Операционные системы учебное пособие (1085734), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Процесс (или по-другому, задача) -абстракция, описывающая выполняющуюся программу. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.

Создание процессов и потоков

• Создать процесс - это прежде всего создать описатель процесса, который необходим ОС для управления им (например: идентификатор процесса, степень привилегированности)

  • Примеры описателей процесса:

    • Блок управления задачей (ТСВ) в OS/360

    • Управляющий блок процесса (РСВ) в OS/2

    • Дескриптор процесса в UNIX

    • Объект-процесс в Windows

• Создание процесса включает загрузку кодов и данных в оперативную память

  • В многопоточной системе при создании процесса ОС создает поток

  • Поток-потомок

Планирование и диспетчеризация потоков

• Планирование - это работа по определению того, в какой момент прервать выполнение одного потока и какому потоку предоставить возможность выполняться

  • Задачи планирования:

    • Определение момента времени для смены текущего активного потока

    • Выбор для выполнения потока из очереди готовых потоков

• Диспетчеризация - это реализация решения, найденного в результате планирования

  • Задачи диспетчеризации:

    • Сохранение контекста текущего потока

    • Загрузка контекста нового потока

    • Запуск нового потока на выполнение

• Контекст потока можно разделить на общую часть для всех потоков данного процесса и часть, относящуюся только к данному потоку

  • Иерархия контекстов ускоряет переключение потоков

Управление процессами

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Процесс (или по-другому, задача) - абстракция, описывающая выполняющуюся программу.

Состояние процессов

• ВЫПОЛНЕНИЕ - активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

• ОЖИДАНИЕ - пассивное состояние процесса, процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса;

• ГОТОВНОСТЬ - также пассивное состояние процесса, но в этом случае процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе.

В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ - несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно "вытеснен" из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени. В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.

Алгоритмы планирования

Два класса:

• Невытесняющие - решение принимается приложением (применяются в NetWare)

• Вытесняющие - решение принимается ОС (применяются в UNIX, Windows, OS/2, VMS)

Алгоритмы планирования процессов

Планирование процессов включает в себя решение следующих задач:

• определение момента времени для смены выполняемого процесса;

• выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов;

• переключение контекстов "старого" и "нового" процессов.

Существует два основных типа процедур планирования процессов - вытесняющие (preemptive) и невытесняющие (non-preemptive).

Non-preemptive multitasking - невытесняющая многозадачность - это способ планирования процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление планировщику операционной системы для того, чтобы тот выбрал из очереди другой, готовый к выполнению процесс.

Preemptive multitasking - вытесняющая многозадачность - это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается планировщиком операционной системы, а не самой активной задачей.

Наиболее часто встречающиеся алгоритмы:

• алгоритмы, основанные на квантовании

• алгоритмы, основанные на приоритетах

Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.

Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, по разному решающих вышеперечисленные задачи, преследующих различные цели и обеспечивающих различное качество мультипрограммирования. Среди этого множества алгоритмов рассмотрим подробнее две группы наиболее часто встречающихся алгоритмов: алгоритмы, основанные на квантовании, и алгоритмы, основанные на приоритетах.

В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если:

процесс завершился и покинул систему; произошла ошибка; процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ; исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.

Другая группа алгоритмов использует понятие "приоритет" процесса. Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.

Приоритет может выражаться целыми или дробными, положительным или отрицательным значением. Чем выше привилегии процесса, тем меньше времени он будет проводить в очередях. Приоритет может назначаться директивно администратором системы в зависимости от важности работы или внесенной платы, либо вычисляться самой ОС по определенным правилам, он может оставаться фиксированным на протяжении всей жизни процесса либо изменяться во времени в соответствии с некоторым законом. В последнем случае приоритеты называются динамическими.

Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты.

Алгоритмы планирования процессов, основанные на квантовании

В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если:

• процесс завершился и покинул систему,

• произошла ошибка,

• процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ,

• исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.

Поток, который исчерпал свой квант, переводится в состояние готовности и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый поток из очереди готовых.

Кванты, выделяемые потокам, могут быть одинаковыми для всех потоков или различными.

Разновидности приоритетных алгоритмов

• Алгоритмы - использующие относительные приоритеты

• Алгоритмы - использующие абсолютные приоритеты

Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности потока при использовании ресурсов вычислительной машины

Графы состояний процессов в системах (а) с относительными приоритетами; (б)с абсолютными приоритетами

Мультипрограммирование на основе прерываний

Назначение и типы прерываний

• Внешние - пользователь, аппаратура

• Внутренние (исключения) - аварийная ситуация

• Программные - переход на новую последовательность инструкций

Механизм прерываний

• Аппаратная поддержка

• Векторные и опрашиваемые прерывания

• Приоритерация и маскирование

Прерывания являются основной движущей силой любой ОС.

В зависимости от источника прерывания делятся на три больших класса: внешние, внутренние, программные.

Внешние прерывания могут возникать в результате действий пользователя или от поступающих сигналов от аппаратуры. Внешние прерывания называют аппаратными.

Внутренние прерывания, называемые также исключениями, происходят синхронно выполнению программы при появлении аварийной ситуации в ходе выполнения некоторой инструкции программы.

Программные прерывания отличаются от предыдущих двух классов тем, что от по своей сути не являются истинными прерываниями. Программное прерывание возникает при выполнении особой команды процессора, выполнение которой имитирует прерывания, то есть переход на новую последовательность инструкций.

Средства синхронизации и взаимодействия процессов и потоков

• Проблема синхронизации

  • Существует только для многозадачной ОС

• Критическая секция

  • Критическая секция - это часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным

• Тупики или взаимные блокировки

Процессам часто нужно взаимодействовать друг с другом, например, один процесс может передавать данные другому процессу, или несколько процессов могут обрабатывать данные из общего файла. Во всех этих случаях возникает проблема синхронизации процессов, которая может решаться приостановкой и активизацией процессов, организацией очередей, блокированием и освобождением ресурсов.

Ситуации подобные той, когда два или более процессов обрабатывают разделяемые данные, и конечный результат зависит от соотношения скоростей процессов, называются гонками.

Важным понятием синхронизации процессов является понятие "критическая секция" программы. Критическая секция - это часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент в критической секции, связанной с этим ресурсом, находился максимум один процесс. Этот прием называют взаимным исключением.

Простейший способ обеспечить взаимное исключение - позволить процессу, находящемуся в критической секции, запрещать все прерывания. Однако этот способ непригоден, так как опасно доверять управление системой пользовательскому процессу; он может надолго занять процессор, а при крахе процесса в критической области крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

Другим способом является использование блокирующих переменных. Следует заметить, что операция проверки и установки блокирующей переменной должна быть неделимой.

Реализация критических секций с использованием блокирующих переменных имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один процесс находится в критической секции, другой процесс, которому требуется тот же ресурс, будет выполнять рутинные действия по опросу блокирующей переменной, бесполезно тратя процессорное время. Для устранения таких ситуаций может быть использован так называемый аппарат событий. С помощью этого средства могут решаться не только проблемы взаимного исключения, но и более общие задачи синхронизации процессов.

Тупики

Еще одна проблема синхронизации - взаимные блокировки, называемые также дедлоками (deadlocks), клинчами (clinch) или тупиками.

Нити

Внутренние единицы работы в разных ОС носят разные названия - задача, задание, процесс, нить.

Нити имеют собственные:

• программный счетчик

• стек

• регистры

• нити-потомки

• состояние

Нити разделяют:

• адресное пространство,

• глобальные переменные

• открытые файлы

• таймеры

• семафоры

• статистическую информацию

Многозадачность является важнейшим свойством ОС. Для поддержки этого свойства ОС определяет и оформляет для себя те внутренние единицы работы, между которыми и будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. Эти внутренние единицы работы в разных ОС носят разные названия - задача, задание, процесс, нить. В некоторых случаях сущности, обозначаемые этими понятиями, принципиально отличаются друг от друга.

Говоря о процессах, мы отмечали, что операционная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы -файлы, окна, семафоры и т.д. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы машины, конкурируют с друг другом. В общем случае процессы принадлежат разным пользователям, разделяющим один компьютер, и ОС берет на себя роль арбитра в спорах процессов за ресурсы.

Характеристики

Список файлов книги