1. Назначение и функции операционных систем

Вид материала

Документы

Содержание 6. Процесс. Диаграмма состояний процесса. Дескриптор процесса. 7. Управление задачами. Стратегии планирования процессов. Стратегии планирования процессов.

Подобный материал:

• Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волго-Вятская, 71.1kb.
• Программаное обеспечение вычислительных систем Классификация, назначение, состав, 1049.39kb.
• Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция, 83.97kb.
• 1. Лекция: Введение, 365.84kb.
• 1. Лекция: Введение, 344.47kb.
• О. Ю. Якубовская 2011 г. Дисциплина: Операционные системы (2 часть из 2) Специальность:, 45.21kb.
• Direct Memory Access dma. Драйверы литература, 56.37kb.
• Что такое “Linux”. Возможности одной из самых динамично-развивающихся свободных операционных, 250.8kb.
• Лекция: Сети и сетевые операционные системы, 585.67kb.
• Операционные системы и оболочки, 47.59kb.

6. Процесс. Диаграмма состояний процесса. Дескриптор процесса.

Необходимо отличать системные управляющие вычислительные процессы, представляющие работу супервизора операционной системы и занимающиеся распределением и управлением ресурсов, от всех других процессов: задач пользователей и системных обрабатывающих процессов. Последние, хоть и относятся к операционной системе, но не входят в ядро операционной системы и требуют общих ресурсов для своей работы, которые получают от супервизора. Для системных управляющих процессов, в отличие от обрабатывающих, в большинстве операционных систем ресурсы распределяются изначально и однозначно. Эти вычислительные процессы сами управляют ресурсами системы, в борьбе за которые конкурируют все остальные процессы. Поэтому исполнение системных управляющих программ не принято называть процессами, и термин «задача» следует употреблять только по отношению к процессам пользователей и к системным обрабатывающим процессам. Однако это справедливо не для всех операционных систем. Например, в так называемых «микроядерных» операционных системах (см. главу 9) большинство управляющих программных модулей самой операционной системы и даже драйверы имеют статус высокоприоритетных процессов, для выполнения которых необходимо выделить соответствующие ресурсы. В качестве примера можно привести хорошо известную операционную систему реального времени QNX фирмы Quantum Software Systems. Аналогично и в UNIX-системах, которые хоть и не относятся к микроядерным, выполнение системных программных модулей тоже имеет статус системных процессов, получающих ресурсы для своего исполнения.

Очевидно, что если некий вычислительный процесс (назовем его первым) в данный конкретный момент времени не исполняется, поскольку процессор занят исполнением какого-то другого процесса, то операционная система должна знать, что вычисления в первом процессе приостановлены. Информация об этом заносится в специальную информационную структуру, сопровождающую каждый вычислительный процесс. Таких приостановленных процессов может быть несколько. Они могут образовывать очередь задач, которые возобновят свои вычисления, как только им будет предоставлен процессор. Некоторые процессы, при своем выполнении требующие ввода или вывода данных, на время выполнения этих запросов могут освобождать процессор. Такие события тоже должны для операционной системы помечаться соответствующим образом. Говорят, что процесс может находиться в одном из нескольких состояний. Информация о состоянии процесса содержится в упомянутой выше информационной структуре, доступной супервизору.

Если обобщать и рассматривать не только традиционные системы общего назначения и привычные всем нам современные мультизадачные операционные системы для персональных компьютеров, но и операционные системы реального времени, то можно сказать, что процесс может находиться в активном и пассивном (не активном) состоянии. В активном состоянии процесс может конкурировать за ресурсы вычислительной системы, а в пассивном состоянии он известен системе, но за ресурсы не конкурирует (хотя его существование в системе и сопряжено с предоставлением ему оперативной и/или внешней памяти). В свою очередь, активный процесс может быть в одном из следующих состояний:

выполнения ~ все затребованные процессом ресурсы выделены (в этом состоянии в каждый момент времени может находиться только один процесс, если речь идет об однопроцессорной вычислительной системе);

готовности к выполнению — ресурсы могут быть предоставлены, тогда процесс перейдет в состояние выполнения;

блокирования, или ожидания, — затребованные ресурсы не могут быть предоставлены, или не завершена операция ввода-вывода.

В большинстве операционных систем последнее состояние, в свою очередь, подразделяется на множество состояний ожидания, соответствующих определенному виду ресурса, из-за отсутствия которого процесс переходит в заблокированное состояние.

В обычных операционных системах, как правило, процесс появляется при запуске какой-нибудь программы. Операционная система организует (порождает, или выделяет) для нового процесса уже упомянутую выше информационную структуру — так называемый дескриптор процесса, и процесс (задача) начинает выполняться. Поэтому пассивного состояния в большинстве систем не существует. В операционных системах реального времени (ОСРВ) ситуация иная. Обычно при проектировании системы реального времени состав выполняемых ею программ (задач) известен заранее. Известны и многие их параметры, которые необходимо учитывать при распределении ресурсов (например, объем памяти, приоритет, средняя длительность выполнения, открываемые файлы, используемые устройства и проч.). Поэтому для них заранее заводят дескрипторы задач с тем, чтобы впоследствии не тратить драгоценное время на организацию дескриптора и поиски для него необходимых ресурсов. Таким образом, в ОСРВ многие процессы (задачи) могут находиться в состоянии бездействия, что мы и отобразили на рис. 1.7, отделив это состояние от остальных состояний пунктиром.

За время своего существования процесс может неоднократно совершать переходы из одного состояния в другое, обусловленные обращениями к операционной системе с запросами ресурсов и выполнения системных функций, которые предоставляет операционная система, взаимодействием с другими процессами, появле- нием сигналов прерывания от таймера, каналов и устройств ввода-вывода, других устройств. Возможные переходы процесса из одного состояния в другое отображены на рисунке в виде графа состояний. Рассмотрим эти переходы из одного состояния в другое более подробно.

Процесс из состояния бездействия может перейти в состояние готовности в следующих случаях.

По команде оператора (пользователя). Имеет место в тех диалоговых операционных системах, где программа может иметь статус задачи, даже оставаясь пассивной, а не просто быть исполняемым файлом и получать статус задачи только на время исполнения (как это имеет место в большинстве современных операционных систем, в том числе и для персональных компьютеров).

При выборе из очереди планировщиком (характерно для операционных систем, работающих в пакетном режиме).

При вызове из другой задачи (посредством обращения к супервизору один процесс может создать, инициировать, приостановить, остановить, уничтожить другой процесс).

По прерыванию от внешнего инициативного устройства8 (сигнал о свершении некоторого события может запускать соответствующую задачу).

При наступлении запланированного времени запуска программы.

Последние два способа запуска задачи, при которых процесс из состояния бездействия переходит в состояние готовности, наиболее характерны для операционных систем реального времени.

Процесс, который может исполняться, как только ему будет предоставлен процессор (а для диск-резидентных задач в некоторых системах и оперативная память), находится в состоянии готовности. Считается, что такому процессу уже выделены все необходимые ресурсы за исключением процессора.

Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин.

Процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передает управление операционной системе и сообщает о своем завершении. В результате этих действий супервизор либо переводит его в список бездействующих процессов (процесс переходит в пассивное состояние), либо уничтожает. Уничтожается, естественно, не сама программа, а именно задача, которая соответствовала исполнению этой программы. В состояние бездействия процесс может быть переведен принудительно: по команде оператора или путем обращения к супервизору операционной системы из другой задачи с требованием остановить данный процесс. Само собой, что действие по команде оператора реализуется системным процессом, который «транслирует» эту команду в запрос к супервизору с требованием перевести указанный процесс в состояние бездействия.

Процесс переводится супервизором операционной системы в состояние готовности к исполнению в связи с появлением более приоритетной задачи или в связи с окончанием выделенного ему кванта времени.

Процесс блокируется (переводится в состояние ожидания) либо вследствие" запроса операции ввода-вывода (которая должна быть выполнена прежде, чем он сможет продолжить исполнение), либо в силу невозможности предоставить ему ресурс, запрошенный в настоящий момент (причиной перевода в состояние ожидания может быть отсутствие сегмента или страницы в случае организации механизмов виртуальной памяти — см. раздел «Сегментная, страничная и сегментно-страничная организация памяти» в главе 3), либо по команде оператора на приостанов задачи, либо по требованию через супервизор от другой задачи.

При наступлении соответствующего события (завершилась операция ввода-вывода, освободился затребованный ресурс, в оперативную память загружена необходимая страница виртуальной памяти и т. д.) процесс деблокируется и переводится в состояние готовности к исполнению.

Таким образом, движущей силой, меняющей состояния процессов, являются события. Одним из основных видов событий являются уже рассмотренные нами прерывания.

7. Управление задачами. Стратегии планирования процессов.
Управление задачами. Понятие процесса было введено для реализации идей мультипрограммирования. Термин задача тоже, к сожалению, в большинстве случаев применялся для того же. В свое время различали термины «мультизадачное» и «мультипрограммирование», но потом они стали заменять друг друга, и это вносило немалую путаницу. Таким образом, для реализации мультизадачности в ее исходном толковании необходимо было ввести соответствующую сущность. Такой сущностью стали легковесные (thin) процессы, или, как их теперь преимущественно называют, потоки выполнения10, нити, или треды (threads). Когда говорят о процессах (process), то тем самым хотят отметить, 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 вычислительной системы, конкурируют друг с другом за доступ к ресурсам. В общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принадлежать даже разным пользователям, разделяющим одну вычислительную систему. Другими словами, в случае процессов операционная система считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно операционная система берет на себя роль арбитра в спорах конкурирующих процессов за ресурсы. Она же и обеспечивает защиту выполняющихся вычислений. Однако желательно иметь еще и возможность задействовать внутренний параллелизм, который может быть в самих процессах. Такой внутренний параллелизм встречается достаточно часто и позволяет ускорить вычисления. Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего исполнения достаточно длительное использование центрального процессора. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при работе с графическими редакторами при обработке больших изображений с высокой степенью детализации. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (легковесных процессов, потоков выполнения, или задач), которые могут выполняться параллельно с другими подпроцессами (потоками, задачами), то у пользователя появляется возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса). Легковесными эти процессы называют потому, что операционная система не должна для них организовывать полноценную виртуальную машину, то есть эти задачи, прежде всего, не имеют своих собственных ресурсов, а развиваются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, выделенными ОС данному процессу. Единственное, что они имеют свое — это процессорный ресурс. В однопроцессорной системе потоки выполнения (задачи) разделяют между собой процессорное время так же, как это делают обычные процессы, а в мультипроцессорной системе они могут выполняться одновременно, если не встречают конкуренции из-за обращения к иным ресурсам. Главное, что обеспечивает многопоточность — это возможность параллельно выполнять несколько видов операций в одной прикладной программе. Параллельные вычисления (а следовательно, и более эффективное использование ресурсов центрального процессора, и меньшее суммарное время выполнения задач) гораздо удобнее реализовать не на уровне процессов, но на уровне задач (потоков, тредов). И программа, разработанная с использованием механизма потоков, представляемая как некоторое множество задач в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет параллельного функционирования ее отдельных частей. Особенно это выгодно при наличии нескольких процессоров, ибо каждая задача может выполняться на отдельном процессоре. Например, если электронная таблица, текстовый процессор или графический редактор были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа, слияние нескольких документов или преобразование изображения и одновременно продолжать заполнять таблицу, открывать для редактирования следующий документ, изменять другое изображение. Особенно эффективно можно использовать многопоточность для выполнения распределенных приложений. Итак, сущность «поток выполнения» была введена для того, чтобы именно с помощью этих единиц распределять процессорное время между возможными работами. Сущность «процесс» предполагает, что при диспетчеризации нужно учитывать все ресурсы, закрепленные за ним. При манипулировании задачами-потоками можно менять только контекст задачи, если мы переключаемся с одной задачи на другую в рамках одного процесса. Все остальные вычислительные ресурсы при этом не затрагиваются. Каждый процесс всегда состоит, по крайней мере, из одного потока выполнения, и только если имеется внутренний параллелизм, программист может «расщепить» один поток на несколько параллельных. Потребность в потоках возникла еще в однопроцессорных вычислительных системах, поскольку они позволяли организовать вычисления более эффективно. Для использования достоинств многопроцессорных систем с общей памятью потоки уже просто необходимы, так как позволяют не только реально ускорить выполнение тех задач, которые допускают их естественное распараллеливание, но и загрузить процессорные элементы работой, с тем чтобы они не простаивали. Заметим, однако, что желательно, чтобы можно было свести к минимуму взаимодействие потоков между собой, ибо ускорение от одновременного выполнения параллельных потоков может быть сведено к минимуму из-за задержек синхронизации и обмена данными. Каждый поток выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Потоки, как и процессы, могут порождать потоки-потомки, поскольку любой процесс состоит по крайней мере из одного потока. Подобно традиционным процессам (то есть процессам, состоящим из одного потока), каждый поток может находиться в одном из активных состояний. Пока один поток заблокирован (или просто находится в очереди готовых к исполнению задач), другой поток того же процесса может выполняться. Потоки разделяют процессорное время так же, как это делают обычные процессы, в соответствии с различными вариантами диспетчеризации. Как уже упоминалось, иногда потоки выполнения называют легковесными процессами. Как мы уже знаем, все потоки имеют одно и то же виртуальное адресное пространство своего процесса. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к каждому виртуальному адресу, один поток может использовать стек другого потока. Между потоками нет полной защиты, потому что, во-первых, это невозможно, а во-вторых, не нужно. Все потоки одного процесса всегда решают общую задачу одного пользователя, и механизм потоков используется здесь для более быстрого решения задачи путем ее распараллеливания. При этом программисту очень важно получить в свое распоряжение удобные средства организации взаимодействия частей одной программы. Повторим, что кроме разделения адресного пространства, все потоки разделяют также набор открытых файлов, устройства, выделенные процессу, имеют одни и те же наборы сигналов, семафоры и т. п. А что у потоков является их собственным? Собственными являются программный счетчик, стек, рабочие регистры процессора, потоки-потомки, состояние. Вследствие того, что потоки, относящиеся к одному процессу, выполняются в одном и том же виртуальном адресном пространстве, между ними легко организовать тесное взаимодействие, в отличие от процессов, для которых нужны специальные механизмы обмена сообщениями и данными. Более того, программист, создающий многопоточное приложение, может заранее продумать работу множества потоков процесса таким образом, чтобы они могли взаимодействовать наиболее выгодным способом, а не конкурировать за ресурсы тогда, когда этого можно избежать. Для того чтобы можно было эффективно организовать параллельное выполнение рассмотренных сущностей (процессов и потоков), в архитектуру современных процессоров включены средства для работы со специальной информационной структурой, описывающей ту или иную сущность. Для этого уже на уровне архитектуры микропроцессора используется понятие задача (task). Оно как бы объединяет в себе и обычный процесс, и поток выполнения (тред). Это понятие и поддерживаемая для него на уровне аппаратуры информационная структура позволяют в дальнейшем при разработке операционной системы строить соответствующие дескрипторы как для задач, так и для процессов. И отличаться эти дескрипторы будут прежде всего тем, что дескриптор задачи может хранить только контекст приостановленного вычислительного процесса, тогда как дескриптор процесса должен содержать поля, описывающие тем или иным способом ресурсы, выделенные этому процессу. Для хранения контекста задачи в микропроцессорах с архитектурой 132 имеется специальный сегмент состояния задачи (Task State Segment, TSS). А для отображения информации о процессе используется уже иная информационная структура, однако она включает в себя TSS. Другими словами, сегмент состояния задачи, подробно рассматриваемый в разделе «Адресация в 32-разрядных микропроцессорах i80x86 при работе в защищенном режиме» главы 4, используется как основа для дескриптора процесса. Таким образом, дескриптор процесса больше по размеру, чем TSS, и включает в себя такие традиционные поля, как идентификатор процесса, его имя, тип, приоритет и проч. Каждый поток (в случае использования так называемой «плоской» модели памяти — см. раздел «Сегментная, страничная и сегментно-страничная организация памяти» в главе 3) может быть оформлен в виде самостоятельного сегмента, что приводит к тому, что простая (не многопоточная) программа будет иметь всего один сегмент кода в виртуальном адресном пространстве. Теперь, если вернуться к уже упомянутому файлу CONFIG.SYS, в котором для операционной системы OS/2 указываются наиболее важные параметры, определяющие ее работу, стоит заметить, что в этом файле строка THREADS=1024 указывает на количество не процессов, а именно задач. И под задачей в данном случае понимается как процесс, так и поток этого процесса. К большому сожалению, практически невозможно использовать термины «задача» и «процесс» с однозначным толкованием, чтобы под задачей обязательно понимать поток, в то время как термин «процесс» означал бы множество потоков. Значение этих терминов по-прежнему сильно зависит от контекста. И это характерно практически для каждой книги, в том числе и для учебной литературы. Грешен этим и автор. Остается надеяться, что со временем все же ситуация изменится, и толкование этих слов будет более четким и строгим. В завершение можно привести несколько советов по использованию потоков выполнения при создании приложений, заимствованных из [28]. • В случае однопроцессорной системы множество параллельных потоков часто не ускоряет работу приложения, поскольку в каждый отдельно взятый промежуток времени возможно выполнение только одного потока. Кроме того, чем больше у вас потоков, тем больше нагрузки на систему, относящиеся к переключению между ними. Мультизадачность из более двух постоянно работающих потоков в вашем проекте не сделает программу быстрее, если каждый из потоков не будет требовать частого ввода-вывода. • Вначале нужно понять, для чего необходим поток. Поток, осуществляющий обработку, может помешать системе быстро реагировать на запросы ввода-вывода. Потоки позволяют программе отзываться на просьбы пользователя и устройств, но при этом (в том числе) сильно загружают процессор. Потоки позволяют компьютеру одновременно обслуживать множество устройств, и созданный вами поток, отвечающий за обработку специфического устройства, как минимум может потребовать столько времени, сколько системе необходимо для обработки запросов от всех устройств. • Потокам можно назначать разные приоритеты для того, чтобы наименее значимые процессы выполнялись в фоновом режиме. Это путь честного разделения ресурсов процессора. Однако необходимо осознать тот факт, что процессор один на всех, а потоков много. Если в вашей программе главная процедура передает нечто для обработки в низкоприоритетный поток, то сама программа становится просто неуправляемой. • Потоки хорошо работают, когда они независимы. Но они начинают работать непродуктивно, когда вынуждены часто синхронизироваться для доступа к общим ресурсам. Взаимные блокировки и критические секции отнюдь не добавляют скорости работы системы, хотя без использования этих механизмов взаимодействующие вычисления организовывать нельзя. • Помните, что память виртуальна. Механизм виртуальной памяти (см. раздел «Память и отображения, виртуальное адресное пространство» в главе 3) следит за тем, какая часть виртуального адресного пространства должна находиться в оперативной памяти, а какая должна быть сброшена в файл подкачки. Потоки усложняют ситуацию, если они обращаются в одно и то же время к разным адресам виртуального адресного пространства приложения. Это значительно увеличивает нагрузку на систему, особенно при небольшом объеме кэшпамяти. Помните, что реально память не всегда «свободна», как это пишут в информационных окошках «О системе». Всегда отождествляйте доступ к памяти с доступом к файлу на диске и создавайте приложение с учетом вышесказанного. • Всякий раз, когда любой из ваших потоков пытается воспользоваться общим ресурсом вычислительного процесса, которому он принадлежит, вы обязаны каким-то образом легализовать и защитить вашу деятельность. Хорошим средством для этого являются критические секции, семафоры и очереди сообщений (см. главу 7). Если вы протестировали ваше приложение и не обнаружили ошибок синхронизации, то это еще не значит, что их там нет. Пользователь может создавать самые непредсказуемые ситуации. Это очень ответственный момент в разработке многопоточных приложений. • Не возлагайте на поток несколько функций. Сложные функциональные отношения затрудняют понимание общей структуры приложения, его алгоритм. Чем проще и однозначнее каждая из рассматриваемых ситуаций, тем больше вероятность, что ошибок удастся избежать. Стратегии планирования процессов. При рассмотрении стратегий планирования идет речь о краткосрочном планировании, то есть о диспетчеризации. Долгосрочное планирование заключается в подборе таких вычислительных процессов, кот бы меньше всего конкурировали м/у собой за ресурсы вычислительной системы. Иногда используется термин стратегия обслуживания. Стратегия планирования определяет, какие процессы мы планируем на выполнение для того, чтобы достичь поставленной цели. Известно большое количество различных стратегий выбора процесса, которому необходимо предоставить процессор. Среди них, прежде всего, можно выбрать следующие:1по возможности заканчивать вычисления (вычислительные процессы) в том же самом порядке, в котором они были начаты; 2-отдавать предпочтение более коротким вычислительным задачам; 3-предоставлять всем пользователям (процессам пользователей) одинаковые услуги, в том числе и одинаковое время ожидания.На сегодняшний день абсолютное большинство компов — это персональные IBM-совместимые компы, работающие на платформах Windows компании Microsoft. Это однопользовательские диалоговые мультипрограммные и мультизадачные системы. При создании ОС для персональных компов разработчики, прежде всего, стараются обеспечить комфортную работу с системой, то есть основные усилия уходят на проработку пользовательского интерфейса. Что касается эффективности организации вычислений, то она, видимо, тоже должна оцениваться с этих позиций. Если же считать системы Windows операционными системами общего назначения, то также следует признать, что принятые в системах Windows стратегии обслуживания приводят к достаточно высокой эффективности вычислений. Некоторым даже удается использовать системы Windows NT/2000 для решения задач реального времени. Система, ориентированная на однопользовательский режим, должна обеспечить хорошую реакцию системы на запросы от того приложения, с которым сейчас пользователь работает. Мало пользователей, кот могут параллельно работать с большим числом приложений. Поэтому по умолчанию для задачи, с которой пользователь непосредственно работает и которую называют задачей переднего плана, система устанавливает более высокий уровень приоритета. В результате процессорное время прежде всего предоставляется текущей задаче пользователя, и он не будет испытывать лишний раз дискомфорт из-за медленной реакции системы на его запросы. Для обеспечения надлежащей работы коммуникационных процессов и для возможности выполнять системные функции приоритет задач пользователя должен быть ниже, чем у тех задач, кот реализуют операции ввода-вывода и иные управляющие функции.
ВОПРОС 8