده در این زمینه است. مطلب بعدی مورد بحث در این جلسه، مکانیسم دسترسی مستقیم به حافظه (DMA: Direct Memory Access) است.

وقفه‌ها (Interrupts)، سرکشی و DMA

در جلسه چهارم سیستم عامل دکتر حقیقت با عنوان «حفاظت در پردازنده»، مفاهیم پایه سخت افزاری مربوط به حفاظت در CPU که زیربنای برقراری امنیت در سیستم عامل و دنیای نرم افزار است ارائه می شود. پردازنده های قدیمی دو حالته (Dual-mode)، و پردازنده های مدرن چندحالته (Multi-mode) مورد بررسی قرار می گیرند. در پردازنده های دو حالته، مود هسته و مود کاربر و ویژگی های آنها تبیین می شود. همچنین دستورالعمل های معمولی در برابر دستورالعمل های ممتاز (Privilege) تشریح شده و مورد مقایسه قرار می گیرند. در ادامه انواع کارهای غیرمجاز در مود کاربر بررسی شده و مثال های متعددی برای آن ذکر می گردد. سپس سه مود میزبان (Host)، میهمان (Guest) و کاربر (User) در پردازنده های Multi-mode و کاربرد آنها در دنیای ماشین های مجازی (Virtual machine) مورد بررسی قرار می گیرند. نهایتاً حل تشریحی 4 تست کنکور ارشد کامپیوتر در این زمینه ارائه می شود.

حفاظت در پردازنده

در جلسه پنجم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد  آی تی و کنکور دکترای آی تی با عنوان «تک‌برنامگی، ساده و Spooling»، تاریخچه سیستم‌های عامل کامپیوترهای نسل اول و دوم ارائه می‌شود. داستان از نسل اول فاقد سیستم عامل شروع می‌شود و معایب آن، احساس نیاز به سیستم عامل را در ذهن تداعی می‌کند. در نسل دوم، قصه سیستم‌های عامل دسته‌ای ساده و مفاهیم مربوطه مثل مفهوم Job (کار)، Turn around time (زمان برگشت/کل)، JCL و غیره بیان می‌شود. معایب این سیستم‌ها از جمله آفلاین بودن، زمان برگشت بالا و اتلاف منابع، مخصوصاً CPU، باعث احساس نیاز به سیستم‌های Offline Spooling می‌شود. همچنین معایب سیستم‌های Offline Spooling مانند ارتباط آفلاین پردازنده با دستگاه‌های جانبی و اتلاف پردازنده و غیره باعث می‌شود سیستم‌های Online Spooling به وجود بیایند. در این سیستم‌ها چهار ابزار و مکانیم جدید وارد دنیای کامپیوترها می‌شود: دیسک، وقفه، کنترلرها و بافرها. نهایتاً معایب این سیستم‌ها از جمله ارتباط آفلاین با کاربر و اتلاف پردازنده در هنگام درخواست I/O  و خاتمه فرایند تشریح می‌شود که این اتلاف پردازنده، نیاز به چندبرنامگی (موضوع جلسه ششم) را در ذهن مهندسان طراح متجلی می‌سازد.

تک‌برنامگی (ساده و Spooling)

در جلسه ششم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی با عنوان «چندبرنامگی و اشتراک زمانی»، تاریخچه سیستم‌های عامل کامپیوترهای نسل سوم ارائه می‌شود. در سیستم‌های Online Spooling نسل دوم دیدیم که اتلاف پردازنده در هنگام درخواست I/O  و خاتمه فرایند مشکل ساز بود. در چندبرنامگی برای حل این مشکل، با قراردادن چند فرایند به طور همزمان در حافظه اصلی می‌کوشیم تا هرگاه یکی از آنها به خاطر درخواست I/O  یا خاتمه یافتن، CPU را رها کرد بلافاصله به فرایند آماده بعدی درون حافظه سوئیچ کنیم. در این جلسه علاوه بر سیستم‌های چندبرنامگی دسته‌ای به سیستم‌های چندبرنامگی اشتراک زمانی آنلاین و تعاملی نسل سوم نیز پرداخته می‌شود. کارهای محدود به I/O و محدود به CPU تعریف می‌شود و در مورد مفاهیمی مثل زمان پاسخ، کوانتوم زمانی، زمان‌بندی قبضه‌ای (Preemptive) و غیر قبضه‌ای (Non-preemptive) و غیره بحث می‌شود. در انتها چند تست کنکور مطرح شده و به صورت تشریحی حل می‌شود.

چندبرنامگی و اشتراک زمانی

در جلسه هفتم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی با عنوان «نسل چهارم و کامپیوترهای شخصی»، تاریخچه سیستم‌های عامل کامپیوترهای نسل چهارم ارائه می‌شود. ابتدا اهمیت و نقش کامپیوترهای شخصی مورد بحث قرار می‌گیرد. سپس سیستم‌های چندپردازشی، شبكه‌ای و توزيع‌شده بررسی می‌شوند. در ادامه، انواع سیستم‌های پردازش موازی شرح داده شده و مورد مقایسه قرار می‌گیرند. سپس سیستم‌های عامل شبكه‌ای مورد مطالعه قرار می‌گیرند. مشکلات سیستم عامل‌های شبکه‌ای ما را وارد دنیای سیستم های عامل توزیع شده و نیز عدم موفقیت آنها ما را به دنیای سیستم های توزیع شده می کشاند. سپس انواع مختلف سیستم‌های توزیع شده (محاسباتی، اطلاعاتی و فراگیر) شرح داده می‌شود. 5 نوع مهم از سیستم های توزیع شده محاسباتی، شامل خوشه‌ای، توری، ابری، مه و لبه‌ای بررسی و مقایسه می‌گردند. همچنین دو معماری سیستمی مشتری - سرویس دهنده و نظیر به نظیر مطرح شده و با یکدیگر مقایسه می‌شوند. در انتها سیستم های عامل بلادرنگ (Real-time OS) و سیستم های عامل تعبیه شده (Embedded OS) بررسی می‌گردند.

نسل چهارم و کامپیوترهای شخصی

در جلسه هشتم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی با عنوان «فرایندها و فایل‌ها»، دو مفهوم مهم از دنیای سیستم‌عامل، یعنی فرایندها و فایل‌ها مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. مفهوم وضعیت مطرح شده و سه وضیعت  در حال اجرا، آماده اجرا و مسدود معرفی می‌شوند. سپس تصویر حافظه (Core Image) فرایند متشکل از Text و Data و Heap و Stack شرح داده می‌شود. در ادامه، جدول فرایند، PCB و فیلدهای آن مورد بحث قرار می‌گیرند. شناسه فرایند (PID)، شناسه کاربر (UID) و شناسه گروه (GID) نیز معرفی می‌شوند. سپس مفاهیم مهمی مثل فایل، دایرکتری، نام مسیر مطلق و نام مسیر نسبی شرح داده می‌شوند. درخت واحد فایل‌ها و استفاده از مفهوم فایل برای ایجاد واسط یکسان برای دستگاه‌های I/O وسایر منابع از مطالب مهم بعدی این جلسه است. وحدت رویه UNIX در این که «همه چیز فایل است» این واسط یکسان را در نگاه به همه چیز به عنوان یک فایل (در قالب فایل) جستجو می‌کند. در انتها لوله (Pipe) به عنوان یک شبه فایل معرفی ‌می‌شود. ارتباط بین فرایندها از طریق لوله به راحتی انجام می‌شود، چون کار با فایل ساده است.

فرایندها و فایل‌ها

در جلسه نهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی با عنوان «فراخوان‌های سیستمی، ایجاد و اداره فرایندها»، مفاهیم مهمی از دنیای سیستم‌عامل، مانند فراخوان‌های سیستمی، APIها و تفاوت آن با System Callها، نقش کامپایلرها و مفسرها و سیستم‌های زمان اجرا (RTE) و واسط‌های فراخوان‌های سیستمی با جزئیات مربوطه و همراه با چندین مثال واقعی مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. سپس به‌کارگیری فراخوان‌های سیستمي توسط پوسته (مفسر فرمان) با چندمثال واقعی و به کمک شکل شرح داده می‌شود. در ادامه لیست فراخوان‌های سیستمی UNIX بر اساس استاندارد IEEE POSIX (در 6 گروه) آمده است. پس از آشنا شدن با عملکرد این 6 دسته از فراخوان‌های سیستمی نوبت به یادگیری عمیق و دقیق چهار مورد از آنها می‌رسد که در کنکور بسیار مهم و پرتکرار هستند، یعنی fork و exit و wait (یا waitpid) و exec (یا execve) که باجزئیات کامل به همراه چندین مثال ملموس مفصلاً شرح داده می‌شوند. در هنگام تشریح عملکرد فراخوان‌های سیستمی exit و waitpid، دو مفهوم مهم فرایندهای یتیم (Orphan)  و فرایندهای زامبی (Zombie) معرفی و دلایل پیدایش آنها شرح داده می‌شود. سپس چند مثال‌ برنامه‌نویسی از جمله معرفی یک پوسته برای درک بهتر عملکرد fork و exit و wait (یا waitpid) و exec (یا execve) مطرح و به طور کاملاً مفصل شرح داده می‌شود. در انتها 5 تست کنکور کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات برای درک مفاهیم مطرح شده در این جلسه مطرح شده و حل تشریحی آن ارائه می‌شود.

فراخوان‌های سیستمی، ایجاد و اداره فرایندها

در جلسه دهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی با عنوان «ساختار سیستم‌عامل»، مفاهیم مربوط به ساختارهای مختلف و معماری‌های نرم‌افزاری مهم سیستم‌عامل‌ها به تفصیل و با جزئیات مربوطه و همراه با چندین مثال واقعی مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. ابتدا در مورد چرایی ساختار صحبت می‌شود. سپس ساختار بی ساختار یکپارچه (Monolithic) ارائه می‌شود و در این ساختار، مراحل انجام يک درخواست از هسته با يک تله (فراخوان سيستمی) به تفصیل مورد بحث قرار داده می‌شود. بعد از آن مزایا و معایب ساختار یکپارچه مطرح شده و گفته می‌شود که چگونه برای رفع معایب آن، مفهوم معماری نرم‌افزار و ساختارهای بعدی به وجود می‌آیند. سپس ساختار لایه‌ای ارائه می‌شود و بعد از آن مزایا و معایب ساختار لایه‌ای مطرح می‌شود. پس از آن ساختار ریزهسته (Micro-Kernel) ارائه می‌شود و در ادامه، مزایا و معایب ساختار ریزهسته مطرح می‌شود. در انتها 3 تست کنکور کارشناسی ارشد برای درک مفاهیم مطرح شده در این جلسه مطرح شده و پاسخ تشریحی آن ارائه می‌شود.

ساختار سیستم‌عامل

در جلسه یازدهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی با عنوان «ماشین مجازی»، مفاهیم مربوط به ساختار ماشین‌های مجازیبه تفصیل و با جزئیات مربوطه و همراه با چندین مثال واقعی مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. ابتدا درباره چرایی ماشین‌های مجازی و تاریخچه آن که به VM370 شرکت IBM در دهه 1970 برمی‌گردد، صحبت می‌شود. مفهوم مانيتور یا مدیر ماشين مجازی(VMM: Virtual Machine Monitor/Manager) یا همان Hypervisor مطرح و تشریح می‌گردد.در مورد فراخوان‌های سیستمی و تله‌ها و علت کندی تله‌ها صحبت می‌شود و این داستان تشریح می‌شود که از آنجا كه اين تله های كُند مكرر، سرعت مجازی سازی را به شدت پایين می‌آورد، بالاخره اينتل در سال 2004 پردازنده‌های پنتيوم multi-mode با سه مود host ،guest و user را جايگزين پردازنده‌های پنتيوم dual-mode با دو مود kernel و user كرد تا مشکل سرعت مجازی‌سازی تا حد زیادی حل شود. سپس انواع مجازی‌سازی (Virtualization) شامل Type 0 Hypervisor و Type 1 Hypervisor و Type 2 Hypervisor تعریف شده و به تفصیل با مثال‌های متعدد شرح داده می‌شوند و وظایف و مزایا و معایب هر کدام بیان می‌گردد سپس در باره پارا-مجازی‌سازی (Para-virtualization) بحث می‌شود و کاربرد آن ارائه می‌شود. در ادامه مجازی سازی محيط برنامه‌نویسی (Programming-environment Virtualization) با چند مثال تشریح می‌شود. بعد از آن در مورد برابرسازی یا همانندسازی (Emulation) و شباهت و اختلافش با virtualization بحث می‌شود و چند مثال در مورد آن شرح داده می‌شود. بحث آخر این جلسه به جداسازی و بازداری برنامه‌های کاربردی (Application Containment) و مزایا و کاربردهای آن با ذکر چند مثال کاربردی مدرن تعلق دارد. در انتها یک تست کنکور کارشناسی ارشد برای درک مفاهیم ذکر شده در این جلسه مطرح شده و پاسخ تشریحی آن ارائه می‌شود.

ماشین مجازی

در جلسه دوازدهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی با عنوان «وضعیت فرایندها»، فصل سوم سیستم عامل با عنوان «فرایندها، نخ‌ها و زمان‌بندی پردازنده» آغاز می‌شود. در این جلسه به مفاهیم مهمی در باره ایجاد و مرگ فرایندها به اشکال مختلف اشاره می‌شود و مفاهیمی مانند فرایند Orphan  (یتیم) و Zombie شرح داده می‌شود. در ادامه، انواع زمان‌بندی و سطوح آن شامل 1) زمان‌بند پذيرش (Admission Scheduler) یا زمان‌بند سطح بالا یا بلندمدت یا زمان‌بند كار (Job scheduler) 2) زمان‌بند حافظه (Memory Scheduler)یا زمان‌بند سطح ميانی یا ميان‌مدت یا مبادله‌كننده (Swapper) 3) زمان‌بند CPU یا CPU Scheduler یا زمان‌بند سطح پايين یا كوتاه مدت، یا زمان‌بند فرايند (Process Scheduler) يا زمان‌بند اعزام‌كننده (Dispatcher Scheduler) به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد و همچنین به زمان‌بندهای I/O اشاره می‌شود. پس از این مقدمات، به داستان اصلی این جلسه یعنی وضعیت های فرايندها پرداخته می‌شود. این موضوع مهم که تست‌های زیادی از آن در کنکور آمده است، بسیار پایه‌ای و اساسی است و یادگیری آن کمک زیادی به فهم سیستم عامل می‌کند. ابتدا پنج حالت یا وضعیت برای هر فرايند شرح داده می‌شود: 1) ايجاد يا جديد (New) 2) در حال اجرا (Running)، 3) آماده (Ready) 4) بلوكه‌شده یا مسدود (Blocked) يا منتظر (Waiting) يا خوابيده (Asleep) 5) خروج يا خاتمه (Terminated). سپس در مورد مبادله به ديسک که فرایند موقتا از حافظه به ديسک برده شده (Swap out) و هرگاه نزديک زمان اعزام آن باشد دوباره به حافظه اصلی برگردانده می‌شود (Swap in) و حالت معلق (Suspend)يا مبادله شده (Swapped) صحبت می‌شود. آنگاه دو وضعیت جدید آماده معلق (Suspend Ready) یا آماده مبادله شده (Swapped Ready) و مسدود معلق (Suspend Blocked) یا مسدود مبادله شده (Swapped  Blocked) مورد بحث و بررسی قرا می‌گیرد. بعد از آن مراحل تعوض فرایند (Process Switch) یا تعویض متن (Context Switch) به تفصیل و با جزئیات بسیار ریزتر از همه مراجع و منابع مورد بررسی قرار می‌گیرد. در انتها 6 تست کنکور کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر و مهندسی فناوری اطلاعات برای درک مفاهیم ذکر شده در این جلسه مطرح شده و پاسخ تشریحی آن ارائه می‌شود.

وضعیت فرایندها

در جلسه سیزدهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل سوم سیستم عامل با عنوان «نخ‌ها و همروندی» ارائه می‌شود. در این جلسه در مورد چیستی ریسه یا ریسمان یا نخ (Thread)، چرایی چندنخی (Multithreading)، مزایا و اهداف چندنخی و کاربردهای آن به تفصیل بحث و گفتگو می‌شود. همچنین در مورد درجه دانه‌بندی چندنخی مطالب مفیدی مطرح می‌گردد. توازی و انواع آن نیز از مطالب دیگری است که در این جلسه در مورد آن بحث می‌شود.

نخ‌ها و همروندی

در جلسه چهاردهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه مبحث چندنخی (Multithreading) از فصل سوم سیستم عامل با عنوان «انواع مدل‌های پیاده‌سازی چندنخی» ارائه می‌شود. در این جلسه در مورد سه روش پیاده‌سازی و اداره نخ‌ها : 1) نخ‌های سطح كاربر یا مدل چند به یک یا Many-to-one (ساختن بسته نخ به صورت یک کتابخانه نخ، Thread Library، کاملاً در مُد کاربر در قالب Runtime system اجرا مي‌شود) 2) نخ‌های سطح هسته یا مدل یک به یک یا One-to-One (توابع اداره نخ در هسته به صورت فراخوان سیستمی، یا تله، پیاده می‌شود)  3) نخ‌های تركیبی یا مدل چند به چند یا many-to-many (روش‌هایی که از ترکیب هسته و سیستم زمان اجرا در سطح کاربر برای اداره نخ‌ها استفاده می‌کنند) به طور مفصل بحث و گفتگو می‌شود. همچنین در مورد LWP (Light Weight Process)  و مزایای آن و نیز نحوه پیاده‌سازی LWPها به طور مفصل صحبت می‌شود. تکنیک‌های مهم این مبحث مانند Scheduler Activation و Upcall ها به طور مفصل مورد بحث قرار می‌گیرد. همچنین در مورد چندنخی سنکرون (Synchronous Multithreading) و چندنخی آسنکرون (Asynchronous Multithreading) و مقایسه آنها با هم صحبت می‌شود. در انتها در مورد سه كتابخانه اصلی نخ شامل POSIX Pthreads و كتابخانه نخ سطح هسته در Windows و نیز كتابخانه نخ جاوا سخن به میان می‌آید. همچنین یک نمونه برنامه Join-fork با استفاده از كتابخانه نخ POSIX Pthreads ارائه و تشریح می‌شود.

انواع مدل‌های پیاده‌سازی چندنخی

در جلسه پانزدهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه مبحث چندنخی (Multithreading) از فصل سوم سیستم عامل با عنوان «چندنخی ضمنی» ارائه می‌شود. وجه مشترک تمامی روش‌های چندنخی ضمنی این است که برنامه‌نویسان کافی است Taskهایی با قابلیت توازی را شناسایی نمایند (نه نخ‌ها). این کار معمولاً با مدل چند به چند انجام می‌شود. برنامه‌نویسان هر task (نخ سطح کاربر) را به صورت یک function جدا می‌نویسند و کتابخانه زمان اجرا آنها را به نخ‌ها (سطح هسته) نگاشت می‌کند. در این جلسه پنج روش مهم طراحی کاربردهای چندنخی در پردازنده‌های چندهسته‌ای با چندنخی ضمنی با جزئیات کامل و نکات تستی مورد بحثو بررسی قرار می‌گیرند: (1) حوضچه‌های (استخرهای) نخ (Thread Pools) (2) Fork Join که نسخه سنکرون thread pool است (3) OpenMP که مجموعه‌ای از دستورات (directives) کامپایلری مانند APIها برای برنامه‌نویسی موازی در محیط‌هایی با حافظه مشترک (Shared Memory) به زبانC ،C++ یا فرترن است. (4) اعزام بزرگ مرکزی (GCD: Grand Central Dispatch) شرکت Apple و (5) بلوک‌های ساختمانی نخ (TBB: Thread Building Blocks) شرکت Intel. بعد از شرح کامل این 5 روش، 10 تست کنکور کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات از مبحث چندنخی مطرح شده و حل کاملاً تشریحی آنها با جزئیات کامل ارائه می‌شود.

چندنخی ضمنی

در جلسه شانزدهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، آغاز بخش زمان‌بندی از فصل سوم سیستم عامل با عنوان «زمان‌بندی دسته‌ای» ارائه می‌شود. ابتدا الگوریتم‌های زمان‌بندی به 3 گروه 3) دسته‌ای 2)تعاملی (محاوره‌ای) 3) بلادرنگ تقسیم می‌شوند. سپس اهداف و معیارهای زمان‌بندی این گروه‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرند. سپس الگوریتم‌های زمان‌بندی FCFS (First Come First Serve) یا FIFO و SJF (Shortest Job First) و SRT  (Shortest Remaining Time) و PR (Priority Scheduling) و HRRN (Highest Response Ratio Next) با جزئیات کامل و کاربردها و ویژگی‌ها و مزایا و معایب شان شرح داده می‌شود. برای این الگوریتم‌ها 5 تست که یک مورد آن تألیفی و 4 مورد آن تست کنکور کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر و کنکور کارشناسی ارشد فناوری اطلاعات است مطرح شده و حل تشریحی آن ارائه می‌شود.


زمان‌بندی دسته‌ای

در جلسه هفدهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه بخش زمان‌بندی از فصل سوم سیستم عامل با عنوان «زمان‌بندی تعاملی (1)» ارائه می‌شود. ابتدا الگوریتم‌ زمان‌بندی RR (Round Robin) با جزئیات کامل و کاربردها و ویژگی‌ها و مزایا و معایب شان شرح داده می‌شود. پس از آن معیارهای انتخاب اندازه کوانتوم بیان می‌شود و در ادامه روش حل انواع مسائل RR با کوانتوم بسیار کوچک (روش اشتراک پردازنده) و کوانتوم معمولی و کوانتوم بزرگ مطرح و شرح داده می‌شود. همچنین روایط مهمی در مورد حداکثر زمان پاسخ، حداکثر زمان انتظار و بهره‌وری پردازنده در الگوریتم RR مطرح و تشریح می‌شود. سپس زمان‌بندی اولویت (Priority Scheduling)  مطرح و 8 مکانیسم اولویت متفاوت شرح داده می‌شود. همچنین برای این الگوریتم‌ها 5 تست تألیفی و کنکور مطرح شده و حل تشریحی آن ارائه می‌شود.


زمان‌بندی تعاملی (1)

در جلسه هجدهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه بخش زمان‌بندی از فصل سوم سیستم عامل با عنوان «زمان‌بندی تعاملی (2)» ارائه می‌شود. ابتدا الگوریتم‌ زمان‌بندی صف‌های چندسطحی بازخوردی (MLFQ: Multi-Level Feedback Queues) با جزئیات کامل و کاربردها و ویژگی‌ها و مزایا و معایب شان شرح داده می‌شود. سپس زمان‌بندی بخت‌آزمایی (Lottery Scheduling)  مطرح و شرح داده می‌شود. سپس زمان‌بندی سهم عادلانه (FSS: Fair-Share Scheduling) و همچنین سهم عادلانه وزن‌دار (WFSS: Weighted Fair-Share scheduling) شرح داده می‌شود. برای این الگوریتم‌ها  دو تست کنکور مطرح شده و حل تشریحی آن ارائه می‌شود.


زمان‌بندی تعاملی (2)

در جلسه نوزدهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه بخش زمان‌بندی از فصل سوم سیستم عامل با عنوان «زمان‌بندی بی‌درنگ (Real-time)» ارائه می‌شود. ابتدا  مفهوم مهلت (Deadline) یادآوری می‌شود و بعد از آن سيستم‌های بلادرنگ به دو گروه تقسيم می‌شوند: 1) بلادرنگ سخت (Hard Real-Time) که برای هر task يک مهلت مطلق وجود دارد كه در آن مهلت زمانی يا پاسخ داده می‌شود يا هيچ. 2) بلادرنگ نرم (Soft Real-Time) که اگر هر از چندگاهی، پاسخ در مهلت زمانی مقرر داده نشود، نامطلوب، اما قابل تحمل است. سپس شرط قابل زمان‌بندی بودن یک سيستم بی‌درنگ متناوب مطرح و رابطه ریاضی آن برای حل مسائل مربوطه شرح داده می‌شود و دو مثال مسئله‌ای برای آن حل می‌شود. سپس الگوریتم زمان‌بندی نرخ یکنواخت (Rate Monotonic) به طور دقیق شرح داده می‌شود و چندین نکته کنکوری در مورد آن مطرح و دو تست (مسئله‌ای) مهم برای آن حل می‌شود. پس از آن الگوریتم زمان‌بندی ابتدا زودترین مهلت (EDF: Earlieat Deadline First) با جزئیات و نکات مهم کنکوری توضیح داده می‌شود و یک تست (مسئله‌ای) مهم برای آن حل می‌شود. در انتها مفهوم سستی (Laxity) تعریف شده و تفاوت آن با مهلت شرح داده می‌شود و الگوریتم زمان‌بندی ابتدا كمترین سستی (LLF: Least Laxity First) مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد.

زمان‌بندی بی‌درنگ (Real-time)

در جلسه بیستم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، آخرین بخش از فصل سوم سیستم عامل با عنوان «زمان‌بندی چندنخی و چندپردازنده» ارائه می‌شود. هنگامی كه چندين فرايند وجود دارد كه هر كدام از چندين نخ تشکيل مي‌شوند، ما با دو سطح از توازی رو به رو هستيم: فرايندها و نخ‌ها. در این خصوص زمان‌بندی نخ‌ها درون زمان‌بندی فرایندها از اهمیت به سزایی برخوردار است. در این جلسه، ابتدا زمان‌بندی نخ‌های سطح كاربر و سپس زمان‌بندی نخ‌های سطح هسته مورد بحث قرار می‌گیرد. همچنین یک تست مسئله‌ای مهم کنکور در این زمینه مطرح و به چندین روش تشریحی و تستی حل می‌شود. سپس زمان‌بندی در سیستم‌های چندپردازنده، چندهسته‌ای و هسته‌های چندنخی مطرح و به طور مفصل شرح داده می‌شود.

زمان‌بندی چندنخی و چندپردازنده

در جلسه بیست و یکم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، فصل مهم چهارم سیستم عامل با عنوان «همروندی، انحصار متقابل و همگام‌سازی» آغاز می‌شود. هدف از این جلسه تعریف دقیق سه مسئله و مشکل اساسی است که در مبحث ارتباط بین فرایندها و هماهنگی و همگام‌سازی بین فرایندها با آن مسائل رو به رو می‌شویم.  در ایم جلسه خواهیم دید که ارتباط بين فرايندها (IPC: InterProcess Communication)، سه جنبه مهم طراحي دارد: 1) تبادل داده بين فرايندها (Data Communication) که خود با چندين مكانيسم مختلف می‌تواند انجام شود: الف) حافظه مشترک ب) تبادل پيام ج) لوله (نوعی شبه فايل در UNIX) د) فايل مشترک 2) همگام‌سازی (Synchronization) فرايندها  3) رقابت (مسابقه) فرايندها (Race Condition).  همگام‌سازی فرايندها به اين موضوع اشاره دارد كه هنگامی كه وابستگی وجود دارد، ترتيب درست انجام كارها اهميت پيدا می‌كند. در واقع همگام‌سازی به اين معناست كه همه مؤلفه‌های همكار، دقيقاً به صورت هماهنگ و به‌جا و به‌موقع عمل كنند و نوعی‌ هارمونی‌ در رفتار گروهی مشاهده شود و از يكديگر پيشی نگيرند. شرايط رقابتی (Race Condition) به اين بحث مربوط می‌شود كه چه كنيم تا مطمئن شويم كه دو يا چند فرايند به صورت همزمان سراغ منابع مشترک (مانند يك سطر از يک جدول مشترک) نروند ودر فعاليت‌های بحرانی يكديگر برخورد يا مداخله نكنند و دچار شرايط رقابتی (Race Condition) نشوند. ابتدا با 3 مثال کامل و دقیق این سه مسئله به طور کامل مورد بحث و بررسی دقیق قرار می‌گیرند. همچنین مفاهیم مهمی مثل بن‌بست و قحطی در مسائل این فصل تعریف و مورد بررسی قرار می‌گیرند. همچنین مفاهیم منبع بحرانی (Critical Resource)، ناحيه بحرانی (Critical Resource) یا  قسمت بحرانی (Critical Section)، شرايط رقابتی (Race Condition)، برخورد یا مداخله  (conflict) یا در هم قفلی (Interlock) و انحصار متقابل (Mutual Exclusion) دقیقاً در این سه مثال تعریف شده و با یکدیگر مقایسه می‌شود. سپس هفت شرط یک راه حل خوب انحصار متقابل معرفی و تشریح می‌شوند: 1) شرط انحصار متقابل (Mutual Exclusion) : در هر لحظه تنها يك فرايند مجاز است در ناحيه بحرانی خود باشد. 2) شرط پيشرفت (Progress) : فرايندی كه در ناحيه بحرانی به سر نمی‌برد و فعلاً قصد ورود به ناحيه بحرانی را ندارد نبايد مانع از ورود فرايندهای ديگر به ناحيه بحرانی شود. 3) شرط انتظار محدود (Bounded Waiting) : فرايندهايی كه نياز به ورود به ناحيه بحرانی دارند بايد مدت انتظارشان محدود باشد، يعنی نبايد دچار قحطی يا بن‌بست شوند. 4) شرط عموميت (Generality ): نبايد هيچ فرض ساده‌كننده‌ای در مورد سرعت نسبی و تعداد فرايندها، سرعت و تعداد CPUها... و داشته باشيم (مسئله را درشرايط كلی حل كنيم). 5) شرط قطعی (Deterministic) بودن: الگوريتم غيرقطعی و تصادفی نباشد. 6) شرط يک بار ورود: هر فرايندی كه مجوز ورود به ناحيه بحرانی را دريافت می‌كند، فقط يک بار وارد شده و به مدت محدود در ناحيه بحرانی می‌ماند. 7) شرط ورود فوری: هنگامی كه هيچ فرايندی در ناحيه بحرانی نيست، فرايند متقاضی ورود به ناحيه بحرانی بايد فوراً و بدون تأخير وارد شود. همچنین در این جلسه گفته می‌شود که دو راه برای انتظار وجود دارد: 1) انتظار مشغول (Busy Waiting) 2) مسدود شدن (Blocking). در انتها راه‌حل‌های انحصار متقابل به چهار دسته تقسيم می‌شود: 1) رويكردهای نرم‌افزاری (مثل راه حلِ دِكر و پيترسون) 2) رويكردهای سخت‌افزاری (مثل از كار انداختن وقفه‌ها و TSL و SWAP) 3) رويكردهای سيستم‌عاملی (مثل سمافور و تبادل پيام) 4) رويكردهای كامپايلری (مثل مانيتور). همچنین 3 تست کنکور ارشد و دکترای مهندسی کامپیوتر در خصوص مسائل بحث شده در این جلسه مطرح و حل کاملاً تشریحی آن ارائه می‌شود.

همروندی: ارتباط، شرایط رقابتی و همگام‌سازی

در جلسه بیست و دوم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل مهم چهارم سیستم عامل با عنوان «همروندی، انحصار متقابل و همگام‌سازی» ارائه می‌شود. هدف از این جلسه بحث و بررسی چند رویکرد نرم‌افزاری انحصار متقابل است.  پیشنهادات یا راه حل‌های نرم‌افزاری زیر یک یه یک با کد برنامه شرح داده می‌شود و مزایا و معایب آنها ارائه می‌شود و تمامی شروط هفت گانه راه حل‌های خوب در مورد تک تک آنها مورد بررسی قرار می‌گیرد. راه خل‌های بررسی شده در این جلسه عبارتند از: 1) پيشنهاد متغيرهای قفل 2) اولين تلاش: تناوب قطعی (Strict Alternation) 3) دومين تلاش 4) سومین تلاش 5) چهارمین تلاش 6) راه حل صحيح Deckerپ س از چهار تلاش ناموفق. همچنین یک تست کنکور ارشد مهندسی کامپیوتر در خصوص مسائل بحث شده در این جلسه مطرح و حل کاملاً تشریحی آن ارائه می‌شود.

انحصار متقابل: رویکردهای نرم‌افزاری

در جلسه بیست و سوم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل مهم چهارم سیستم عامل با عنوان «انحصار متقابل: راه حل پیترسون» ارائه می‌شود. هدف از این جلسه بحث و بررسی رویکرد نرم‌افزاری پیترسون برای ایجاد انحصار متقابل است.  ابتدا این راه حل‌های نرم‌افزاری با کد برنامه شرح داده می‌شود (و خط به خط در جندین سناریو مختلف Trace می‌شود) و مزایا و معایب آن ارائه می‌شود و تمامی شروط هفت گانه راه حل‌های خوب در مورد آن مورد بررسی قرار می‌گیرد. در انتها 2 تست کنکور ارشد مهندسی کامپیوتر در خصوص این راه حل مطرح شده و حل کاملاً تشریحی آنها ارائه می‌شود.

انحصار متقابل: راه حل پیترسون

در جلسه بیست و چهارم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل مهم چهارم سیستم عامل با عنوان «انحصار متقابل:  رویکردهای سخت‌افزاری» ارائه می‌شود. هدف از این جلسه بحث و بررسی رویکردهای سخت‌افزاری ازکار انداختن وقفه‌ها، TSL و Swap برای ایجاد انحصار متقابل است. ابتدا روش از کار انداختن وقفه‌ها مطرح و نقاط قوت و ضعف و محدودیت‌های آن در مود کاربر و در سیستم‌های چندپردازنده شرح داده می‌شود. سپس راه حل‌های TSL: Test-and-set با کد برنامه اسمبلی آن شرح داده می‌شود (و خط به خط در جندین سناریو مختلف Trace می‌شود) و مزایا و معایب آن ارائه می‌شود و تمامی شروط هفت گانه راه حل‌های خوب در مورد آن مورد بررسی قرار می‌گیرد. سپس دستورالعمل Swap به عنوان جایگزین TSL شرح داده می‌شود.

انحصار متقابل: رویکردهای سخت‌افزاری

در جلسه بیست و پنجم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل مهم چهارم سیستم عامل با عنوان «رویکردهای خوابیدن و بیدار کردن (Sleep and Wakeup)» ارائه می‌شود. در تمامی راه‌حل‌های درست نرم‌افزاری مانند Decker و Peterson و نيز در راه‌حل‌های درست سخت‌افزاری مبتنی بر دستورالعمل‌های TSL يا SWAP،مشكل مشترکی به نام انتظار مشغول (Busy waiting) وجود دارد. انتظار مشغول دو نقطه ضعف اساسی دارد: 1) مشكل اتلاف CPU و 2) مشكل اولويت معكوس (Priority Inversion Problem). در این جلسه ابتدا ضمن تشریح دقیق این دو مشکل، با ذکر مثال، علت نیاز مبرم به رویکردهای خوابیدن و بیدار کردن (Sleep and Wakeup) بیان می‌شود. سپس مسئله مهم همگام‌سازی توليدكننده - مصرف كننده (Producer- Consumer) که حدود 10 بار خودش یا تغییریافته‌اش در کنکور آمده است، مطرح و با استفاده از زوج اولیه‌های  sleep و Wakeup یک راه‌حل ابتدایی برای آن ارائه و شبه‌کد آن خط به خط تشریح و با سناریوهای مختلف Trace می‌شود و دو مشکل بن‌بست و یک مشکل رقابت بر سر شمارنده مشترک در آن مطرح می‌شود. سپس در این باره بحث می‌شود که ريشه مشكل بن‌بست در این مسئله در  اين است كه سيگنال wakeup ارسال شده برای فرايندی كه (هنوز) نخوابيده است، از بين می‌رود و اگر این سيگنال هدر نمی‌رفت، همه چيز درست كار می‌كرد. سپس به عنوان یک راه حل پیشنهاد می‌شود که به ازای هر فرايند، يک بیت انتظار بیداری (Wakeup Waiting Bit) در داخل هسته به این صحنه اضافه شود. در انتها نشان داده خواهد شد که نویسنده بزرگ دنیا یعنی تننباوم در مورد صحت بیت انتظار بیداری برای این دو فرایند اشتباه کرده است و این روش اصولاً غلط است. در هر صورت فهمیدن مفهوم بیت انتظار بیداری و ایده ذخیره کردن سیگنال‎های Wakeup ی که می‌خواهند هدر بروند، کمک بسیاری به فهمیدن سمافور در جلسه بعدی می‌کند که مهم‌ترین مبحث فصل 4 است (هم از نظر عمق مطلب، هم از دیدگاه زیبایی، هم از لحاظ نرخ تکرار در کنکور و هم از دید کاربرد در عمل).

رویکردهای خوابیدن و بیدار کردن (Sleep and Wakeup)

در جلسه بیست و ششم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل مهم چهارم سیستم عامل با عنوان «سمافور (Semaphore)» ارائه می‌شود. سمافور مهم‌ترین مبحث فصل 4 است (هم از نظر عمق مطلب، هم از دیدگاه زیبایی، هم از لحاظ نرخ تکرار در کنکور و هم از دید کاربرد در عمل). ديديم كه راه‌حل‌های نرم‌افزاری و سخت افزاری مشكلات و نقاط ضعف متعددی دارند كه نمی‌توان آنها را ناديده گرفت. از طرفی، اولیه‌های ساده sleep و wakeup نيز از عهده حل مشكل بر نمی‌آيند. در این جلسه ابتدا به این موضوع پرداخته می‌شود که سمافور چیست و چرا سمافور؟ پس از تعریف دقیق سمافور و علت پیایش و ایده اصلی آن، اولیه‌های اتمی down (wait/P) و up (signal/V) با شبه کد مربوطه دقیقاً شرح داده می‌شوند. سپس با یک مثال زیبا و سناریویی خاص، نحوه کار با سمافور و اولیه‌های آن به سادگی آموزش داده می‌شود. سپس در این باب خن به میان می‌آید که كاربران می‌توانند در برنامه‌های خود فقط سه عمل بر روی سمافور انجام دهند: 1) تعريف سمافور و مقداردهی اوليه به شمارنده آن 2) اجرای فراخوان سيستمی (اوليه) downروی آن 3) اجرای فراخوان سيستمی (اوليه) up روی آن. سپس انحصار متقابل با استفاده از سمافورها مورد بحث و بررسی عمیق و دقیق قرار می‌گیرد و سمافور باینری mutex با جزئیات کامل شرح داده می‌شود و راه حل مسئله خط به خط نوشته شده و تشریح و سپس در یک سناریوی دقیق، Trace می‌شود. آنگاه در یک جدول مقایسه‌ای، سمافور با روش‌های پیترسون و TSL مقایسه می‌شود. سپس چند نکته مهم کنکوری در باره سمافور گفته شده و در انتها سمافور شمارشی مثبت و منفی و تفاوت آن با سمافور شمارشی غیر منفی تعریف و شبه‌کد اولیه‌های up و down مربوطه نوشته شده و بعد از آن کاربرد آن در حل مسئله انحصار متقابل  مورد بحث و بررسی عمیق و دقیق قرار می‌گیرد و راه حل مسئله خط به خط نوشته و تشریح شده و سپس در یک سناریوی دقیق، Trace می‌شود. سپس شبه‌کد اولیه‌های up و down سمافور ذاتاً باینری نوشته شده  و شرح داده می‌شود. آخرین مبحث این جلسه، پياده‌سازی down و up به شكل اتمی در دو نوع سیستم تک‌پردازنده و چندپردازنده است.

سمافور (Semaphore)

در جلسه بیست و هفتم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل مهم چهارم سیستم عامل با عنوان «همگام‌سازی با استفاده از سمافورها» ارائه می‌شود. ديديم كه سمافور يک راه حل تقريباً بی‌نقص برای انحصار متقابل است. اما قدرت سمافور به اين مسئله ساده! محدود نمی‌شود. در این جلسه توانايی سمافور را در حل مسائل گوناگون همگام‌سازی (Synchronization Problems) خواهيد ديد و به قدرت اين ابزار پي خواهيد برد. ابتدا مسئله توليدكننده ـ مصرف‌كننده (Producer Consumer Problem) با استفاده از سمافور حل می‌شود. سپس مسئله غذا خوردن فيلسوف‌ها (Dining Philosophers Problem) مطرح شده و سه راه حل مبتدیانه با مشکلات بن‌بست، Livelock و قطحی و نیز کارایی پایین ارائه می‌شود. سپس راه‌حل بی‌نقص این مسئله با استفاده از آرایه‌ای از سمافورها ارائه و تشریح می‌گردد.

همگام‌سازی با استفاده از سمافورها

در جلسه بیست و هشتم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل مهم چهارم سیستم عامل با عنوان «مانیتور» ارائه می‌شود. در جلسه قبل مشاهده كرديم که همگام‌سازی فرايندها باسمافور پيچيده است و اگر برنامه‌نويس دقت نكند، خطرناک خواهد  بود. مشكل تعويض جای دو down در كد برنامه توليدكننده باعث وقوع بن‌بست می‌شود. در واقع، بايد بگوييم كه تنها مشكل سمافور در سيستمی كه حافظه مشترک دارد، پيچيدگی استفاده از آن در حل مسائل سخت همگام‌سازی است. برای ساده‌تر شدن برنامه‌نويسی، Brinch Hansen در سال 1973 و Hoare در سال 1374 يک ابزار سطح بالاتر، انتزاعی‌تر و راحت‌تر برای همگام‌سازی به نام مانيتور (Monitor) ابداع كردند. اين ابزار اوليه در عين سادگی بسيار قوی و منعطف است. مانیتور يک راه حل مبتنی بر زبان برنامه‌سازی (مبتنی بر کامپايلر) است و با تمامی روش‌های قبلی متفاوت است. در این جلسه ابتدا مانیتور تعریف می‌شود و پس از آن مانيتور دو خاصيت مهم آن یعنی 1) محصورسازی (Encapsulation) و 2) انحصار متقابل (Mutual Exclusion) ويژه مانيتور شرح داده می‌شود.  سپس متغیرهای شرطی و کاربرد آنها و wait و  Signal روی Conditionها مورد بررسی قرار می‌گیرد. آنگاه سه راهکار برای پرهيز از فعاليت همزمان دو فرايند  درون يک مانيتور شرح داده می‌شود. در انتها به حل مسئله تولیدكننده-مصرف‌كننده به كمك مانیتور پرداخته می‌شود.

مانیتور

در جلسه بیست و نهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، آخرین بخش فصل مهم چهارم سیستم عامل با عنوان «تبادل پیام» ارائه می‌شود. از مطالب قبلی می‌توان چنين نتيجه گيری كرد كه سمافورها خيلی سطح پايين هستند و استفاده از مانيتورها منوط به پشتيبانی كامپايلر زبان برنامه‌نويسی است. همچنين هيچ يک از اين اولیه‌ها برای تبادل اطلاعات، انحصار متقابل و همگام‌سازی بين ماشين‌ها تهيه نشده‌ است، چون بين آنها حافظه مشترک وجود ندارد. بنابراين به مكانيسم ديگری به نام تبادل پيام (Message Passing) نياز خواهيم داشت. تبادل پيام بين فرايندها با سه هدف به كار می‌روند: 1) تبادل داده 2) انحصار متقابل 3) همگام‌سازی. در این جلسه پس از معرفی اولیه‌های Send و Receive، نکات مهم سیستم‌های تبادل پیام ارائه می‌شود. سپس پیام‌ها از چندین منظر طبقه‌بندی می‌شوند: از منظر بافركردن (Buffering)، ماندگاری (Persistence)، نظام صف بندی (Queueing)، آدرس‌دهی (Addressing) و نامگذاری (Naming) و شفافيت (Transparency)، قابليت اطمينان (Reliability)، امنيت (Security)، كارايی (Performance)، قالب‌بندی (framing)، مسدودكردن (Blocking) و همگام‌سازی (Synchronization) و نیز از منظر سادگی (Simplicity). بعد از آن روش قرار ملاقات (Rendezvous) معرفی می‌شود. در انتها حل مسئله توليدكننده-مصرف‌كننده با تبادل پيام ارائه شده و شبه‌کد مربوطه شرح داده می‌شود.

تبادل پیام

در جلسه سی‌ام سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، فصل مهم پنجم سیستم عامل با عنوان «بن‌بست» آغاز می‌شود. بن‌بست سیکل انتظار ابدی فرایندها است. در این جلسه ابتدا به طور رسمی بن‌بست تعریف می‌شود. سپس انواع بن‌بست (بن‌بست منابع، بن‌بست ارتباطی و بن‌بست ترکیبی) مطرح و تشریح می‌شوند. سپس موضوع این فصل یعنی بن‌بست منابع با جزئیات دقیق تعریف می‌شود. بعد از آن، شرایط لازم و کافی بن‌بست منابع از دید Coffman و همکارانش (1971) ارائه و تشریح می‌شود: 1) شرط انحصار متقابل (Mutual Exclusion) یا دوبه‌دو ناسازگاری 2) شرط نگهداری و انتظار (Hold and Wait) و 3) شرط غیرقبضه‌ای (No Preemption)یا نداشتن تخلیه پیش‌هنگام 4) شرط انتظار چرخشی (Circular Wait). سپس به مدل‌سازی بن‌بست منابع با گراف تخصیص منابع پرداخته می‌شود. در انتها یک تست کنکور کارشناسی ارشد در این رابطه مطرح و حل تشریحی آن ارائه می‌گردد.

بن‌بست: مفاهیم، شرایط و مدل‌سازی

در جلسه سی‌ و یکم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل مهم پنجم سیستم عامل با عنوان «بن‌بست» ارائه می‌شود. موضوع این جلسه «راهبردهای بن‌بست: (1) پیش‌گیری» می‌باشد. به طور كلی چهار راهبرد مختلف برای برخورد با بن‌بست ها و اداره آنها وجود دارد: 1) پیشگیری (Prevention) : نقض ساختاری یکی از چهار شرط لازم برای وقوع بن بست منابع 2) اجتناب (Avoidance) پويا : تخصیص دقيق و حساب شده منابع 3) كشف (Detection) و ترميم (Recovery) : اجازه دهيد بن بست رخ دهد، آن را كشف كرده و با انجام عمل مناسب (كشتن فرايند!) آن را ترميم كنيد. 4) ناديده گرفتن مسئله يا روش شترمرغ (Ostrich) : شايد اگر شما از مسئله صرف نظر كنيد، مسئله نيز از شما صرف نظر كند!  در این جلسه کلیه روش‌های هفت‌گانه پیش‌گيری از بن‌بست تدریس می‌شود. روش پيش‌گيری از بن‌بست به اين معنی است كه محدوديت‌های مناسبی به فرايندها تحميل شوند تا حداقل یکی از شروط بن‌بست هرگز تحقق نيابد و بنابراين از نظر ساختاری، وقوع بن‌بست غير ممكن باشد. می‌دانيم در مورد بن‌بست منابع، چهار شرط لازم و كافی وجود دارد. اين شرايط، كليد بعضی از راه‌حل‌های احتمالی است وهر روشی كه بتواند جلوی یکی از اين چهار شرط را بگيرد از بن‌بست منابع پیش‌گيری كرده است. در واقع يا به طور غير مستقيم از یکی از شروط خط مشی (اول تاسوم) و يا مستقيماً از شرط انتظار چرخشی پيش‌گيری می‌كنيم. در این جلسه نشان می‌دهیم تمامی هفت روشی که هر کدام به یکی از 4 شرط بن‌بست حمله می‌کنند به دلایلی مثل محدودیت فضا (مثلاً محدودیت فضای دیسک) یا محدودیت زمان (عدم امکان پیش‌بینی آینده) شکست می‌خورند و در عمل غیر قابل پیاده‌سازی هستند (در یک سیستم همه منظوره). در انتها یک تست کنکور کارشناسی ارشد در این رابطه مطرح و حل تشریحی آن ارائه می‌گردد.

راهبردهای بن‌بست: (1) پیش‌گیری

در جلسه سی‌ و دوم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ادامه فصل مهم پنجم سیستم عامل با عنوان «بن‌بست» ارائه می‌شود. موضوع این جلسه «راهبردهای بن‌بست: (2) اجتناب با الگوریتم بانکدار» می‌باشد. در روش اجتناب از بن‌بست، برخلاف روش‌های پرهزينه قبلی كه از طريق تحميل قواعد خاصی بر روی فرايندها می‌خواستند از بن‌بست منابع پيش‌گيری كنند (و البته باصرف هزينه نيز در حالت عمومی ناموفق بودند)، می‌خواهیم به وسیله تجزيه و تحليل دقيق هر يک از درخواست‌های منابع و اطمينان از امن بودن حالت جديد در صورت تخصيص منابع مورد درخواست، از بن‌بست منابع اجتناب كنيم. در واقع، اجتناب از بن‌بست به سه شرط خط مشی كاری ندارد و فقط با تصميم‌گيری پويا از وقوع انتظار چرخشی اجتناب می‌كند. اين روش‌ها به دو دسته تقسيم می‌شوند: 1) عدم پذيرش درخواست های فرايند جاری برای منابع جديد، درصورتی كه پذيرش آنها ريسک بن‌بست (احتمالی) را به همراه داشته باشد. اين روش‌ها خيلی كمتر از دسته دوم، منابع را به هدر می‌دهند. 2) عدم پذيرش فرايندی كه پذيرش آن، ریسک بن‌بست (احتمالی) را به همراه دارد. اين روش‌ها بسيار پرهزينه و محافظه كارانه بوده و منابع را به شدت هدر می‌دهند. در این جلسه روش اول (اجتناب با کنترل پذیرش درخواست) با الگوریتم بانکدار (Banker) تدریس می‌شود. ابتدا این الگوریتم بانکدار برای یک منبع منفرد و سپس برای منابع چندگانه شرح داده می‌شود. ماتریس‌های NEED و MAX (Claim) و ALLOC و بردارهای Available (Free) و  Existing و Possessed معرفی و شرح داده می‌شوند. حالت امن (Safe) و نا امن (Unsafe) توضیح داده می‌شود و الگوریتم تشخیص وضعیت امن و نا امن و الگوریتم تخصیص منابع آموزش داده می‌شود. چندین مسئله کامل در این خصوص مطرح و به صورت تشریحی با جزئیات کامل حل می‌شود و تعداد مسیرهای امن آن استخراج می‌گردد.

راهبردهای بن‌بست: (2) اجتناب با الگوریتم بانکدار

در جلسه سی‌ و سوم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، آخرین قسمت فصل مهم پنجم سیستم عامل با عنوان «بن‌بست» ارائه می‌شود. موضوع این جلسه «سایر راهبردهای بن‌بست» می‌باشد. ابتدا با مطرح کردن 3 تست و ارائه حل تشریحی آن، اجتناب (Avoidance) از بن‌بست (Deadlock) با كنترل پذيرش فرايندها با وجود یک نوع منبع تدریس می‌شود. سپس با مطرح کردن یک تست دیگر و ارائه حل تشریحی آن، اجتناب از بن‌بست با كنترل پذيرش فرايندها با منابع چندگانه آموزش داده می‌شود. سپس روش کشف و ترمیم (Detection and Recovery) بحث و بررسی می‌شود. آنگاه الگوریتم کشف Coffman ارائه شده و یک مثال در مورد آن مطرح و حل تشریحی آن ارائه می‌گردد. بعد از آن مکانیسم ترمیم تحلیل می‌شود. در انتها روش شترمرغ (Ostrich) مورد بحث و بررسی قرار گرفته و استراتژی‌های مختلف بن‌بست و کاربرد آنها در عمل با هم مقایسه می‌شوند.

سایر راهبردهای بن‌بست

در جلسه سی‌ و چهارم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، اولین قسمت فصل ششم سیستم عامل با عنوان «مدیریت I/O و دیسک» ارائه می‌شود. موضوع این جلسه «مدیریت I/O» می‌باشد. یكی از وظایف اصلی سيستم عامل، مدیریت انواع دستگاه‌های I/O (ورودی/خروجی) است. سيستم عامل باید: 1) فرمان‌هایی را به این دستگاه‌ها بفرستد 2) وقفه‌ها را بگيرد 3) خطاها را اداره كند 4) به منظور استفاده ساده تر از آنها یک واسط بين دستگاه‌ها و بقيه سيستم فراهم كند. 5) واسط سيستم تا حد ممكن، باید برای تمام دستگاه‌ها یكسان باشد (مستقل از دستگاه) باشد. در این جلسه چهر لایه نرم افزار I/O مطرح و وظایف هر لایه به تفکیک مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. این چهار لایه نرم‌افزار I/O عبارتند از: 1) اداره‌كننده‌های وقفه 2) گرداننده ‌های دستگاه‌ها (Device Drivers) 3) نرم افزار I/O مستقل از دستگاه 4) نرم افزار I/O فضای كاربر. در انتها 3 تست کنکور ارشد مهندسی کامپیوتر مطرح و حل تشریحی آنها ارائه می‌شود.

مدیریت I/O

در جلسه سی‌ و پنجم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، دومین قسمت فصل ششم سیستم عامل با عنوان «دیسک و RAID» ارائه می‌شود. موضوع این جلسه سخت‌افزار دیسک و RAID است. ابتدا مفاهیم مربوط به سخت‌افزار Hard Disk مثل Track (شیار) و Cylinder (استوانه) و  Sector (قطاع) و Block (بلوک) و خوشه (Cluster) و باطوی دیسک (Disk Arm) و نوک (Head) خواندن و نوشتن و محاسبات مربوط به ظرفیت دیسک شرح داده می‌شود. سپس آرایه افزونه از ديسک‌های مجزا (RAID: Redundant Array of Independent Disks) برای داشتم ديسک‌های موازی و افزونه معرفی می‌شود. اعداف و مزايای RAID عبارت‌اند از: 1.سرعت بخشيدن دسترسی به ديسک 2.قابليت اطمينان بيشتر داده‌ها. RAID سطح 0 و تکنیک Striping و RAID سطح 1 و تكنيک آئينه‌ای (Mirroring) و RAIDهای سطح 2 و 3 با جزئیات کامل شرح داده می‌شوند. سپس در مورد زمان دستيابی (Access Time)  یک یا چند بلوک  پشت سر هم ديسک صحبت می‌شود. این زمان با سه فاكتور مشخص می‌شود: 1) زمان جستجو (Seek Time): زمان لازم برای انتقال بازو به سيلندر مورد نظر 2) تأخير چرخشی (Rotational Delay): زمان لازم برای اينكه ديسک بچرخد تا سكتور مورد نظر در زير هد قرار گيرد. 3) زمان انتقال (Transfer Time) اطلاعات واقعی. در ادامه نحوه محاسبه میانگین، حداقل و حداکثر و مقدار دقیق این فاکتورهای زمانی صحبت می‌شود و یک مسئله در این مورد مطرح و حل می‌شود.

دیسک و RAID

در جلسه سی‌ و ششم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، آخرین قسمت فصل ششم سیستم عامل با عنوان «الگوریتم‌های زمان‌بندی دیسک» ارائه می‌شود. يكي از دلايل اصلی اتلاف وقت در ديسک‌ها زمان جستجو است. ترتيب پاسخ دادن به درخواست‌های دیسک، تأثير زيادی در ميانگين زمان جستجو دارد. بنابراين انتخاب يک الگوريتم زمان‌بندي مناسب برای نوبت‌بندی پاسخ به درخواست‌های معوقه می‌تواند تأثير بسيار زيادی بر كارایی سيستم داشته باشد. در این جلسه الگوریتم های زمانب‌بندی زیر به ترتیب تدریس شده و مزایا و معایب و ویژگی‌های آنها تشریح می‌شون و برای هر کدام یک مثال عددی آورده می‌شود: 1) الگوریتم FIFO يا FCFS (First-Come, First-Served) و 2) الگوریتم LIFO يا LCFS (Last-Come, First-Served) و 3) الگوريتم «ابتدا كوتاهترين جستجو» (SSF) يا «ابتدا كوتاهترين زمان جستجو» (SSTF: Shortest Seek Time First) و 4) الگوريتم Look يا آسانسور (Elevator) و 5) الگوريتم مرور (Scan) و 6) الگوريتم C-Look يا آسانسور مدور (Circular Elevator) و 7) الگوريتم C-Scan و 8) الگوريتم مرور N گامی و مرور سريع. در انتها در مورد تکنیک «حافظه نهان هر دفعه یک شیار» صحبت می‌شود. همچنین مفهوم RAM Disk تدریس شده و یک تست کنکور کارشناسی ارشد در این رابطه مطرح و حل تشریحی آن ارائه می‌گردد.

الگوریتم‌های زمان‌بندی دیسک

در جلسه سی‌ و هفتم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، اولین قسمت فصل هفتم سیستم عامل با عنوان «مدیریت حافظه» ارائه می‌شود. موضوع این جلسه «مدیریت حافظه ابتدایی» می‌باشد.چهار موضوعی که در اين جلسه تدريس می‌شود عبارتند از: 1) مدیریت حافظه تک برنامگی ساده 2) مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های ايستا  3) مشکلات حفاظت و جابجایی 4) مبادله و مقدمه‌ای بر مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های پویا. ابتدا مدیریت حافظه تک برنامگی ساده قديمی و کاربرد فعلی آن در سيستم‌های تعبيه شده مورد بررسی قرار گرفته و معايب آن شمرده می‌شود. سپس  مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های ايستا تدريس می‌شود. 6 چارچوب و محدوديت که باعث 6 عيب بزرگ در پارتيشن‌های ايستا می‌شود مطرح و شرح داده می‌شود. آنگاه دو مشکل حفاظت (Protection) و جابجایی (Relocation)  و راه حل MMU با رجيسترهای پايه (Base Register) و حد (Limit Register) ارائه شده و مورد بررسی و تحليل کامل قرار می‌گيرد. سپس با حذف چهار محدوديت يا چارچوب از 6 محدوديت پارتيشن‌های ايستا (Static Partitioning) روش بهتر مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های پویا (Dynamic Partitioning) به همراه تکنيک مبادله (Swapping) حاصل می‌شود.

مدیریت حافظه ابتدایی

در جلسه سی‌ و هشتم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، آخرين قسمت فصل هفتم سیستم عامل با عنوان «مدیریت حافظه» ارائه می‌شود. موضوع این جلسه «تخصیص حافظه در پارتیشن‌بندی پویا و مبادله» می‌باشد. در جلسه قبل مدیریت حافظه تک برنامگی ساده و مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های ايستا  و مشکلات حفاظت و جابجایی و راه حل آن و نيز مبادله و مقدمه‌ای بر مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های پویا ارائه شد. در اين جلسه مبحث مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های پویا و جزئيات مربوط به مديريت فضاهای پر و خالی حافظه در اين روش و الگوريتم‌های تخصيص حافظه مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. وقتی كه حافظه به صورت پويا تخصیص داده می‌شود، سیستم عامل بايد آن را اداره كند. به طور كلی دو روش برای اينكه سیستم بداند كجای حافظه پر و كجای آن خالی است و تغییرات آن را دنبال كند وجود دارد: 1) نگاشت‌های بیتی (Bitmaps) 2) لیست‌های آزاد (Free lists) (يا ليست پيوندی دو طرفه). ابتدا اين روش‌ها و مزايا و معايب هر يک و سربار زمانی و مکانی مربوطه مورد مقايسه و ارزيابی قرار می‌گيرد. وقتی فرايندها و حفره‌ها در يک لیست مرتب شده بر اساس آدرس قرار می‌گیرند، الگوريتم‌های مختلفی جهت تخصیص حافظه به يک فرايند جديد و يا فرايند در حال مبادله به درون حافظه وجود دارد. فرض می‌كنیم كه مدير حافظه می‌داند كه میزان حافظه مورد نیاز هر فرايند چقدر است. در اينجا به بررسی چند مورد از اين الگوريتم‌ها می‌پردازيم.: 1) اولین تطبیق (First fit) 2) تطبیق بعدی (Next fit) 3) بهترين تطبیق (Best fit) 4) بدترين تطبیق (Worst fit) 5) تطبیق سريع (Quick fit). تک تک اين روش‌ها شرح داده شده و مزايا و معايب شان مطرح و با يکديگر مقايسه می‌شوند و برای هر کدام يک مسئله عددی مطرح و حل تشريحی آن ارائه می‌شود. سپس سيستم رفاقتی (Buddy System) ارائه شده و مزايا و معايب آن با يک مثال شرح داده می‌شود. آنگاه تکنيک قديمی Overlay (جايگذاشت) در سيستم‌های پارتيشن‌بندی پويا و مبادله شرح داده می‌شود و عيب بزرگ آن مطرح می‌شود. در انتها اهداف و معیارهای طراحی مديريت حافظه مطرح  شده و نشان داده می‌شود که چگونه حذف 4 محدوديت و چارچوب مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های ايستا توانست 4 عيب بزرگ آن را در مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های پویا و مبادله حل کرده يا کاهش جدی بدهد. اما دو محدوديت و چارچوب باقيمانده (بارگذاری يکجا و کامل) که باعث دو عيب بزرگ در پارتيشن‌های پویا شده است را در فصل 8 با صفحه بندی/قطعه‌بندی ساده و سپس صفحه‌بندی/قطعه‌بندی  حافظه مجازی تک تک برداشته و به بهينگی در مديريت حافظه دست خواهيم يافت.

تخصیص حافظه در پارتیشن‌بندی پویا و مبادله

در جلسه سی‌ و نهم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، اولین قسمت فصل هشتم (آخر) سیستم عامل با عنوان «صفحه‌بندی (Paging) ساده» ارائه می‌شود. در فصل قبل مدیریت حافظه تک برنامگی ساده و مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های ايستا و مشکلات حفاظت و جابجایی و مبادله و مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های پویا تدریس شد و تکنیک‌های تخصیص حافظه مربوطه مورد بررسی قرار گرفت. در آن فصل 6 چارچوب و محدوديت که باعث 6 عيب بزرگ در پارتيشن‌های ايستا می‌شد شرح داده شد. سپس با حذف چهار محدوديت يا چارچوب از 6 محدوديت پارتيشن‌های ايستا روش بهتر مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های پویا به همراه تکنيک مبادله حاصل شد که توانست چهار مورد از مشکلات را بر طرف کرده یا به طور چشمگیری کاهش دهد. اما هنوز دو محدودیت بارگذاری یکجا و کامل فرایند در حافظه باقی ماند. بنابراین دو عیب بزرگ نیز در پارتیشن بندی پویا وجود داشت. این دو عیب که از این دو محدودیت سرچشمه می‌گیرند، یکی اتلاف حفره‌ها به علت تکه تکه شدن  خارجی است و دومی بارگذاری بیهوده بخش‌هایی از فرایند در حافظه است که فعلاً مورد نیاز نیست.عدم امکان اجرای فرایندهای بزرگتر از حافظه، منهای فضای سیستم عامل نیز به همین مشکل دوم بر می‌گردد. هر دو عیب، مخصوصا دومی، حکایت از اتلاف شدید حافظه دارد و مغایر با معیار بسیار مهم بهینگی است. در فصل هشتم با حذف تک به تک دو محدودیت بارگذاری یکجا و کامل فرایند در حافظه به بهینگی دست پیدا خواهیم کرد. ابتدا در این جلسه با شکستن وخُرد کردن فرایندها به صفحات در صفحه‌بندی ساده و نیز شکستن چارچوب بارگذاری یکجا و پشت سر هم فرایندها و عدم اصرار بر حفظ نظم یک قدم به بهینگی نزدیک می‌شویم. در جلسه بعد با شکستن چارچوب بارگذاری کامل فرایندها و بارگذاری صفحات مورد نیاز بدون نظم و ترتیب استفاده از حافظه با تکنیک صفحه‌بندی حافظه مجازی بهینه خواهد شد. در این جلسه ابتدا مفاهیم صفحه (Page)، قاب صفحه (Page frame) و جدول صفحه (Page Table) و تکه تکه شدن داخلی (Internal fragmentation) و میزان اهمیت آن و حداقل و حداکثر و میانگین آن به طور مبسوط با مثال و شکل شرح داده می‌شوند. سپس در مورد پراکندگی صفحات و مکانیسم ترجمه آدرس توسط سخت افزار MMU (Memory Management Unit) با چندین مثال متنوع بحث می‌شود. در انتها 4 تست در این زمینه مطرح و حل تشریحی آنها ارائه می‌گردد.

صفحه‌بندی (Paging) ساده

در جلسه چهلم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، دومین قسمت فصل هشتم (آخر) سیستم عامل با عنوان «صفحه‌بندی حافظه مجازی» ارائه می‌شود. دیدیم مدیریت حافظه چندبرنامگی با پارتيشن‌های پویا به همراه تکنيک مبادله توانست با حذف چهار محدودیت، چهار مورد از مشکلات پارتيشن‌های ایستا را بر طرف کرده یا به طور چشمگیری کاهش دهد. اما هنوز دو محدودیت بارگذاری یکجا و کامل فرایند در حافظه باقی ماند. بنابراین دو عیب بزرگ تکه تکه شدن  خارجی و بارگذاری بیهوده بخش‌هایی از فرایند در حافظه که فعلاً مورد نیاز نیست این روش را رنج می‌داد. در جلسه قبل با شکستن وخُرد کردن فرایندها به صفحات در صفحه‌بندی ساده و نیز شکستن چارچوب بارگذاری یکجا و پشت سر هم فرایندها و عدم اصرار بر حفظ نظم یک قدم به بهینگی نزدیک شدیم. در این جلسه می‌کوشیم تا با شکستن چارچوب بارگذاری کامل فرایندها و بارگذاری فقط صفحات مورد نیاز آن هم بدون نظم و ترتیب به تکنیکی به نام صفحه‌بندی حافظه مجازی (Virtual Memory Paging) دست پیدا کنیم که استفاده از حافظه را واقعاً بهینه خواهد کرد. در این راستا، ابتدا مفاهیم و روابط مربوط به اندازه حافظه فیزیکی و اندازه فضای حافظه مجازی و تعداد صفحات و تعداد قاب ها و شماره صفحه و شماره قاب و آدرس مجازی و آدرس فیزیکی و نقش دیسک در این زمینه صحبت خواهد شد. همچنین در مورد حداکثر صفحات ممکن و صفحات حاضر در حافظه (Present in memory pages) و صفحات غایب (Absent pages) روی دیسک و صفحات تمیز (Clean pages) و کثیف (Dirty pages) صحبت خواهد شد. همچنین جزئیات مربوط به جدول صفحه ساده و فیلدهای آن از جمله Valid  و  P/A و #F و M و R و Age و Protection و Copy on Write و Caching disable صحبت خواهد شد. سپس در مورد مفهوم نقص صفحه یا فقدان صفحه (Page fault) و نحوه اداره آن توسط سیستم عامل صحبت خواهد شد. در انتها روند ترجمه آدرس مجازی به فیزیکی توسط جدول صفحه ساده که بر حسب شماره صفحه اندیس شده است به تفصیل با مثال مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.

صفحه‌بندی حافظه مجازی

در جلسه چهل و دوم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، چهارمین قسمت از فصل هشتم (آخر) سیستم عامل با عنوان «ترجمه آدرس» ارائه می‌شود و ضمن تدریس رویه دقیق ترجمه آدرس، نحوه محاسبه میانگین زمان دسترسی سازمان حافظه با چندین مثال با رویکرد حل مسائل تدریس می‌شود. 

ترجمه آدرس

در جلسه چهل و سوم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، پنجمین قسمت از فصل هشتم (آخر) سیستم عامل با عنوان «الگوریتم‌های جایگزینی صفحه» در ادامه مبحث صفحه‌بندی مجازی ارائه می‌شود و تمامی الگوریتم های جایگزینی صفحه (Page Replacement Algorithms) متداول تدریس شده و با جزئیات کامل مورد بحث و بررسی دقیق قرار می‌گیرند و چندین مثال با رویکرد حل مسائل در این مورد مطرح و حل تشریحی آنها ارائه می‌شود. این الگوریتم ها عبارتند از 1) الگوریتم FIFO و 2) الگوریتم Optimal و 3) الگوریتم LRU و سه روش پیاده سازی آن (شمارنده 64 بیتی، روش ماتریسی و روش پشته ای) و 4) الگوریتم NRU و 5) الگوریتم NRU پیشرفته و 6) الگوریتم Second Chance (شانس دوباره یا دومین شانس) و 7) الگوریتم  Second Chance پیشرفته و 8) الگوریتم Clock (ساعت) و 9) الگوریتم Clock پیشرفته و 10) الگوریتم Aging و 11) الگوریتم LFU یا NFU و 12) الگوریتم MFU و 13) الگوریتم Page Buffering و 14) الگوریتم WS-Clock.

الگوریتم‌های جایگزینی صفحه

در جلسه چهل و چهارم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، ششمین قسمت از فصل هشتم (آخر) سیستم عامل با عنوان «نکات طراحی سیستم‌های صفحه‌بندی» در انتهای مبحث صفحه‌بندی مجازی ارائه می‌شود. ابتدا در مورد حداقل حافظه فيزيكی مورد نياز برای اجرای یک فرایند و نیز حداقل تعداد قاب لازم برای اجرای مطلوب و قابل قبول یک فرایند صحبت می‌شود. سپس مفهوم کوبيدگی (Thrashing) مورد بررسی قرار می‌گیرد. آنگاه در مورد مفاهیم صفحه بندی درخواستی (demand paging)، پیش صفحه بندی (Pre paging)، صفحه بندی درخواستی محض (pure demand paging) و پراکندگی پویا و ایستا و مدل مجموعه کاری (working set model) بحث دقیقی به میان آمده و یک تست کنکور کارشناسی ارشد در این رابطه مطرح و کاملاً تشریح و تحلیل می‌شود. سپس سياست‌های تخصيص محلی در برابر سراسری تشریح و مورد مقایسه قرار می‌گیرند. سپس تخصیص ایستا و پویا مقایسه شده و الگوریتم فركانس نقص صفحه (PFF: Page Fault Frequency) و کاربرد آن توضیح داده می‌شود. سپس نمودار نشان دهنده نرخ نقص صفحه به عنوان تابعی از تعداد قاب های صفحه تخصيص يافته مورد تحلیل قرار می گیرد. در ادامه نمودار  اثر درجه چندبرنامگی بر كارايی CPU تحلیل می‌شود. آنگاه ناهنجاری بليدی (Belady Anomaly) و الگوريتم های پشته (Stack algorithms)  غیر پشته با مثال عددی در مورد FIFO تدریس می‌شود. سپس با ارائه روابط سربار جدول صفحه و سربار تکه تکه شدن داخلی و سربار صفحه بندی و مشتق گیری از آن رابطه اندازه صفحه بهینه برای به حداقل رساندن این سربار استخراج و تشریح شده و یک مثال عددی مطرح و حل تشریحی آن ارائه می‌گردد.

نکات طراحی سیستم‌های صفحه‌بندی

در جلسه چهل و پنجم سیستم عامل دکتر حقیقت ویژه کنکور ارشد کامپیوتر، کنکور دکتری کامپیوتر، کنکور ارشد آی تی و کنکور دکترای آی تی، آخرین قسمت از فصل هشتم (آخر) سیستم عامل با عنوان «قطعه‌بندی و ترکیب آن با صفحه‌بندی» ارائه می‌شود. ابتدا مشکلات صفحه بندی شرح داده شده و با معرفی قطعه بندی دلایل حل مشکلات صفحه بندی توسط قطعه بندی شرح داده می‌شود. سپس دو مشکل بزرگ قطعه بندی محض نیز مطرح و توضیح داده می‌شود. سپس حافظه مجازی قطعه بندی شده و فرمت آدرس مجازی آن شرح داده می‌شود و پیاده سازی آن با جدول قطعه و TLB و رویه ترجمه آدرس های مربوطه با جزئیات کامل شرح داده می‌شود. در انتها با مقایسه دقیق صفحه بندی با قطعه بندی رویکرد ترکیبی قطعه بندی صفحه بندی شده پیشنهاد شده و فرمت آدرس مجازی آن شرح داده می‌شود و پیاده سازی آن با جداول قطعه و صفحه و TLB و نهایتاً رویه ترجمه آدرس های مربوطه با جزئیات کامل شرح داده می‌شود. 

قطعه‌بندی و ترکیب آن با صفحه‌بندی

دکتر ابوالفضل حقیقت

فیلم آموزشی سیستم عامل کنکور ارشد | جزوه سیستم عامل کنکور کامپیوتر | دکتر حقیقت | نکته و تست سیستم عامل

فیلم آموزشی شبکه های کامپیوتری کنکور ارشد | جزوه شبکه های کامپیوتری کنکور کامپیوتر | دکتر حقیقت | نکته و تست شبکه های کامپیوتری

شبکه های کامپیوتری

فیلم آموزشی پایگاه داده کنکور ارشد | جزوه پایگاه داده کنکور کامپیوتر | دکتر کیوانپور | نکته و تست پایگاه داده

پایگاه داده

فیلم آموزشی ریاضی گسسته کنکور ارشد | جزوه ریاضی گسسته کنکور کامپیوتر | دکتر کاشفی | دکتر سیدجوادی | نکته و تست ریاضی گسسته

ریاضی گسسته

فیلم آموزشی ساختمان داده کنکور ارشد | جزوه ساختمان داده کنکور کامپیوتر | استاد طورانی | نکته و تست ساختمان داده

ساختمان داده

فیلم آموزشی طراحی الگوریتم کنکور ارشد | جزوه طراحی الگوریتم کنکور کامپیوتر | استاد انصاری | دکتر سیدجوادی | نکته و تست طراحی الگوریتم

طراحی الگوریتم

فیلم آموزشی هوش مصنوعی کنکور ارشد | جزوه هوش مصنوعی کنکور کامپیوتر | استاد انصاری | نکته و تست هوش مصنوعی

هوش مصنوعی

فیلم آموزشی نظریه زبان ها و ماشین ها کنکور ارشد | جزوه نظریه زبان ها و ماشین ها کنکور کامپیوتر | استاد رستمی | دکتر سیدجوادی | نکته و تست نظریه زبان ها و ماشین ها

نظریه زبان ها و ماشین ها

فیلم آموزشی مدار منطقی کنکور ارشد | جزوه مدار منطقی کنکور کامپیوتر | دکتر حقیقت | نکته و تست مدار منطقی

مدار منطقی

فیلم آموزشی معماری کامپیوتر کنکور ارشد | جزوه معماری کامپیوتر کنکور کامپیوتر | دکتر حقیقت | نکته و تست معماری کامپیوتر

معماری کامپیوتر

فیلم آموزشی الکترونیک دیجیتال کنکور ارشد | جزوه الکترونیک دیجیتال کنکور کامپیوتر | دکتر حقیقت | نکته و تست الکترونیک دیجیتال

الکترونیک دیجیتال

کنکور کامپیوتر | ارشد کامپیوتر | کنکور ارشد مهندسی کامپیوتر | 1404 | نرم افزار 

کنکور ارشد مهندسی کامپیوتر

فیلم آموزشی سیستم عامل کنکور ارشد فناوری اطلاعات | جزوه سیستم عامل کنکور کامپیوتر و آی تی | دکتر حقیقت | فیلم آموزشی نکته تست سیستم عامل

فیلم آموزشی شبکه های کامپیوتری کنکور ارشد فناوری اطلاعات | جزوه شبکه های کامپیوتری کنکور کامپیوتر و آی تی | دکتر حقیقت | فیلم آموزشی نکته تست شبکه های کامپیوتری

فیلم آموزشی پایگاه داده کنکور ارشد فناوری اطلاعات | جزوه پایگاه داده کنکور کامپیوتر و آی تی | دکتر کیوانپور | فیلم آموزشی نکته تست پایگاه داده

فیلم آموزشی ریاضی گسسته کنکور ارشد | جزوه ریاضی گسسته کنکور کامپیوتر | دکتر کاشفی | فیلم آموزشی نکته تست ریاضی گسسته

فیلم آموزشی ساختمان داده کنکور ارشد  فناوری اطلاعات | جزوه ساختمان داده کنکور کامپیوتر و آی تی | استاد طورانی | فیلم آموزشی نکته تست ساختمان داده

فیلم آموزشی ساختمان داده و طراحی الگوریتم کنکور ارشد فناوری اطلاعات | جزوه طراحی الگوریتم کنکور کامپیوتر و آی تی | استاد انصاری | دکتر سیدجوادی | فیلم آموزشی نکته تست ساختمان داده و الگوریتم

فیلم آموزشی هوش مصنوعی کنکور ارشد فناوری اطلاعات | جزوه هوش مصنوعی کنکور کامپیوتر و آی تی | استاد انصاری | فیلم آموزشی نکته تست هوش مصنوعی

فیلم آموزشی مهندسی نرم افزار کنکور ارشد | جزوه مهندسی نرم افزار کنکور آی تی | دکتر زنجانی | نکته تست مهندسی نرم افزار

مهندسی نرم افزار

کنکور آی تی | ارشد فناوری اطلاعات | کنکور ارشد مهندسی فناوری اطلاعات | 1404 | تجارت الکترونیکی

کنکور ارشد فناوری اطلاعات

کنکور MBA | ارشد MBA | کنکور ارشد MAB 1404 | MBA 

کنکور ارشد MBA

کلاس آنلاین و فیلم آموزشی کنکور ارشد | کتاب و جزوه | منابع 

کنکور کارشناسی ارشد

فیلم آموزشی سیستم عامل پیشرفته کنکور دکتری | جزوه سیستم عامل پیشرفته کنکور کامپیوتر | دکتر حقیقت | فیلم آموزشی نکته تست سیستم عامل پیشرفته کنکور دکتری کامپیوتر 

سیستم عامل پیشرفته

فیلم آموزشی پایگاه داده پیشرفته کنکور دکتری | جزوه پایگاه داده پیشرفته کنکور کامپیوتر | دکتر کیوانپور | فیلم آموزشی نکته تست پایگاه داده پیشرفته کنکور دکتری کامپیوتر

پایگاه داده پیشرفته

فیلم آموزشی ساختمان داده کنکور دکتری | جزوه ساختمان داده کنکور کامپیوتر دکتری | استاد طورانی | فیلم آموزشی نکته تست ساختمان داده کنکور کامپیوتر مقطع دکتری

فیلم آموزشی ساختمان داده و الگوریتم کنکور دکتری | جزوه الگوریتم کنکور کامپیوتر دکتری | استاد انصاری | دکتر سیدجوادی | فیلم آموزشی نکته تست ساختمان داده و الگوریتم کنکور کامپیوتر مقطع دکتری

فیلم آموزشی سیستم عامل کنکور دکتری | جزوه سیستم عامل کنکور کامپیوتر | دکتر حقیقت | فیلم آموزشی نکته تست سیستم عامل کنکور کامپیوتر 

فیلم آموزشی پایگاه داده کنکور دکتری | جزوه پایگاه داده کنکور کامپیوتر | دکتر کیوانپور | فیلم آموزشی نکته تست پایگاه داده کنکور کامپیوتر

فیلم آموزشی زبان عمومی کنکور دکتری | جزوه زبان عمومی کنکور کامپیوتر | دکتر البرزی | فیلم آموزشی نکته تست زبان عمومی کنکور دکتری کامپیوتر 

زبان عمومی دکتری

فیلم آموزشی استعداد تحصیلی (GMAT) کنکور دکتری | جزوه  استعداد تحصیلی (GMAT) کنکور کامپیوتر | استاد طورانی | فیلم آموزشی نکته تست  استعداد تحصیلی (GMAT) کنکور دکتری کامپیوتر 

استعداد تحصیلی دکتری (GMAT)

کنکور کامپیوتر | دکتری کامپیوتر | کنکور دکتری مهندسی کامپیوتر | 1404 | نرم افزار 

مهندسی کامپیوتر - نرم افزار

فیلم آموزشی یادگیری ماشین کنکور دکتری | جزوه یادگیری ماشین کنکور کامپیوتر دکتری | دکتر سید وهاب شجاع الدینی | فیلم آموزشی نکته تست شناسایی الگو و یادگیری ماشین کنکور کامپیوتر دکتری هوش مصنوعی

یادگیری ماشین

فیلم آموزشی شناسایی الگو کنکور دکتری | جزوه شناسایی الگو کنکور کامپیوتر دکتری | دکتر سید وهاب شجاع الدینی | فیلم آموزشی نکته تست شناسایی الگو کنکور کامپیوتر دکتری هوش مصنوعی

شناسایی الگو

فیلم آموزشی ساختمان داده کنکور دکتری | جزوه ساختمان داده کنکور کامپیوتر دکتری | استاد طورانی | یلم آموزشی نکته تست ساختمان داده کنکور کامپیوتر مقطع دکتری

فیلم آموزشی ساختمان داده و الگوریتم کنکور دکتری | جزوه ساختمان داده و الگوریتم کنکور کامپیوتر دکتری | استاد انصاری | دکتر سیدجوادی | فیلم آموزشی نکته تست ساختمان داده و الگوریتم کنکور کامپیوتر

فیلم آموزشی استعداد تحصیلی (GMAT) کنکور دکتری | جزوه  استعداد تحصیلی (GMAT) کنکور کامپیوتر | استاد طورانی | فیلم آموزشی نکته تست  استعداد تحصیلی (GMAT) کنکور دکتری کامپیوتر

کنکور کامپیوتر | دکتری کامپیوتر | کنکور دکتری مهندسی کامپیوتر | 1404 | هوش مصنوعی

مهندسی کامپیوتر - هوش مصنوعی

فیلم آموزشی شبکه پیشرفته کنکور دکتری | جزوه شبکه پیشرفته کنکور کامپیوتر | دکتر حقیقت | فیلم آموزشی نکته تست شبکه پیشرفته کنکور دکتری کامپیوتر 

شبکه پیشرفته

فیلم آموزشی ساختمان داده و الگوریتم کنکور دکتری | جزوه ساختمان داده و الگوریتم کنکور کامپیوتر دکتری | استاد انصاری | دکتر سیدجوادی | فیلم آموزشی نکته تست ساختمان داده و الگوریتم کنکور کامپیوتر 

انواع جدول صفحه و TLB

جزوه

حل تمرین

آزمونک

اتاق بحث

رفع اشکال (سوال از استاد)

مشاوره

توضیحات

سیستم عامل

انواع جدول صفحه و TLB

جزوه

حل تمرین

آزمونک

اتاق بحث

رفع اشکال (سوال از استاد)

مشاوره

توضیحات

سیستم عامل

1. مفاهیم پایه

2. مفاهیم سیستم عامل

3. فرایندها، نخ‌ها و زمان‌بندی پردازنده

4. همروندی، انحصار متقابل و همگام‌سازی

5. بن بست

6. مدیریت I/O و دیسک

7. مدیریت حافظه

8. حافظه مجازی