Операционная система

При выделении квантов потоку могут использоваться разные принципы: эти кванты могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни потока. Например, для некоторого конкретного потока первый квант может быть довольно большим, а каждый следующий выделяемый ему квант может иметь меньшую длительность (уменьшение до заданных пределов). Таким образом, формируется преимущество для более коротких потоков, а длительные задачи переходят в фоновый режим. Другой принцип основан на том факте, что процессы, часто выполняющие операции ввода-вывода, не полностью реализуют выделяемые им кванты времени. Для компенсации этой несправедливости из таких процессов может быть сформирована отдельная очередь, которая имеет привилегии по отношению к остальным потокам. При выборе очередного потока на выполнение сначала просматривается эта очередь, и, только если она пуста, выбирается поток из общей очереди, готовых к выполнению.

программный обеспечение система графический

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наиболее распространенные дисциплины планирования.

Работа процессора производится по принципу FIFO (First In First Out), т.е. в порядке поступления заявок на обслуживание. Этот подход позволяет реализовать стратегию "по возможности заканчивать вычисления в порядке их появления". Те задачи, которые были заблокированы в процессе выполнения, после перехода в состояние готовности ставятся в очередь перед теми задачами, которые еще не выполнялись. Таким образом, создается две очереди: одна из еще не выполнявшихся задач, а другая - из задач, перешедших из состояния ожидания.

Эта дисциплина реализуется как невытесняющая, когда задачи освобождают процессор добровольно.

Достоинством данного алгоритма является его простота реализации. Недостатком - при большой загрузке короткие задания вынуждены ожидать в системе долгое время. Следующий подход устраняет этот недостаток.

Кратчайший процесс обслуживается первым (Shortest Job First (SJF)). Согласно этому алгоритму, следующим для выполнения назначается поток с минимальным оценочным временем, требуемым для окончания его работы. Здесь оказывается предпочтение потокам, которым осталось немного времени до их завершения. Благодаря этому уменьшается количество ожидающих задач в системе. Недостатком является необходимость заранее знать оценочные времена, что не всегда возможно. В качестве грубого приближения в некоторых случаях можно использовать время, затраченное потоком при последнем получении управления.

Алгоритм относится к разряду невытесняющих бесприоритетных.

Названные алгоритмы могут использоваться для пакетных режимов работы, когда пользователь не ожидает реакции системы. Для интерактивных же вычислений нужно прежде всего обеспечить приемлемое время реакции и равенство в обслуживании для мультитерминальных систем. Для однопользовательских систем желательно, чтобы те программы, с которыми непосредственно работают, имели лучшее время реакции, чем фоновые задания. Кроме того, некоторые приложения, выполняясь без непосредственного участия пользователя, должны тем не менее гарантированно получать свою долю процессорного времени (например, программа получения электронной почты). Для решения подобных проблем используются приоритетные методы обслуживания и концепция квантования.

Карусельная дисциплина, или круговая - RR (Round Robin).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3.2. Дисциплина планирования RR.

Данная дисциплина относится к вытесняющим алгоритмам и основана на квантовании. Каждая задача получает процессорное время порциями - квантами. После окончания кванта времени задача снимается с процессора и ставится в конец очереди процессов, готовых к выполнению, а на обслуживание процессором принимается очередная задача. Для оптимальной работы системы необходимо правильно выбрать закон, по которому кванты времени выделяются задачам.

Величина кванта выбирается как компромисс между приемлемым временем реакции системы на запросы пользователей (с тем, чтобы их простейшие запросы не вызывали длительного ожидания) и накладными расходами на частую смену задач. При прерываниях ОС должна сохранить достаточно большой объем информации о текущем процессе, поставить дескриптор снятой задачи в очередь, загрузить контекст новой задачи. При малой величине кванта времени и частых переключениях относительная доля таких накладных расходов станет большой, и это ухудшит производительность системы в целом. При большой величина кванта времени и увеличении очереди готовых задач реакция системы станет плохой.

Данная дисциплина обслуживания является одной из самых распространенных. В некоторых случаях, когда ОС не поддерживает в явном виде дисциплину карусельного планирования, такое обслуживание можно организовать искусственно. Например, в некоторых ОСРВ используется планирование с абсолютными приоритетами, а при равенстве приоритетов действует принцип очередности. Т.е., снять задачу с выполнения может только задача с более высоким приоритетом. При необходимости организовать обслуживание равномерно и равноправно, т.е. чтобы все задания получали одинаковые кванты времени, системный оператор может сам реализовать такое обслуживание. Для этого достаточно всем пользовательским задачам присвоить одинаковые приоритеты и создать одну высокоприоритетную задачу, которая не должна ничего делать, кроме как планироваться на выполнение по таймеру через указанные интервалы времени. Эта задача будет только снимать с выполнения текущее приложение, оно переместится в конец очереди, а сама задача тут же покинет процессор и уступит его следующему в очереди процессу.

В простейшей реализации карусельная дисциплина обслуживания предполагает, что все задания имеют одинаковый приоритет. Если же необходимо ввести механизм приоритетного обслуживания, обычно организуют несколько очередей, в зависимости от приоритетов, и к обслуживанию менее приоритетной очереди переходят только в том случае, когда более приоритетная очередь пуста. По такому алгоритму выполняется планирование в системах OS/2 и Windows NT.

Планирование согласно приоритетам.

Важная концепция, лежащая в основе многих вытесняющих алгоритмов - это приоритетное обслуживание. Такие алгоритмы используют информацию, находящуюся в описателе потока - его приоритет. В разных системах приоритет определяется по-разному. В одних системах наивысшим значением приоритета может считаться его численно наибольшее значение, в других - наоборот, наивысшим приоритетом считается нулевой.

Как правило, приоритет потока непосредственно связан с приоритетом процесса, в рамках которого выполняется данный поток. Приоритет процесса назначается операционной системой при его создании, при этом учитывается, является ли процесс системным или прикладным, каков статус пользователя, запустившего процесс, было ли явное указание пользователя на присвоение процессу определенного приоритета. Значение приоритета включается в описатель процесса и используется при назначении приоритета его потокам. Если поток инициирован не по команде пользователя, а в результате выполнения системного вызова другим потоком, тогда для назначения ему приоритета ОС должна учитывать параметры системного вызова.

При планировании обслуживания программ согласно описанным ранее алгоритмам может возникнуть ситуация, когда некоторые задачи контроля или управления не смогут быть реализованы в течение длительного промежутка времени из-за возрастания нагрузки в системе (особенно в ОСРВ). При этом последствия из-за несвоевременного выполнения таких задач могут быть серьезнее, чем из-за невыполнения каких-то программ с более высоким приоритетом. В таком случае было бы целесообразно временно изменить приоритет "аварийных" задач (у которых истекает отпущенное для них время обработки), а после выполнения восстановить прежнее значение. Введение механизмов динамического изменения приоритетов позволяет реализовать более быструю реакцию системы на короткие запросы пользователей (что важно при интерактивной работе), но при этом гарантировать выполнение любых запросов.

Таким образом, приоритет может быть статическим (фиксированным) или динамическим (изменяющимся системой в зависимости от ситуации в ней). Так называемый базовый приоритет потока непосредственно зависит от базового приоритета процесса, его породившего. В некоторых случаях система может повышать приоритет потока (причем в различной степени), например, если квант отведенного ему процессорного времени не был использован полностью, или понижать приоритет в противном случае. Например, ОС повышает приоритет в большей степени потокам, ожидающим ввода с клавиатуры, и в меньшей степени - потокам, выполняющим операции с диском. В некоторых системах, использующих механизм динамических приоритетов, для изменения приоритета используются достаточно сложные формулы, в которых участвуют значения базовых приоритетов, степень загрузки вычислительной системы, начальное значение приоритета, заданное пользователем, и т.п.

Существуют две разновидности приоритетного планирования: обслуживание с относительными приоритетами и обслуживание с абсолютными приоритетами. В обоих случаях выбор потока на выполнение осуществляется одинаково - выбирается поток, имеющий наивысший приоритет, а момент смены активного потока определяется по-разному. В системе с относительными приоритетами активный поток выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор (перейдет в состояние ожидания, или произойдет ошибка, или поток завершится). В системе с абсолютными приоритетами прерывание активного потока, кроме указанных причин, происходит еще и в случае, если в очереди готовых потоков появляется поток с более высоким приоритетом, чем активный. Тогда выполняемый поток прерывается и переводится в состояние готовности.

Смешанный тип планирования используется во многих ОС: алгоритмы планирования на основе приоритетов сочетаются с концепцией квантования.

Для систем, в которых процессы могут быть легко рассортированы по разным группам, был разработан другой класс алгоритмов планирования. Для каждой группы процессов создается своя очередь процессов, находящихся в состоянии готовность. Этим очередям приписываются фиксированные приоритеты. Например, приоритет очереди системных процессов устанавливается выше, чем приоритет очередей пользовательских процессов. А приоритет очереди процессов, запущенных студентами, ниже, чем для очереди процессов, запущенных преподавателями. Это значит, что ни один пользовательский процесс не будет выбран для исполнения, пока есть хоть один готовый системный процесс, и ни один студенческий процесс не получит в свое распоряжение процессор, если есть процессы преподавателей, готовые к исполнению. Внутри этих очередей для планирования могут применяться самые разные алгоритмы. Так, например, для больших счетных процессов, не требующих взаимодействия с пользователем (фоновых процессов), может использоваться алгоритм FCFS, а для интерактивных процессов - алгоритм RR. Подобный подход, получивший название многоуровневых очередей, повышает гибкость планирования: для процессов с различными характеристиками применяется наиболее подходящий им алгоритм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4.1. Несколько очередей планирования.

Дальнейшим развитием алгоритма многоуровневых очередей является добавление к нему механизма обратной связи. Здесь процесс не постоянно приписан к определенной очереди, а может мигрировать из одной очереди в другую в зависимости от своего поведения.

Для простоты рассмотрим ситуацию, когда процессы в состоянии готовность организованы в 4 очереди, как на следующем рисунке. Планирование процессов между очередями осуществляется на основе вытесняющего приоритетного механизма. Чем выше на рисунке располагается очередь, тем выше ее приоритет. Процессы в очереди 1 не могут исполняться, если в очереди 0 есть хотя бы один процесс. Процессы в очереди 2 не будут выбраны для выполнения, пока есть хоть один процесс в очередях 0 и 1. И наконец, процесс в очереди 3 может получить процессор в свое распоряжение только тогда, когда очереди 0, 1 и 2 пусты. Если при работе процесса появляется другой процесс в какой-либо более приоритетной очереди, исполняющийся процесс вытесняется новым. Планирование процессов внутри очередей 0-2 осуществляется с использованием алгоритма RR, планирование процессов в очереди 3 основывается на алгоритме FCFS.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4.2. Многоуровневые очереди с обратной связью.

Схема миграции процессов в многоуровневых очередях планирования с обратной связью. Вытеснение процессов более приоритетными процессами и завершение процессов на схеме не показано.

Родившийся процесс поступает в очередь 0. При выборе на исполнение он получает в свое распоряжение квант времени размером 8 единиц. Если продолжительность его CPU burst меньше этого кванта времени, процесс остается в очереди 0. В противном случае он переходит в очередь 1. Для процессов из очереди 1 квант времени имеет величину 16. Если процесс не укладывается в это время, он переходит в очередь 2. Если укладывается - остается в очереди 1. В очереди 2 величина кванта времени составляет 32 единицы. Если для непрерывной работы процесса и этого мало, процесс поступает в очередь 3, для которой квантование времени не применяется и, при отсутствии готовых процессов в других очередях, может исполняться до окончания своего CPU burst. Чем больше значение продолжительности CPU burst, тем в менее приоритетную очередь попадает процесс, но тем на большее процессорное время он может рассчитывать. Таким образом, через некоторое время все процессы, требующие малого времени работы процессора, окажутся размещенными в высокоприоритетных очередях, а все процессы, требующие большого счета и с низкими запросами к времени отклика, - в низкоприоритетных.

Миграция процессов в обратном направлении может осуществляться по различным принципам. Например, после завершения ожидания ввода с клавиатуры процессы из очередей 1, 2 и 3 могут помещаться в очередь 0, после завершения дисковых операций ввода-вывода процессы из очередей 2 и 3 могут помещаться в очередь 1, а после завершения ожидания всех других событий - из очереди 3 в очередь 2. Перемещение процессов из очередей с низкими приоритетами в очереди с высокими приоритетами позволяет более полно учитывать изменение поведения процессов с течением времени.

Многоуровневые очереди с обратной связью представляют собой наиболее общий подход к планированию процессов из числа подходов, рассмотренных нами. Они наиболее трудны в реализации, но в то же время обладают наибольшей гибкостью. Понятно, что существует много других разновидностей такого способа планирования, помимо варианта, приведенного выше. Для полного описания их конкретного воплощения необходимо указать:

· Количество очередей для процессов, находящихся в состоянии готовность.

· Алгоритм планирования, действующий между очередями.

· Алгоритмы планирования, действующие внутри очередей.

· Правила помещения родившегося процесса в одну из очередей.

· Правила перевода процессов из одной очереди в другую.

Изменяя какой-либо из перечисленных пунктов, мы можем существенно менять поведение вычислительной системы.

Основной особенностью мультипрограммных вычислительных систем является то, что в их среде параллельно развивается несколько (последовательных) вычислительных процессов. С точки зрения внешнего наблюдателя эти процессы выполняются одновременно, поэтому будем считать их работающими параллельно независимо от того, реально они используют в некоторый момент времени различные процессоры, каналы, устройства или разделяют одни и те же ресурсы во времени. Любая мультипрограммная ОС вместе с параллельно выполняющимися в ней задачами пользователей может быть логически описана как совокупность последовательных процессов. Эти процессы, с одной стороны, состязаются за использование ресурсов, переходя из одного состояния в другое, а с другой - действуют почти независимо друг от друга, но образуют систему вследствие установления всевозможных связей между ними путем пересылки сообщений и синхронизирующих сигналов.

Два параллельных процесса могут быть независимыми или взаимодействующими.

Независимыми являются процессы, множества переменных которых не пересекаются. Под переменными в этом случае понимают файлы данных, а также области оперативной памяти, сопоставленные определенным в программе переменным. Независимые процессы не влияют на результаты работы друг друга, т.к. не могут изменить значение переменных другого независимого процесса. Они могут только являться причиной задержек исполнения других процессов, т.к. вынуждены разделять ресурсы системы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Взаимодействующие процессы совместно используют некоторые общие переменные, и выполнение одного процесса может повлиять на выполнение другого.

Взаимодействовать могут либо конкурирующие процессы, либо совместно выполняющие общую работу. Конкурирующие процессы на первый взгляд действуют относительно независимо, но имеют доступ к общим переменным. Процессы, работа которых построена на обмене данными (результат вычислений одного процесса в явном виде передается другому), называют сотрудничающими.

Многие ресурсы системы могут использоваться совместно несколькими процессами, но к разделяемым ресурсам в каждый момент времени может иметь доступ только один процесс. Ресурсы, которые не допускают одновременного использования несколькими процессами, называют критическими. В системе должна быть предусмотрена защита от одновременного доступа процессов к критическим ресурсам, иначе в ней могут возникать непрогнозируемые и трудно обнаруживаемые ошибки.

В мультипрограммной системе потоки и процессы протекают асинхронно, с различными скоростями, на которые могут влиять еще и решения планировщиков относительно других процессов. Поэтому влияние взаимодействующих процессов друг на друга невозможно спрогнозировать. Чтобы предотвратить порчу общих данных и исключить взаимную блокировку, потокам необходимо синхронизировать свою работу. Синхронизация заключается в согласовании скоростей потоков путем приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации, когда это событие произойдет.

При отсутствии синхронизации возможны следующие проблемы:

· Возникновение гонок. Гонками называется такая ситуация, когда два или более потоков обрабатывают разделяемые данные и конечный результат зависит от соотношения скоростей потоков.

· Взаимные блокировки, или тупики (дедлоки, клинчи - разные термины для обозначения одного события). Тупик - это состояние, когда несколько процессов ждут событий, которые могут быть вызваны только одним из этих процессов. Так как все процессы находятся в состоянии ожидания, то эти события не произойдут никогда, следовательно, без вмешательства системы ожидание будет бесконечным.

Механизмы синхронизации различаются в зависимости от того, относятся они к потокам одного или разных процессов. Для синхронизации потоков одного процесса можно использовать глобальные блокирующие переменные, которые позволяют контролировать работу потоков в критической секции (мониторы, семафоры). Для потоков разных процессов ОС использует системные семафоры, события, сигналы, таймеры и пр. В распределенных системах, состоящих из нескольких процессоров, синхронизация может быть реализована только посредством передачи сообщений

Критическая секция - это часть программы, результат выполнения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к этой части программы, изменяются другими потоками, когда выполнение этой части еще не завершено. Критическая секция всегда определяется по отношению к критическим данным, при несогласованном изменении которых могут возникнуть нежелательные эффекты.

Общие данные, разделяемые несколькими потоками, удобно описывать как ресурс, а обновление данных соответствует распределению или освобождению элементов ресурса.

Пример. Необходимо вести базу данных клиентов некоторого предприятия. Каждому клиенту отводится отдельная запись в базе данных, в которой среди прочих полей имеются поля заказ и оплата. Программа, ведущая базу данных, оформлена как единый процесс, имеющий несколько потоков, в том числе поток A, который заносит в базу информацию о заказах, поступивших от клиентов, и поток B, который фиксирует в базе сведения об оплате клиентами выставленных счетов.

Оба эти потока совместно работают над общим файлом базы данных, используя однотипные алгоритмы, включающие три шага:

· Считать из файла базы данных в буфер запись о клиенте с заданным идентификатором;

· Внести новое значение в поле заказ (для потока A) или оплата (для потока B);

· Вернуть модифицированную запись в файл базы данных.

Обозначим соответствующие шаги для потока A как A1, A2, A3, а для потока B - B1, B2, B3. Предположим, что тому и другому потоку потребовалось изменить сведения о заказе и оплате одного и того же клиента N. В некоторый момент времени поток A считывает соответствующую клиенту запись в буфер и модифицирует значение поля заказ (шаги A1, A2), но внести эту запись в базу (выполнить шаг A3) не успевает, т.к. его выполнение прерывается, например, вследствие завершения отведенного ему кванта времени. Когда подходит очередь потока B, он тоже успевает только считать запись в буфер и произвести изменения в поле оплата (шаги B1, B2), а внести измененную запись (шаг B3) в базу не успевает.

В такой ситуации окончательный результат, занесенный в базу, будет зависеть от того, какой из потоков - A или B - первым получит возможность закончить свою работу. Но как в том, так и в другом случае часть информации окажется потерянной, хотя все исправления были успешно внесены. Сохранится только изменение, сделанное потоком, который последним занесет запись о клиенте в базу данных. Здесь также имеет место эффект гонок.

В данном примере критической секцией потока A являются A1, A2, A3, а потока B - B1, B2, B3.

Для исключения описанного эффекта по отношению к критическим данным необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент времени в критической секции, связанной с этими данными, находился только один поток. При этом неважно, в активном или приостановленном состоянии он находится. Этот прием называют взаимным исключением. Следует отметить, что вне критических секций потоки должны иметь возможность работать параллельно. Более точно проблема формулируется так.

Пусть имеется мультипрограммная система с общей памятью. Каждая из программ, выполняемых процессором, содержит критическую секцию, в которой организован доступ к общим данным. Программы выполняются циклически. Необходимо так запрограммировать доступ к общей памяти, чтобы в любой момент только одна из программ находилась в своей критической секции.

Относительно системы сделаны следующие предположения:

Считывание из общей памяти и запись в нее - неделимые операции. Одновременные обращения (на запись или на считывание) к одной и той же ячейке памяти более чем одного процесса приведут к последовательным обращениям в произвольном порядке.

Критические секции не могут иметь связанных с ними приоритетов.

Относительные скорости процессов неизвестны.

Программа может останавливаться вне критической секции (КС).

Требования к критическим секциям:

· в любой момент времени только один процесс может находиться в своей критической секции;

· ни один процесс не должен находиться в своей критической секции бесконечно долго;

· ни один процесс не должен ждать бесконечно долго входа в свой критический интервал;

· если процесс, находящийся в своем критическом интервале, завершается либо естественным, либо аварийным путем, то режим взаимоисключения должен быть отменен, с тем, чтобы другие процессы получили возможность входить в свои критические секции.

Размещено на Allbest.ru