LectOS1po12 (Лекции по операционным системам), страница 7

3. "Группа", или "проект"; пользователи часто являются членами группы, совместно работающими над конкретным проектом, и в этом случае всем членам данной группы предоставляется возможность работы с данным файлом;

4. "Общедоступный", т.е. доступ к нему разрешается для всех пользователей данной системы; обычно в этом случае пользователи могут читать или выполнять файл, но производить запись в него запрещается.

Копирование и восстановление информации

Из практики эксплуатации файловых систем известно, что иногда в них происходит разрушение данных, чаще всего по случайным причинам, но иногда и по злому умыслу. Поэтому и ОС в целом, и ее файловая система должны разрабатываться с учетом этих возможностей. Наиболее распространенный способ обеспечения сохранности данных заключается в периодическом копировании, т.е. в регулярном изготовлении копий сохраняемых файлов, одной или более, и помещении их в безопасное место. Недостаток этого способа заключается в возможной потере всех изменений файла за период времени между последним копированием и аварией.

Другой способ обеспечения сохранности данных состоит в том, чтобы регистрировать все текущие изменения файла путем их копирования на другой диск. Подобная избыточность может стоить достаточно дорого, но она оправдывается в тех системах, в которых потеря даже небольшой части данных может привести к нарушению функций, выполняемых системой.

Лекция N 7

Оценка производительности вычислительной системы (ВС)

Так как ОС является в первую очередь системой управления ресурсами, то весьма важной является задача определения эффективности использования ресурсов ВС, функционирующей под управлением той или иной ОС. При этом главной задачей является определение производительности ВС. Можно отметить, что далеко не всегда оценкам производительности ВС уделяется должное внимание.

На начальном этапе развития вычислительной техники стоимость ВС определялась стоимостью аппаратуры ВС, поэтому в то время исследования производительности ВС касались в основном аппаратных вопросов. В настоящее время аппаратура является относительно дешевой компонентой по сравнению со стоимостью программного обеспечения (ПО), поэтому при исследовании производительности ВС очень важно учитывать не только ее зависимость от аппаратуры, но и от ПО, используемого на ВС.

Необходимость контроля и оценки производительности ВС

Следует выделить 3 цели, для достижения которых обычно исследуют производительность ВС.

• Оценка для выбора системы, в результате получения которой решают, стоит ли покупать ВС у конкретного поставщика.

• Планирование производительности, при которой ее оценивают для еще не существующей системы (это может быть новая ВС или же новые аппаратные и программные компоненты ВС).

• Контроль производительности, для чего производится сбор и накопление данных об имеющейся ВС или какой-либо ее компоненте.

На ранних стадиях разработки новой ВС ее изготовитель пытается предсказать характер прикладных задач, которые будут решаться на этой ВС, и ожидаемую рабочую нагрузку, связанную с этими задачами.

В процессе разработки и реализации новой ВС оценку и предсказание производительности используют для решения следующих проблем:

• определения наилучшей организации аппаратуры;

• выбора стратегии управления ресурсами, которая должна быть реализована в ОС;

• оценки разрабатываемой системы с точки зрения удовлетворения тем требованиям, которые предъявляются к ней по производительности.

Когда система уже эксплуатируется, то одной из важнейших является задача определения соответствия реальной производительности ВС той, которая указана изготовителем.

Чтобы добиться от ВС наивысшей производительности у конкретного пользователя, в систему могут быть внесены небольшие так называемые подгоночные изменения. Этот процесс настройки системы может дать весьма существенный выигрыш в ее производительности.

Показатели производительности ВС

Часть показателей производительности ориентирована на пользователя (например, время ответа). Другую часть показателей, например, степень загрузки ЦП, называют системно-ориенированной. Наиболее часто используют следующие показатели производительности:

• время ответа в диалоговых системах, т.е. время от момента нажатия клавиши "ВВОД" до момента начала выдачи ответа на дисплей;

• время реакции системы, т.е. время от момента нажатия клавиши "ВВОД" до момета выделения ВС первого временного кванта центральному процессору для обслуживания данного запроса пользователя;

• пропускная способность, т.е. число заданий К, выполняемых за единицу времени в зависимости от числа N одновременно работающих пользователей; типовой график зависимости К(N) представлен на рис.1.

Рис.1. График зависимости пропускной способности ВС от числа пользователей

Очевидно, что все указанные показатели имеют вероятностную природу, поэтому для приведенных показателей важны не только их средние значения, но и их дисперсии (или средние квадратические отклонения), характеризующие меру разброса относительно средних значений.

Иногда используют и такой показатель как загрузка какого-то ресурса, т.е. доля времени, в течение которого ресурс находится в работе. Однако здесь необходимо с достаточной осторожностью относиться к полученным оценкам, например, повышенная загрузка ЦП может иметь место ввиду низкой эффективности процесса программирования какой-то задачи и т.п. При измерении загрузки ЦП существенно, что ЦП может находиться в одном из следующих состояний:

- простаивать,

- работать в режиме "задача";

- работать в режиме "ОС".

Методы оценки производительности

Американский ученый Лукас провел анализ наиболее важных с его точки зрения методов оценки производительности и указал их применимость для различных целей этой оценки. Учитывая, что результаты этого анализа были опубликованы в 1971 г., здесь приведены лишь те результаты, которые не потеряли актуальности до настоящего времени, а небольшая часть результатов подвергнута некоторой коррекции. В приводимой ниже таблице использованы следующие обозначения: знак "-" обозначает, что метод неприменим, "1" - метод может быть использован, но дает весьма неточные результаты, "2" - метод дает некоторую информацию, но неполон и его следует использовать совместно с другими методами, "3" - метод дает вполне приемлемые результаты.

1. Элементарные времена

Сравнение по элементарным временам обычно производится для нескольких основных аппаратных операций, причем в качестве основной часто выбирают операцию сложения чисел с фиксированной запятой. Однако эта оценка является весьма приблизительной, так как она не учитывает таких особенностей построения ЦП ЭВМ, как число тактов работы конвейера операций при выполнении других команд, например, умножения чисел с фиксированной запятой.

2. Смеси команд

Метод использует взвешенное среднее время выполнения различных команд, что в большей степени отвечает конкретному применению ВС. Однако и этот метод имеет ряд существенных недостатков:

• выбор весов для частоты появления каждой команды весьма субъективен;

• метод не дает информации для оценки ПО в целом;

• в современных ЭВМ время выполнения большинства типов команд может сильно колебаться в зависимости от контекста использования анализируемой команды из-за наличия или отсутствия данного участка текста программы в кэш-памяти и влияния конвейера операций.

3. Аналитические модели

Аналитическая модель является математическим представлением функционирования ВС или ее компонент. Наиболее часто используют модели, созданные с помощью теории очередей и марковских процессов. Для этого метода имеется богатый арсенал математических результатов, воспользовавшись которыми можно в ряде случаев сравнительно быстро и точно оценить производительность данной ВС или ее компоненты. Однако у аналитических моделей имеется и немало недостатков:

• исследователь должен обладать высокой математической квалификацией;

• точные решения существуют лишь для простейших моделей;

• при упрощении моделей результаты могут сильно исказиться.

Эти модели могут оказаться весьма эффективны при оценке производительности ВС в целом или производительности достаточно больших частей ПО этой ВС, при этом для оценки временных затрат при исполнении относительно небольших программных компонент должны использоваться какие-либо другие методы измерения производительности ВС, например, метод смесей команд.

4. Измерительные программы (ИП)

ИП - это реальная программа или даже пакет реальных программ, по результатам выполнения которых на реальной ВС получают оценку производительности последней. Обычно в качестве ИП берут производственные программы (т.е. регулярно работающие), которые типичны для класса задач, решаемых на данной ВС, однако на выбор той или иной ИП могут оказать влияние субъективные факторы, что является недостатком данного метода. ИП особенно ценны в сложной операционной среде: в мультипрограммных и мультипроцессорных системах, системах передачи данных и системах реального времени, системах управления базами данных.

Следует также отметить, что благодаря перечисленным факторам, а также учитывая простоту рассматриваемого метода, ИП стали, вероятно, одним из самых популярных методов.

Для сравнения характеристик аппаратуры, архитектуры различных ЭВМ и используемого на них ПО в настоящее время используют несколько наиболее популярных ИП. Результаты прохождения этих программ обычно оценивают по относительной производительности П(отн):

или иногда ,

где П(ср) и П(баз) - средние производительности соответственно сравниваемой и базовой ЭВМ на выполняемой ИП. Получение оценок для производительности ЭВМ выполняют отдельно для операций с фиксированной запятой и с плавающей запятой, для чего используют различные пакеты ИП.

Такими популярными ИП в настоящее время являются, например, пакеты SPECint92 и SPECfp92 для оценки производительности на операциях с фиксированной и плавающей запятой соответственно.

5. Имитационные модели