Алгоритмы и механизмы синхронизации процессов в операционных системах
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
ятся в памяти компьютера. Когда говорят обо всех ресурсах компьютера, включая как физические, так и логические ресурсы, то обычно используют термины ресурсы компьютера или системные ресурсы.
Для выполнения на компьютере какой-либо программы необходимо, чтобы она имела доступ к ресурсам компьютера. Этот доступ обеспечивает операционная система. Можно сказать, что операционная система - это комплекс программ, который обеспечивает доступ к ресурсам компьютера и управляет ими. Другими словами, операционная система - это администратор или менеджер ресурсов компьютера. Назначение операционной системы состоит в обеспечении пользователя программными средствами для использования ресурсов компьютера и эффективном разделении этих ресурсов между пользователями. Отсюда следует, что главными функциями операционной системы являются управление ресурсами компьютера и диспетчеризация или планирование этих ресурсов.
Рис. 1. Функции операционной системы
1.2 Понятие процесса и потока
К современным операционным системам, предъявляют важное требование - многозадачность: способность одновременно или попеременно выполнять несколько программ, совместно использующих не только процессор, но и другие ресурсы компьютера: оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода, данные.
Чтобы поддерживать многозадачность, ОС должна определить и оформить для себя те внутренние единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В настоящее время в большинстве операционных систем определены два типа единиц работы - процесс (process) и поток (thread).
1.3 Свойства процессов и потоков
Любая работа вычислительной системы заключается в выполнении определенного программного кода. Чтобы этот программный код мог быть выполнен, его необходимо загрузить в оперативную память, возможно, выделить некоторое место на диске для хранения данных, предоставить доступ к устройствам ввода-вывода, например к последовательному порту для получения данных по подключенному к этому порту модему; и т. д. В ходе выполнения программе может также понадобиться доступ к информационным ресурсам, например файлам, портам TCP/UPD. И для выполнения программы необходимо предоставление ей процессорного времени, то есть времени, в течение которого процессор выполняет коды данной программы.
В операционных системах, где существуют и процессы, и потоки, процесс рассматривается операционной системой как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного - процессорного времени. Этот последний важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы - потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд.
В простейшем случае процесс состоит из одного потока. В таких системах понятие поток полностью поглощается понятием процесс, то есть остается только одна единица работы и потребления ресурсов - процесс. Мультипрограммирование осуществляется в таких ОС на уровне процессов.
В.Г.Олифер и Н.А.Олифер в своей книге Сетевые операционные системы считают, что важнейшая задача ОС заключается в изоляции одного процесса от другого, для того чтобы они не могли вмешаться в распределение ресурсов, а также не могли повредить коды и данные друг друга. Для этого операционная система обеспечивает каждый процесс отдельным виртуальным адресным пространством, так что ни один процесс не может получить прямого доступа к командам и данным другого процесса.
Виртуальное адресное пространство процесса - это совокупность адресов, которыми может манипулировать программный модуль процесса. Операционная система отображает виртуальное адресное пространство процесса на отведенную процессу физическую память.
При необходимости взаимодействия процессы обращаются к операционной системе, которая, выполняя функции посредника, предоставляет им средства межпроцессной связи - конвейеры, почтовые ящики, разделяемые секции памяти и некоторые другие.
Однако в системах, в которых отсутствует понятие потока, возникают проблемы при организации параллельных вычислений в рамках процесса. А такая необходимость может возникать. Действительно, при мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов только замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса). Однако приложение, выполняемое в рамках одного процесса, может обладать внутренним параллелизмом, который в принципе мог бы позволить ускорить его решение. Если, например, в программе предусмотрено обращение к внешнему устройству, то на время этой операции можно не блокировать выполнение всего процесса, а продолжить вычисления по другой ветви программы. Параллельное выполнение нескольких работ в рамках одного интерактивного приложения повышает эффективность работы пользователя. Так, при работе с текстовым редактором желательно иметь возможность совмещать набор нового текста с такими продолжительными по времени операциями, как переформатирование значительной части текста, печать документа или его сохранение на локальном или удаленном диске. Еще одним примером необходимости распараллеливания являет