Комплекс программ, предназначенный для обеспечения определенного уровня эффективности вс (вычислительной системы) за счет автоматизированного управления ее работой и предоставления пользователю определенного рода услуг.

Вид материала

Документы

Содержание Программные каналы (транспортёр). Логический ресурс Статические и динамические распределения. Динамические распределения Мультипрограммная система Мультипрограммная система

Подобный материал:

• Лекція 3 "Економічна інформатика" Тема 3-б. Системне забезпечення інформаційних процесів, 122.94kb.
• Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы, 1557.26kb.
• Информационные технологии управления образовательным процессом в вузе, 60.11kb.
• Брэнда, 119.55kb.
• Контрольная работа по предмету: Технические средства управления. Тема: Состав и значение, 1075.78kb.
• Тема № introduction to economics (part, 41.29kb.
• Лекции по дисциплине Операционные системы 2005, 453.05kb.
• Системные программы обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы, 72.25kb.
• Курсовой проект расчет определенного интеграла, 190.12kb.
• Сетевые операционные системы. Функции, классификация, 261.98kb.

Программно: на практике используют двухуровневую схему реализации взаимного исключения: вводится специальная переменная – переменная состояния. Доступ к этой переменной имеют все процессы, использующие данный ресурс. Она указывает на состояние ресурса (занят/свободен). Переменная состояния является критическим ресурсом, для пользования которым надо решать задачу взаимного исключения.

Задача взаимного исключения решается в 3 этапа:

1. Выполняется вспомогательный критический интервал, при котором блокируется прерывание. В этом критическом интервале анализируется значение переменной состояния; если переменная состояния указывает на незанятость основного критического ресурса, то переходят ко второму этапу.
   
2. Занятие основного критического ресурса, при этом нет необходимости блокировать прерывания.
   
3. Выполняется вспомогательный критический интервал, при этом блокируется прерывание, состояние переходит в свободное.
   

Если на 1-ом этапе обнаруживается, что критический ресурс занят, то возможны 2 решения:

• режим занятого ожидания (проверка через определенный промежуток времени, не освободился ли ресурс)
  
• режим пассивного ожидания: строится очередь процессов к данному ресурсу, в состав механизма синхронизации включаются некоторые средства для управления этой очередью. Все это осуществляется на уровне ОС.
  

Проверка и установка TS- является аппаратно поддерживаемой составной командой.

Выполняются команды:

1. Вводится специальная переменная, которая называется- блокирующая переменная ресурсов( 0- свободен, 1- занят).

2. Перед входом в критическую секцию процесс выполняет команду TS:

1. циклически проверяется состояние блокирующей переменной.
   
2. если Test F(D)=0 –то Set F(D)=1 устанавливается в 1 и выполняется критический интервал, после выполнения критического интервала устанавливаем F(D)=0.
   

Test Set- неделимые примитивы.


В системе команд многих процессоров предусмотрены единые неделимые команды анализа и присвоения значения логической переменной - BIC,STR, BTS (Pentium). Если соответствующих команд в составе процессора нет, то они реализуются в рамках ОС путем организации примитивов с помощью запретов.


Программная реализация взаимного исключения.

• семафоры
  
• мониторы
  
• рандеву
  
• программные каналы
  

Семафоры (семафорные примитивы Дейкстры).

Семафор- это переменная специального вида (S), которая доступна параллельным процессам для проведения только 2-ух операций: P(S) и V(S) операций.

P(S) ( закрытие семафора)

V(S) (открытие семафора)

Эти операции являются неделимыми примитивами.

Три основных класса семафоров:

1. Двоичный (S=0 или S=1)

2. Целочисленный (S= n, n- натуральное или S=0)

3. Любой целочисленный( S= z, z- целое, в т. ч. и отрицательное)

1) Выполнение P(S) – значение семафора S уменьшается на 1:

if S>0 S=S-1 - переход к следующей команде(операции);

if S=0 - процесс блокируется и становится в очередь ожидания к семафору S.

Значение S указывает на то, сколько может быть выполнено процессов.

if S<0 - равно количеству процессов, блокированных по данному семафору.


2) V(S)

if S=0 , то семафор S предоставляется следующему процессу из очереди ожидания .

else S:=S+1


Достоинства семафоров.

1.Простота. 2. независимость от числа синхр-ных процессов. 3. отсутствие активного ожидания.

Недостатки семафоров.

1. не наглядны(не указ-ет непосредственно на то правило, кот-е реализует) 2. При сложном проц достаточно сложны, не указ-ют на синхр процесс.


В простейшем случае используется двоичный семафор. Если на время работы процесса к некоторому ресурсу нужно закрыть доступ, то выполняется P(S), а по окончании работы процесса выполняется любой оператор.

Пример исп-я семафора- mutex.

1) mutex – семафоры взаимного исключения, простейший двоичный семафор, который находится в двух состояниях: отмеченное и неотмеченное .

Если процесс становится владельцем объекта mutex, то он переводится в неотмеченное состояние, а когда процесс его возвращает – в отмеченное состояние.

Каждый mutex имеет собственное имя.

Для работы с mutex-ами исп-ся след функции:

• создание mutex (при этом создаётся его имя. Mutex может наследоваться, т.е. передаваться потомкам, для этого и сущ-ет его имя)
  
• открытие mutex
  
• ожидание события mutex
  
• освобождение mutex
  

2) Монитор. (мониторы синх-ии процессов (мониторы Хоара))

Монитор- набор разделяемых переменных и повторно входимых процедур доступа к ним. Они (эти процедуры) образуют программу планировщика. Каждый раз, когда процесс хочет получить в распоряжение ресурс, он обращается к процессу-планировщику(монитор), который имеет переменные, указ-е на состояние соответ-го ресурса (информацию о доступности и недоступности ресурса) и выделяет или не выделяет ресурс. Этот планировщик и есть монитор. К планировщику может обратиться только один процесс- остальные стоят в очереди. Т. обр. решается задача взаимного исключения и синхронизации процессов. Сущ-ют различные алгоритмы организации реализации схем мониторов.


3) Рандеву.

Рассматривается задача межпроцессионной связи и синхронизации, т.е. сущ-ют 2-а процесса Pa и Pb.

Pa должен передать данные Pb. Для осущ-я передачи оба процесса должны выразить готовность для передачи сообщения. Эти сигналы могут не совпадать по времени. Тогда ждут ответного сигнала о принятии сообщения. После передачи сообщения процессы продолжают своё выполнение.

4. Программные каналы (транспортёр).
   

Программные каналы- средство, реализ-е во многих ОС (UNIX, Windows).

Как информационная структура и средство синхронизации канал описывается именем, размером и 2-мя указателями: указатели на первый и последний элементы канала. В результате операций записи и чтения указатели будут перемещаться. Массив представляет собой кольцо: указатель после последнего элемента становится в начало. Канал представляет собой системный ресурс. Для того, чтобы использовать канал, процесс должен запросить его у системы. Сущ-ют ф-ии создания канала, записи в канал и чтения из канала. Эти ф-ии имеют соответ-ий набор параметров.


Реализация взаимоисключений в ОС Windows NT





Вопрос 9-10.

9. Дедлок( тупиковая ситуация). Условия возникновения.
10. Дедлок( тупиковая ситуация). Стратегии предотвращения и обхода дедлоков.


Deadlock – тупиковая ситуация. Возникает в том случае, когда даже при наличии ресурсов ни один процесс системы не выполняется.

Условия возникновения дедлока:

1. Условие взаимного исключения, при котором процесс монопольно владеет ресурсом.
   
2. Условие ожидания. Процесс, запросивший ресурс, будет ждать, пока запрос не будет удовлетворен, удерживая при этом те ресурсы, которые ему уже выделены.
   
3. Отсутствие перераспределения. Никакие ресурсы у процесса отнимать нельзя, если они ему уже выделены.
   
4. Условие кругового ожидания. Существует замкнутая цепь процессов, каждый из которых ждет ресурс, удерживаемый процессом-предшественником.
   

Решение проблемы дедлока.

1. Стратегия предотвращения тупиков.
   

Применяется, когда потери от тупиков очень высоки. Позволяет исключить саму возможность взаимоблокировки. Методы предотвращения блокировок можно разбить на 2 класса:

1. косвенный метод – предотвращение возникновения одного из первых 3-ёх условий возникновения дедлока;
   
2. прямой метод – предотвращение 4-го условия- циклического ожидания.
   

• Условия взаимного исключения можно подавить неограниченным выделением ресурсов – это слишком дорого.
  
• Условия ожидания можно подавить, предварительно распределяя ресурсы. В этом случае ресурсы выделяются процессу только все сразу. В этом случае процессу нужно заранее сформулировать запрос на все необх-е ресурсы, это возможно только при статическом выполнении запроса.
  
• Отсутствие перераспределения подавляется отниманием операционной системой ресурсов.
  
• Условие кругового ожидания можно подавить, предотвращая образование цепи: метод иерархического выделения ресурсов. Все ресурсы образуют иерархию; процесс, запросив ресурс на определенном уровне иерархии, после этого может запросить ресурс только с более высокого уровня. Процесс может освободить ресурс на данном уровне только после освобождения всех ресурсов на более высоких уровнях. Кругового ожидания не будет.
  

Стратегия обхода дедлоков.

Можно доказать, что если совокупность процессов находится в неопасном состоянии (отсутствуют дедлоки), то существует, по крайней мере, одна последовательность неопасных состояний процесса. Предполагает, что всегда анализируется, не приводит ли выделение ресурса к тупику. Решение данной задачи – алгоритм банкира. Алгоритм позволяет обходить опасные состояния.

Банкир клиентам выдает сумму денег. Каково должно быть поведение банкира, чтобы он не попал в тупиковую ситуацию: клиент пришёл за деньгами, а их у банкира нет? Поэтому: когда поступает запрос на сумму от клиента, банкир оценивает, может ли он после выдачи кредита удовлетворить хотя бы следующему минимальному запросу. Ограничение: мы должны заранее знать верхние границы мах запросов (границы запроса на ресурс).


Стратегия распознавания дедлока.

Мы должны постоянно проверять, не образуется ли замыкание цепи запросов. Этот алгоритм может выполняться при каждом запросе ресурсов или через некоторый заданный промежуток времени (дорогостоящие вычисления ОС).


Методы восстановления системы после возникновения дедлока.

1. Reset- принудительное завершение всех процессов, работы ОС и запуск ее заново;
   
2. Завершение процессов по одному, лучше всего завершать процесс, который находится в дедлоке;
   
3. Подождать, пока система сама предотвратит дедлок.
   

Вопрос 11-12

11. Управление ресурсами. Дескрипторы воспроизводимых и потребляемых ресурсов. Операции над семафорами ресурсов. Распределение ресурсов ОС. Задачи распределения.

12. Дисциплины распределения ресурсов, используемые в ОС. Дисциплины формирования очередей на ресурсы и дисциплины обслуживания очереди. Централизованная и децентрализованная схемы распределения ресурсов.



Управление ресурсами в ОС.

Ресурсы делятся на:

1. воспроизводимый (повторно используемый, системный)

2. потребляемый (после потребления изымается из сферы обращения)

Для описания ресурсов в системе используются соответ-е дескрипторы ресурсов.


Каждый воспроизводимый ресурс требует для описания 3-и компоненты:

1. Опись(включает число и идентификацию доступных ресурсов)

2. Список ожидания (либо ссылка на него)(список процессов, ждущих определённое сообщение; с неудов-ми запросами на данный ресурс)

3. Указатель на распределитель ресурсов


Для потребляемых ресурсов дескриптор должен содержать:

1. Опись(содержит список сообщений, которые были выданы, но не были получены)

2. Список ожидания (либо ссылка на него)(в нём- блокированные процессы с неудов-ми запросами на данный ресурс)

3. Указатель на распределитель ресурсов


И воспроизводимые, и потребляемые ресурсы имеют одно общее свойство: процесс может быть заблокирован благодаря неудовлетворенному запросу на такой ресурс.

Логический ресурс – это то, что может вызвать переход процесса в логически-блокируемое состояние (семафоры ресурсов – аналогичное понятие). Для описания ресурсов создают дескрипторы ресурсов (для каждого).

Основные элементы дескриптора(ещё раз на всякий случай)

1. Информация об идентификаторе.
   
2. Тип (воспроизводимый или потребляемый).
   
3. Имя процесса, создавшего ресурс.
   

• Опись доступности. Содержит ссылки на списки доступных элементов ресурсов или список единиц потребляемого ресурса.
  
• Список ожидающих процессов. В нем находятся все процессы, заблокированные на данном семафоре (имя и область памяти для данного ресурса).
  
• Указатель на распределитель ресурса (имя процесса, который отвечает за использование данного ресурса).
  

Операции над семафорами ресурсов.

• Создать семафор ресурса. Эта операция создает дескриптор ресурса и помещает его в списки ОС.
  
• Уничтожить семафор. Дескриптор удаляется.
  
• Запросить элементы семафора. Процесс выдает команду «запросить». Процесс заносится в список ожидания и вызывается распределитель ресурсов.
  
• Освободить элементы семафора ресурса – добавляет элементы сообщения в список (?).
  

Распределение ресурсов ОС

2-е основные схемы:

1. Централизованное распределение ресурсов.

2. Децентрализованная схема распределения ресурсов (на основе соглашений между процессами, без монитора)

Статическое и динамическое распределение ресурсов.

1. Статическое: ресурсы распределяются процессу в момент его рождения и являются постоянными для процесса всё время его сущ-я(такая схема соот-ет наиб быстрому развитию процесса).

2. Динамическое: ресурсы выдаются процессу по мере его развития(соот-ет наиб эффективному использованию ресурсов и минимизации простоев).


На планировщик ресурсов поступает поток запросов на соответствующие ресурс. Формируется очередь процессов и существуют соответствующие дисциплины формирования очереди процессов. Заявки могут содержать требуемое время ожидания. Приоритеты, которые используются при распред-ии ресурсов: выбор заявок производится по правилам, которые называются дисциплинами обслуживания. Время обслуж складывается из врем ожид + время использ рес-сов(время нахожд в очереи ресурсов, случ хар-р). Т.обр основными дисциплинами распределения ресурсов являются дисциплины формирования очередей.


Дисциплина распределения ресурсов.

Различают дисциплины формирования очередей на ресурсы и дисциплины обслуживания очереди (правила извлечения процесса из очереди). Чаще всего используются приоритетные дисциплины.

Дисциплины формирования очередей (совокупность правил размещен процессов в очереди к ресурсам)делятся на 2 класса:

1. статические – приоритет назначается до формирования;
   
2. динамические – приоритет в процессе формирования очереди.
   

Дисциплины обслуживания очереди (правило извлечен процесса из очереди с предоставлением ему ресурсов) разделяют на множество классов. Наиболее часто:

1. бесприоритетные
   
   • линейные
     

1. FIFО обслуживание в порядке поступления (по времени рождения запроса на ресурс);
   
2. LIFO в порядке, обратном времени поступления;
   
3. случайный выбор
   
   • циклические
     
4. RR круговой, циклический алгоритм (процессы выстраиваются в круг);
   
5. FB круговой многоочередные дисциплины – строится несколько очередей.
   
6. смешанный RR+FB
   

2. приоритетные
   

• с фиксированным приоритетом: относительным, абсолютным, адаптивный алгоритм
  
• с динамическим ожиданием: функция от ожидания или от обслуживания
  

Системы распределения ресурсов.(ещё раз)

1. Централизованная схема распределения, т.е. существует распределитель для каждого ресурса + решение задач синхронизации.
   
2. Децентрализованная схема распределения. Распределение ресурсов осуществляется на основе некоторого соглашения между процессами.
   

Статические и динамические распределения.

Статические распределения – ресурсы распределяются процессу до его рождения и являются постоянными. Это способствует наиболее быстрому развитию процесса.

Динамические распределения – ресурсы выделяются процессу по мере их развития. Позволяет наиболее эффективно использовать ресурс.

Защита ресурсов.

Угрозы ресурсам:

1. Несанкционированный доступ (предотвращается программно).
   
2. Нарушение целостности.
   
3. Утрата данных.
   
4. Злоупотребление ресурсом.
   
5. Утечка информации.
   

Вопрос 13-15.

13. Мультипрограммирование. Планирование и диспетчеризация процессов при МП.
14. Мультипрограммирование. Дисциплины диспетчеризации для невытесняющей и вытесняющей многозадачности.
15. Мультипрограммирование. Приоритетные и многоочередные дисциплины диспетчеризации.


Мультипрограммирование.

Характеристические состояния процесса при мультипрограммировании:

1. состояние планирования ресурсов;
   
2. состояние владения ресурсами;
   
3. состояние выполнения.
   

Единицами планирования и владения являются процессы (или задачи). Единицей выполнения или диспетчеризации являются потоки, либо нити управления. В случае использования потоков или нитей управления, то говорят о многопоточной системе.

Планирование – выделение ресурсов процессу, кроме выделения фактического процесса, т.е. процессу выделен виртуальный процессор (1 раз). А если выделен фактический процессор, то это диспетчеризация (многократно).


Варианты многопоточности процессов.

1. 1 процесс-1 поток (MS-DOS).
   
2. Несколько процессов, а в каждом процессе по одному потоку (UNIX)
   
3. 1 процесс и в нем несколько потоков управления (среда JAVA).
   
4. Несколько процессов и в каждом процессе несколько потоков (Windows 2000, Linux, Solaris).
   

Мультипрограммная система – система, которая выполняет несколько потоков одновременно.

Мультипрограммные ОС реализуют сложные методы управления процессами и ресурсами. Они распределяют ресурсы CPU, ОП, внеш памяти и назначают приоритеты(являются приоритетными системами).

Планирование процессов МП производит планировщик процессов. Он реализует дисциплины организации очередей ресурсов.

ОС включает 2-а планировщика:

1. планировщик верхнего уровня (планировщик) (долгосрочного планирования)
   
2. планировщик нижнего уровня (диспетчер) (краткосрочного планирования)
   

Планировщик распределяет все процессы, кроме центрального и формирует очередь готовых процессов для диспетчера.

Планирование верхнего уровня отвечает за выделение виртуальных процессоров, предоставляет ресурс центрального процессора.

Планирование нижнего уровня- диспетчеризация.

Планирование выполняется один раз, диспетчеризация- многократно(особенно при режиме квантования).


Мультипрограммная система – система, которая выполняет несколько потоков одновременно.

Достоинства и недостатки мультипрограммной системы.

• Сложность системы.
  
• Перемещение процессов с помощью специальных механизмов (требуется).
  
• Мультипрограммирование позволяет равномерно загружать ресурсы.
  
• Снижает время ожидания ответа в интерактивном времени.
  

МП обеспечивается двумя механизмами:

1. механизм переключения с процесса на процесс;
   
2. механизм координации использования ресурсов конкурирующими процессами.
   

Два основных компонента МП:

• Планировщик процессов – создание процессов, выделение ресурсов, завершение процессов.
  
• Диспетчеризация – выделение процессора готовому активному процессу. Диспетчер передает управление процессу либо по истечении фиксированного интервала t, либо при возникновении некоторого внешнего события по отношению к данному событию.
  

Дисциплины диспетчеризации.

Различают дисциплины диспетчеризации:

1. без перераспределения процессов (невытесняющая многозадачность)

2. с перераспределением процессов (циклические).

3.Приоритетные дисциплины диспечеризации процессов


1. Без перераспределения (ОС не забирает процессор у процесса, процесс может освободить процессор только по собственной инициативе)

1.1. Дисциплина FСFS (первый пришел – первый обслужился) (каждому процессу одинаковая возможность в обслуживании, все имеют одинаковое среднее время ожидания, стоимость реализации невелика )

Недостатки:

1. короткий процесс вынужден ждать столько же, сколько и длинный (св-во конвоя)

2. среднее время ожидания может неограниченно расти по мере приближения системы к 100% загруженности.

3. с увеличением дисперсии времени выполнения увеличивается время ожидания.