شرح مادة عال 227 (CSC 227) نظم التشغيل - جامعة الملك سعود

مادة عال 227 (CSC 227)، نظم التشغيل (Operating Systems)، من المواد اللي تكشف لك كيف الكمبيوتر يشتغل فعلا من الداخل. كل كود كتبته في عال 111 و عال 212 كان يشتغل فوق نظام التشغيل بدون ما تحس. هذي المادة تخليك تفهم وش يصير تحت الغطاء: كيف المعالج يوزع وقته بين البرامج، كيف الذاكرة تنقسم، وليش برنامجك احيانا يعلّق.

تخيل نظام التشغيل مثل مدير مطعم كبير: عنده طباخين (المعالجات)، طاولات (الذاكرة)، طلبات (العمليات)، ومخزن مواد (القرص الصلب). شغلته يوزع الموارد بذكاء عشان كل زبون ياخذ طلبه بدون ما المطعم ينهار. هذا بالضبط اللي يسويه نظام التشغيل.

ليش عال 227 مادة اساسية في مسارك؟

قبل ما نبدا في الشرح، خلنا نفهم ليش هذي المادة تستاهل تركيزك:

• فهم الاداء الحقيقي: تعرف ليش برنامجك بطيء او يستهلك ذاكرة زيادة عن اللازم. ما تقدر تحسّن شيء ما تفهمه
• المقابلات الوظيفية: شركات مثل Google و Microsoft تسال عن العمليات والخيوط والتزامن بشكل اساسي. لو تبي تشتغل في شركة تقنية كبيرة، لازم تفهم هالمواضيع
• بوابة لمجالات متقدمة: الحوسبة السحابية، امن المعلومات، الانظمة الموزعة، كلها مبنية على مبادئ نظم التشغيل
• تطوير برمجيات حقيقي: لما تبني تطبيق متعدد الخيوط او تتعامل مع قواعد بيانات ضخمة، انت تطبّق مبادئ هذي المادة مباشرة
• مادة تبني على عال 212: الطوابير تستخدم في جدولة العمليات، الاشجار في انظمة الملفات، وجداول الهاش في ادارة الذاكرة. كل اللي تعلمته في تراكيب البيانات يتطبق هنا

نظرة عامة على محتوى عال 227

الاسابيع	الموضوع	المفاهيم الرئيسية
1-2	مقدمة في نظم التشغيل وبنيتها	تعريف OS، طبقات النظام، System Calls
3-4	العمليات (Processes)	PCB، حالات العملية، Context Switching
5-6	الخيوط (Threads)	User Threads vs Kernel Threads، نماذج الخيوط
7-8	جدولة المعالج (CPU Scheduling)	FCFS، SJF، Round Robin، Priority
9-10	تزامن العمليات (Process Synchronization)	Critical Section، Mutex، Semaphore، Monitors
11-12	الجمود (Deadlock)	الشروط الاربعة، المنع، التجنب، الكشف
13-14	ادارة الذاكرة (Memory Management)	Paging، Segmentation، Virtual Memory
15	انظمة الملفات ومراجعة	بنية الملفات، طرق التخصيص، مراجعة شاملة

1. مقدمة في نظم التشغيل وبنيتها

نظام التشغيل هو الوسيط بين المستخدم والعتاد (Hardware). بدونه ما تقدر تسوي شيء على الكمبيوتر لان ما في طريقة تتواصل مع المعالج والذاكرة والقرص مباشرة.

وظائف نظام التشغيل الاساسية

• ادارة العمليات: يشغّل البرامج ويوزع وقت المعالج عليها
• ادارة الذاكرة: يحدد اي برنامج ياخذ كم مساحة من الذاكرة (RAM)
• ادارة الملفات: ينظّم تخزين الملفات على القرص الصلب
• ادارة الاجهزة: يتواصل مع لوحة المفاتيح والشاشة والطابعة وغيرها عبر drivers
• الحماية والامان: يمنع البرامج من التدخل في بعضها

بنية النظام

نظام التشغيل يتكون من طبقات. الطبقة الاساسية هي النواة (Kernel) واللي هي قلب النظام. فوقها تجي System Calls اللي تسمح لبرامج المستخدم تطلب خدمات من النواة.

System Calls هي الجسر بين برنامجك ونظام التشغيل. لما تكتب open() عشان تفتح ملف، او fork() عشان تنشئ عملية جديدة، انت تستدعي System Call.

انواع بنى نظم التشغيل

البنية	الوصف	مثال
Monolithic	كل شيء في النواة كقطعة واحدة	Linux
Microkernel	النواة صغيرة والخدمات خارجها	Minix
Layered	طبقات فوق بعض، كل طبقة تستخدم اللي تحتها	THE OS
Hybrid	خليط من الانواع السابقة	Windows، macOS

2. العمليات (Processes)

العملية (Process) هي برنامج قيد التشغيل. ملف Word على سطح المكتب هو مجرد ملف. لما تفتحه، يصير عملية حية في الذاكرة تاخذ موارد من النظام.

حالات العملية (Process States)

كل عملية تمر بحالات مختلفة خلال حياتها:

• New: العملية لسّاها تنشأ
• Ready: جاهزة وتنتظر دورها على المعالج. مثل زبون واقف في الطابور جاهز يطلب
• Running: تشتغل حاليا على المعالج
• Waiting (Blocked): تنتظر حدث خارجي مثل قراءة ملف من القرص
• Terminated: خلصت وتحرر مواردها

كتلة التحكم بالعملية (PCB)

كل عملية لها ملف شخصي في نظام التشغيل اسمه Process Control Block. مثل بطاقة الهوية للعملية. يحتوي على:

• Process ID (PID): رقم فريد يميّز العملية
• Process State: حالتها الحالية (Ready، Running، الخ)
• Program Counter: عنوان التعليمة التالية اللي راح تنفذ
• CPU Registers: قيم سجلات المعالج المحفوظة
• Memory Info: معلومات الذاكرة المخصصة لها
• I/O Status: قائمة الملفات والاجهزة اللي تستخدمها

تبديل السياق (Context Switching)

لما نظام التشغيل يبي يوقف عملية ويشغّل ثانية، لازم يحفظ حالة العملية الحالية في PCB تبعها ويحمّل حالة العملية الجديدة. هذي العملية اسمها Context Switch.

تخيلها مثل طباخ يشتغل على طبخة ويبي يتحول لطبخة ثانية: لازم يسجّل وين وصل في الاولى (كم ملح حط، درجة الحرارة) عشان لما يرجع لها يكمّل من نفس النقطة.

Context Switch تكلّف وقت. ما في شغل مفيد يصير اثناء التبديل. عشان كذا نظام التشغيل يحاول يقلل عدد التبديلات.

3. الخيوط (Threads)

الخيط (Thread) هو وحدة تنفيذ خفيفة داخل العملية. العملية الواحدة ممكن تحتوي على خيط واحد (Single-threaded) او عدة خيوط (Multi-threaded).

الفرق بين العملية والخيط

العنصر	العملية (Process)	الخيط (Thread)
الذاكرة	كل عملية لها مساحة ذاكرة مستقلة	الخيوط تشارك نفس مساحة الذاكرة
الانشاء	بطيء ومكلف	سريع وخفيف
التواصل	يحتاج IPC (معقد)	مباشر عبر الذاكرة المشتركة
Context Switch	بطيء	اسرع بكثير

مثال من الواقع: تطبيق متصفح الانترنت. كل تبويب (Tab) ممكن يكون عملية مستقلة، لكن داخل التبويب الواحد في خيوط متعددة: خيط يحمّل الصفحة، خيط يشغّل JavaScript، وخيط يرسم الواجهة.

خيوط المستخدم مقابل خيوط النواة

• User Threads: تدار من مكتبة في برنامج المستخدم. النواة ما تعرف عنها شيء. سريعة الانشاء لكن لو خيط واحد عمل blocking، كل الخيوط توقف
• Kernel Threads: تدار مباشرة من النواة. ابطأ في الانشاء لكن لو خيط واحد توقف، الباقي يكملون

نماذج ربط الخيوط

النموذج	الوصف	مثال
Many-to-One	كل خيوط المستخدم ترتبط بخيط نواة واحد	Green Threads
One-to-One	كل خيط مستخدم مرتبط بخيط نواة	Linux، Windows
Many-to-Many	عدة خيوط مستخدم مرتبطة بعدة خيوط نواة	Solaris قديما

4. جدولة المعالج (CPU Scheduling)

المعالج واحد بس البرامج كثيرة. كيف نظام التشغيل يقرر مين يشتغل اول؟ هنا يجي دور خوارزميات الجدولة.

ارجع لمثال المطعم: عندك طباخ واحد (المعالج) وعنده 5 طلبات (عمليات). كيف يرتّبها؟ يبدا بالاول اللي وصل؟ يبدا بالاسرع تحضير؟ يعطي كل طلب دقيقة ويتحول للثاني؟ كل واحدة من هذي استراتيجية جدولة مختلفة.

معايير الجدولة

• CPU Utilization: نسبة استغلال المعالج (نبيها عالية)
• Throughput: عدد العمليات المنجزة في وحدة الوقت (نبيها عالي)
• Turnaround Time: الوقت الكلي من وصول العملية الى انتهائها (نبيه قصير)
• Waiting Time: مجموع الوقت اللي قضته العملية في الطابور (نبيه قصير)
• Response Time: الوقت من وصول العملية الى اول تنفيذ لها

FCFS - اللي يوصل اول يتخدم اول

First-Come, First-Served: ابسط خوارزمية. اللي يوصل اول ياخذ المعالج.

مثال: 3 عمليات وصلت في الوقت 0:

العملية	Burst Time
P1	24
P2	3
P3	3

Gantt Chart:

| P1                      | P2  | P3  |
0                        24    27    30

• Waiting Time: P1=0, P2=24, P3=27
• متوسط الانتظار = (0+24+27)/3 = 17

المشكلة: لو عملية طويلة وصلت اول (Convoy Effect)، كل العمليات القصيرة تنتظر ورائها.

SJF - الاقصر اولا

Shortest Job First: العملية اللي Burst Time تبعها اقصر تتنفذ اول.

نفس المثال بترتيب SJF:

| P2  | P3  | P1                      |
0     3     6                        30

• Waiting Time: P1=6, P2=0, P3=3
• متوسط الانتظار = (6+0+3)/3 = 3

فرق كبير عن FCFS. SJF تعطي اقل متوسط انتظار ممكن (مثبتة رياضيا). المشكلة: كيف تعرف طول العملية مسبقا؟ غالبا نقدّره بناء على التاريخ.

Round Robin - كل واحد ياخذ نصيبه

Round Robin (RR): كل عملية تاخذ فترة زمنية محددة (Time Quantum) ثم تروح آخر الطابور.

مثال: نفس العمليات مع Time Quantum = 4

| P1  | P2  | P3  | P1  | P1  | P1  | P1  | P1  |
0     4     7    10    14    18    22    26    30

• P2 خلصت بعد 3 وحدات (اقل من quantum فتخلي المعالج)
• P3 خلصت بعد 3 وحدات
• P1 تاخذ باقي وقتها على دفعات

ملاحظة مهمة: لو الـ Time Quantum كبير جدا، RR يصير مثل FCFS. ولو صغير جدا، Context Switching يزيد والاداء ينزل. القيمة المثالية غالبا بين 10-100 ملي ثانية.

Priority Scheduling - حسب الاولوية

كل عملية لها رقم اولوية. الاعلى اولوية يتنفذ اول. ممكن تكون Preemptive (تقاطع العملية الحالية) او Non-Preemptive.

المشكلة: Starvation (المجاعة). عملية باولوية منخفضة ممكن ما تتنفذ ابدا لان دائما في عمليات باولوية اعلى.

الحل: Aging. كل ما العملية تنتظر اكثر، اولويتها ترتفع تلقائيا.

5. تزامن العمليات (Process Synchronization)

لما عمليتين او اكثر يتشاركون نفس البيانات، ممكن تصير مشاكل. تخيل حسابك البنكي فيه 1000 ريال. زوجتك تسحب 500 ريال وانت تسحب 300 ريال في نفس اللحظة. لو ما في تنسيق، النظام يقرا الرصيد مرتين (1000)، يطرح من كل واحد، ويكتب الناتج. النتيجة: الرصيد يصير 500 او 700 بدل 200.

هذا اسمه Race Condition: النتيجة تعتمد على ترتيب التنفيذ.

مشكلة القسم الحرج (Critical Section Problem)

القسم الحرج هو الجزء من الكود اللي يتعامل مع بيانات مشتركة. الحل لازم يحقق 3 شروط:

1. Mutual Exclusion: عملية واحدة بس تكون في القسم الحرج في اي لحظة
2. Progress: لو ما في عملية في القسم الحرج وفي عمليات تبي تدخل، لازم واحدة تدخل
3. Bounded Waiting: عملية ما تنتظر للابد. لازم يكون في حد اعلى لعدد مرات الانتظار

Mutex (القفل المتبادل)

ابسط حل: قفل. لما عملية تبي تدخل القسم الحرج، تقفل الباب. لما تخلص، تفتحه. لو عملية ثانية جت والباب مقفول، تنتظر.

acquire(lock);
    // القسم الحرج - بيانات مشتركة
    balance = balance - amount;
release(lock);

Semaphore (الاشارة)

Semaphore عبارة عن متغير عدد صحيح يتحكم فيه عمليتين: wait() و signal().

• Binary Semaphore (0 او 1): يشتغل مثل Mutex
• Counting Semaphore: يسمح لعدد محدد من العمليات تدخل. مثلا لو عندك 3 طابعات، Semaphore يبدا بـ 3

// wait (تنقص 1، لو صارت سالبة العملية تنتظر)
wait(S):
    S = S - 1
    if S < 0: block this process

// signal (تزيد 1، لو في عملية تنتظر تشغّلها)
signal(S):
    S = S + 1
    if S <= 0: wake up a waiting process

Monitors (المراقبات)

Monitor هو بنية برمجية عالية المستوى تضمن ان خيط واحد بس يقدر ينفذ دوال المراقب في اي لحظة. تعتبر حل اسهل واامن من Semaphores لان التزامن يكون تلقائي.

مقارنة ادوات التزامن:

الاداة	المستوى	السهولة	الاخطاء المحتملة
Mutex	منخفض	بسيط لحالات بسيطة	نسيان فتح القفل
Semaphore	منخفض	مرن لكن معقد	استخدام wait/signal بالخطا
Monitor	عالي	اسهل وآمن	اقل اخطاء

6. الجمود (Deadlock)

الجمود من اخطر المشاكل في نظم التشغيل. يصير لما عمليتين او اكثر كل وحدة تنتظر الثانية تحرر مورد، وما في واحدة تقدر تتقدم.

مثال تقاطع الطرق: تخيل تقاطع مروري بدون اشارة. اربع سيارات وصلت من اربع جهات في نفس اللحظة. كل سيارة تنتظر اللي على يمينها تعدّي. ما في واحدة تتحرك. هذا هو الجمود.

الشروط الاربعة للجمود

الجمود يصير فقط لما كل هذي الشروط تتحقق مع بعض:

1. Mutual Exclusion: المورد ما يتشارك. مورد واحد لعملية واحدة بس
2. Hold and Wait: عملية تمسك مورد وتنتظر مورد ثاني
3. No Preemption: ما تقدر تاخذ المورد من العملية بالقوة
4. Circular Wait: سلسلة دائرية. P1 تنتظر P2 تنتظر P3 تنتظر P1

القاعدة: لو كسرت شرط واحد بس، الجمود ما يصير.

استراتيجيات التعامل مع الجمود

خوارزمية Banker للتجنب

خوارزمية Banker تفحص لو النظام في حالة آمنة (Safe State) قبل ما يعطي اي مورد.

المصطلحات:

• Available: الموارد المتاحة حاليا
• Max: اقصى حاجة لكل عملية
• Allocation: الموارد المخصصة حاليا لكل عملية
• Need = Max - Allocation: كم تحتاج كل عملية عشان تخلص

خطوات الحل:

1. احسب Need لكل عملية
2. ابحث عن عملية Need تبعها اصغر من او يساوي Available
3. نفّذها وحرر مواردها (Available = Available + Allocation)
4. كرر حتى كل العمليات تخلص (حالة آمنة) او ما تلاقي عملية تقدر تنفذها (حالة غير آمنة)

مثال مبسط: لو عندك 12 وحدة مورد واحد:

العملية	Max	Allocation	Need
P0	10	5	5
P1	4	2	2
P2	9	2	7

Available = 12 - (5+2+2) = 3

الترتيب الآمن: P1 (تحتاج 2 وعندنا 3) ثم P0 (تحتاج 5 وعندنا 3+2=5) ثم P2 (تحتاج 7 وعندنا 5+5=10). النظام في حالة آمنة.

7. ادارة الذاكرة (Memory Management)

المعالج ما يقدر يشغّل برنامج الا اذا كان في الذاكرة الرئيسية (RAM). بس RAM محدودة. كيف نظام التشغيل يدير هالمساحة المحدودة بين عشرات البرامج؟

الترحيل (Paging)

الترحيل يقسم الذاكرة الفعلية الى قطع ثابتة الحجم اسمها Frames ويقسم ذاكرة البرنامج الى قطع بنفس الحجم اسمها Pages. اي Page ممكن ينحط في اي Frame.

الميزة: ما في مشكلة External Fragmentation (تفتت خارجي). الذاكرة تنقسم بالتساوي.

جدول الصفحات (Page Table): يربط كل Page بالـ Frame اللي فيه. لما البرنامج يطلب عنوان، نظام التشغيل يترجمه من عنوان منطقي الى عنوان فعلي.

ترجمة العناوين:

عنوان منطقي = رقم الصفحة (Page Number) + الازاحة (Offset)
عنوان فعلي  = رقم الاطار (Frame Number) + نفس الازاحة

مثال: لو حجم الصفحة 4KB والعنوان المنطقي 5000:

• رقم الصفحة = 5000 / 4096 = 1
• الازاحة = 5000 % 4096 = 904
• لو Page 1 موجودة في Frame 6: العنوان الفعلي = 6 * 4096 + 904 = 25480

التجزئة (Segmentation)

التجزئة تقسم الذاكرة بطريقة منطقية: الكود في Segment، البيانات في Segment، المكدس في Segment. كل Segment حجمه يختلف حسب المحتوى.

الفرق بين Paging و Segmentation:

المعيار	Paging	Segmentation
حجم القطعة	ثابت	متغير
التقسيم	فيزيائي (ما يعرف المحتوى)	منطقي (كود، بيانات، مكدس)
External Fragmentation	ما يصير	ممكن يصير
Internal Fragmentation	ممكن في آخر صفحة	ما يصير

الذاكرة الافتراضية (Virtual Memory)

الذاكرة الافتراضية تخلي البرنامج يشتغل حتى لو حجمه اكبر من الـ RAM. كيف؟ بس الصفحات اللي يحتاجها البرنامج حاليا تكون في RAM، والباقي على القرص الصلب.

لما البرنامج يطلب صفحة مو موجودة في RAM، يصير Page Fault. نظام التشغيل يجيب الصفحة من القرص ويحطها في RAM. لو RAM ممتلئة، لازم يشيل صفحة قديمة ويحط الجديدة مكانها. هنا تجي خوارزميات استبدال الصفحات.

خوارزميات استبدال الصفحات (Page Replacement)

مثال: عندك 3 Frames ومرجعية الصفحات: 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3

1. FIFO (الاول يخرج اول):

الطلب	Frame 1	Frame 2	Frame 3	Page Fault?
7	7	-	-	نعم
0	7	0	-	نعم
1	7	0	1	نعم
2	2	0	1	نعم
0	2	0	1	لا
3	2	3	1	نعم
0	2	3	0	نعم
4	4	3	0	نعم
2	4	2	0	نعم
3	4	2	3	نعم

اجمالي Page Faults = 9

FIFO بسيطة لكن ممكن تعاني من Belady’s Anomaly: زيادة عدد الـ Frames ممكن يزيد Page Faults بدل ما يقللها.

2. LRU (الاقل استخداما مؤخرا):

تشيل الصفحة اللي اطول فترة ما تم استخدامها. منطقها: الصفحة اللي ما استخدمتها من زمان غالبا ما تحتاجها.

3. Optimal (المثالية):

تشيل الصفحة اللي ما راح تستخدمها لاطول فترة في المستقبل. تعطي اقل عدد Page Faults ممكن، لكنها نظرية فقط لانك ما تقدر تعرف المستقبل. تستخدم كمعيار مقارنة.

الخوارزمية	Page Faults (في المثال)	قابلة للتطبيق؟	Belady’s Anomaly؟
FIFO	9	نعم	نعم
LRU	7	نعم	لا
Optimal	6	لا (نظرية)	لا

8. انظمة الملفات (File Systems)

نظام الملفات ينظّم تخزين البيانات على القرص الصلب. بدونه كل البيانات تكون بتات عشوائية على القرص بدون معنى.

مفاهيم اساسية

• الملف (File): وحدة تخزين منطقية. يحتوي على بيانات ومعلومات وصفية (اسم، حجم، صلاحيات، تاريخ)
• المجلد (Directory): ملف خاص يحتوي على قائمة بملفات ومجلدات ثانية
• المسار (Path): عنوان الملف في شجرة المجلدات، مثل /home/user/file.txt

طرق تخصيص المساحة على القرص

الطريقة	الفكرة	الميزة	العيب
Contiguous	الملف في كتل متتالية	وصول سريع	External Fragmentation
Linked	كل كتلة فيها مؤشر للكتلة التالية	مرنة، لا تفتت	وصول عشوائي بطيء
Indexed	كتلة فهرس تحتوي مؤشرات لكل كتل الملف	وصول عشوائي سريع	مساحة اضافية للفهرس

FAT vs NTFS vs ext4: انظمة ملفات حقيقية تستخدم مزيج من هالطرق. FAT تستخدم Linked، NTFS و ext4 تستخدمان Indexed مع تحسينات.

بنية المجلدات

المجلدات تكون على شكل شجرة (Tree). هنا تشوف كيف تراكيب البيانات (عال 212) تتطبق في الواقع: كل مجلد عقدة في الشجرة، والملفات والمجلدات الفرعية هي الاولاد.

اخطاء شائعة في عال 227

1. الخلط بين Preemptive و Non-Preemptive: في الاختبار لازم تعرف الفرق. Preemptive يقاطع العملية الحالية، Non-Preemptive يخليها تخلص
2. نسيان Arrival Time في الجدولة: لما العمليات ما توصل كلها في الوقت 0، لازم تنتبه متى كل عملية تكون متاحة
3. الخلط بين Page و Frame: Page في الذاكرة المنطقية، Frame في الذاكرة الفعلية. الحجم واحد لكن التسمية مختلفة
4. نسيان شرط من شروط الجمود: الاربعة لازم تتحقق كلها. لو طلبوا منك تمنع الجمود، اكسر شرط واحد بس يكفي
5. الخلط بين Mutex و Semaphore: Mutex مثل مفتاح (واحد بس يقدر يستخدمه). Counting Semaphore مثل عداد (يسمح لعدد محدد)
6. تجاهل Belady’s Anomaly: FIFO هي الوحيدة اللي تعاني من هالمشكلة. LRU و Optimal لا
7. حل Banker بدون ترتيب: لازم تلتزم بالخطوات: احسب Need، قارن مع Available، نفّذ وحرر

ربط عال 227 بمسارك الاكاديمي

عال 227 بوابة لمواد كثيرة في خطتك بجامعة الملك سعود:

• عال 329، شبكات الحاسب: مفاهيم التزامن والبروتوكولات تعتمد على فهمك لادارة العمليات والموارد
• عال 456، انظمة تشغيل متقدمة: تتعمق في الانظمة الموزعة والحوسبة السحابية
• امن المعلومات: مفاهيم الحماية والصلاحيات اللي درستها هنا هي اساس امن الانظمة
• مشروع التخرج: لو مشروعك يتعامل مع Multi-threading او ادارة موارد، عال 227 هي اساسك

لو تبي نظرة اوسع على مجال نظم التشغيل ككل، راجع دليل نظم التشغيل الشامل. ولو تحتاج مساعدة شخصية في البرمجة والمواد التخصصية، تقدر تتعرف على خدمة الدروس الخصوصية.

خلاصة

عال 227 مادة تجمع بين النظرية والتطبيق. ما تكفي انك تقرا الشرائح وتحفظ. لازم تحل بالقلم والورقة: ارسم Gantt Charts، حل جداول Banker، تتبع Page Replacement خطوة بخطوة. كل موضوع درسته فيها ترا تستخدمه فعلا في حياتك كمبرمج، سواء كنت تبني تطبيق ويب متعدد الخيوط او تتعامل مع قواعد بيانات ضخمة او تصمم نظام سحابي. ركّز على الفهم وحل الاسئلة السابقة، وان شاء الله تعدّي المادة بتقدير ممتاز.