В. Столлингс - Операционные системы, страница 12

Как мы уже могли убедиться, многозадачный режим дает возможно цессору и устройствам ввода-вывода работать одновременно повыш эффективность использования компьютерной системы. П ри этом испол' механизм, принцип работы которого заключается в сл д я в следующем: в ответ налы„свидетельствующие о завершении транзакций ввод ода-вывода, проц реключается с одной программы на другую ~при условии ч и, что в оператив мять одновременно загружено несколько программ). Другим направлением развития являются системы разделения време " новная цель их разработки — удовлетворение потребностей каждого пол ля при условии их одновременной работы. В этих системах использу факт, что пользователь реагирует на события намного мед едленнее, чем к тер.

К примеру, если потребность пользователя во времени ени процессора дл " ботки его действий в среднем составляет 2 с в течение 1 м мин, то одной и системой, не мешая друг другу, могут пользоваться до 30 пользователей. но же, в таких расчетах нужно учитывать время которо б р е тре уется для самой операционной системы. Еще одним важным направлением развития являются системы об транзакций в реальном времени. При работе таких систем некоторое чис зователей отправляют запросы в базу данных или вносят в нее изменения' мер — система бронирования авиабилетов. Основное различие между си ' обработки транзакций и системой разделения времени состоит в том, что вой из них выполняются одно-два приложения„в то время как пол системы с разделением времени могут заниматься разработкой программ, .

кать их и пользоваться многими различными приложениями. В обоих с ' ключевым фактором является время отклика системы. Прерывание было важным инструментом, который стал доступен си программистам еще на ранних стадиях развития многозадачных и многоп " тельских интерактивных систем. Выполнение любого задания может быть при наступлении определенного события, например завершения ввода-вывод этом процессор должен сохранить определенную информацию ~такую, как со мое программного счетчика, общих и системных регистров) и переключиться полнение программы обработки прерываний, которая выясняет природу ния, обрабатыв р ает его, а затем возобновляет исполнение одного из заданий.

Устройство системного программного обеспечения, координирующе добные и о ессы р ц, оказалось очень сложным При одновременной обработкегих заданий, каж ое дое из которых включает в себя длинную последовате действий, нельз я проанализировать все возможные комбинации последо ностей событий. Вви ду отсутствия систематических средств обеспечения к нации и взаимо действия разных видов деятельности систем программисты тились к спе и ц альным методам, основанным на представлении о той сре боту кото ой о р д лжна контролировать операционная система. При это -' подвергались риску допустить трудноуловимые ошибки, которые прая только в очень е к р д их случаях, при выполнении определенных последова событий.

Такие ошибки трудно обнаружить, потому что их нужно отличить ~вбок в приложениях и ошибок, возникающих при сбоях аппаратного обесоФи чеяия. Еще одной особенностью, затрудняющей определение причины этих бок ~когда они обнаружены), является то, что воспроизвести точные услов которых эти ошибки проявляются, крайне трудно.

Ниже перечислены ос~е причины подобных ошибок ~ВЕМХ80а1. Завн"'е Н правильная синхронизация. Часто случается так, что программа должна приос постановить свою работу и ожидать наступления какого-то события в системе. Например, программа, которая начала операцию ввода-вывода, не сможет продолжать работу„пока в буфере не будут доступны необходимые ей данные. В этом случае требуется передача сигнала от какой-то другой программы. Недост остаточная надежность сигнального механизма может привести к тому, что сигнал будет потерян или что будет получено два таких сигнала.

Сбой взаимного исключения. Часто один и тот же совместно используемый ресурс одновременно пытаются использовать несколько пользователей или несколько программ. Например, в системе бронирования авиабилетов два пользователя могут запросить доступ к базе данных и при наличии свободных мест изменить ее, забронировав билеты. Если этот доступ не контролируется должным образом, возможно возникновение ошибок. Для корректной работы требуется некоторый механизм взаимного исключения, позволяющий в каждый момент времени выполнять транзакцию только одной программе.

Правильность реализации такого взаимного исключения при всех возможных последовательностях событий крайне трудно проверить. ° Недетерминированное поведение программы. Результат работы каждой программы обычно должен зависеть только от ее ввода и не должен зависеть ат работы других программ, выполняющихся в этой же системе. Однако в условиях совместного использования памяти и процессора программы могут влиять на работу друг друга, переписывая общие области памяти непредсказуемым образом.

При этом результат работы программ может зависеть от порядка, в котором они выполняются. Взаимоблокировки. Возможны ситуации, в которых две или большее число программ зависают, ожидая действий друг друга, Например, двум программам может понадобиться, чтобы устройства ввода-вывода выполнили некоторую операцию (например, копирование с диска на магнитную ленту). Одна из этих программ осуществляет управление одним из устройств, а другая — другим. Каждая из них ждет, пока другая программа освободит нужный ресурс. Выйти нз такой тупиковой ситуации может помочь система распределения ресурсов.

Для решения перечисленных проблем нужен систематический метод, осноВав ~"ый на слежении за различными выполняющимися процессором программами " н управлении ими. В основе такого метода лежит концепция процесса. Мысленн "о "роцесс можно разделить на три компонента. ыполняющаяся программа.

Данные, нужные для ее работы (переменные, рабочее пространство, буферы итд) онтекст выполнения программы. Часть 1. Основные по Р.агав ва 2- Обзор операционных систем Последний элемент является очень ваясным. Контекст выполнения соп$ех$), или состояние процесса (ргосеза з1а1е), вкл1очает в себя всю ин нужную операционной системе для управления процессом, и процессору выполнения.

Данные, характеризующие это состояние, включают в себя различных регистров процессора, таких, как программный счетчик и ре ных. Сюда же входит информация, использующаяся операционной системо как приоритет процесса и сведения о том„находится ли данный процесс в ожидания какого-то события, связанного с вводом-выводом На рис. 2.8 показан пример реализации процессов.

Два процесса,'" находятся в различных областях основной памяти. Другими словами, процессу отведен блок памяти, в котором содержатся код программы,,'" и информация о состоянии процесса. Каждый процесс заносится в сп цессов, который создается и поддерживается операционной системой'. этого списка, соответствующая определенному процессу, содержит размещения этого процесса в памяти.

Кроме того, сюда же частично постыл может входить и информация о состоянии процесса. Остальные' могут храниться в самом процессе. В регистре индекса процесса сод индекс выполняющегося в текущий момент времени процесса, иде рующий его в списке процессов. Содержимое программного счетчика ет на очередную инструкцию, которую нужно выполнить.

Базовый и.' ный регистры задают область памяти, занимаемую процессом. В баз гистр заносится адрес начальной ячейки этой области, а в граничн " размер (в байтах или словах). Содержимое программного счетчика и лок на данные отсчитывается от значения базового регистра; по своей' не эти ссылки не могут превосходить значение граничного регистра шищает процессы от воздействия друг на друга). 'а Регистр индекса процесса, изображенный на рис. 2.8, указы выполняется процесс В. До этого выполнялся процесс А, но он в ' прерван.

Содержимое всех регистров в момент прекращения этого записано в виде данных о состоянии процесса. Впоследствии опер система сможет вернуться к выполнению процесса А; при этом буд, нен контекст выполнения процесса В и восстановлен контекст вы процесса А. Когда в программный счетчик загружается значение, у' ' щее на область кода программы процесса А, автоматически возобн выполнение этого процесса. Таким образом, процесс реализуется в виде структуры данных., жет выполняться или находиться в состоянии ожидания.

Состояние в каждый момент времени заносится в специально отведенную обла ных. Использование структуры позволяет развивать мощные методы, нации и взаимодействия процессов. В рамках операционной систем . нове данных о состоянии процесса путем их Расширения и добавлен дополнительной информации о процессе можно разрабатывать но можности операционных систем, При чтении книги нам встретится во примеров использования описанной структуры в решении задач,.', кающих при разработке многозадачных и многопользовательских о онных систем. Ремстри процессоРа Основная пеиеть се процессое Процесс В Рис.

2.8. Типичная реализация процессов Управление памятью Лучше всего потребности пользователя удовлетворяются вычислительной ~Редей, поддерживающей модульное программирование и гибкое использование "аяяых. Нужно обеспечить эффективный и систематичный контроль над разме~цевием данных в запоминающем устройстве со стороны управляющих программ операционной системы. Исходя из сформулированных требований, операционная ~"стема должна выполнять такие функции. Изоляция процессов. Операционная система должна следить за тем, чтобы "и один из независимых процессов не смог изменить содержимое памяти, ~~в~денное другому процессу, и наоборот. Автоматическое размещение и управление.