Монитор представляет собой централизованный семафор или совокупность семафоров, спрятанных от пользователей процессов в одном системном процессе, и потому, недоступным пользовательским программам, которые не могут их нарушить. Процессы, которые использует монитор для синхронизации, не имеют прямого доступа к переменным состояния, и могут воспользоваться ресурсами только путем вызова процедур монитора (или макрокоманд).

Монитор при создании автоматически инициирует число ресурсов и включает процедуры, позволяющие блокировать и активизировать процессы. Вход в монитор находится под жестким контролем системы и только через монитор осуществляется взаимоисключение процессов. Если процесс обращается к монитору и требуемый ресурс занят, то процесс переводится в состояние ожидания. Со временем некоторый процесс обращается к монитору для возвращения ресурса и монитор оповещает процесс о том, что может выделить ресурс и покинуть очередь. Режимом ожидания управляет сам монитор, который для гарантии получения ресурса процессом повышает приоритеты процессов критических областей.

Достоинства монитора:

1. Логические возможности не меньше, чем у семафоров.

2. Упрощение написания параллельных программ. Достаточно знать процедуры организации параллельных вычислений.

3. Повышение надежности параллельных систем, так как полностью защищает управление ресурсом.

4. Обеспечение гарантированного получения ресурса.

Модуль 4. Управление асинхронными параллельными процессами

Тема 7. Тупики: условия возникновения тупиков, предотвращения тупиков

Первая проблема, которую мы рассмотрели, возникающая для асинхронных параллельных процессов, работающих с общим ресурсом - это проблема синхронизации процессов.

Вторая проблема - это проблема тупика, возникающая при выполнении асинхронных параллельных процессов, работающих с монопольными ресурсами (взаимоблокировка). Тупиком называется ситуация, когда процесс ждет наступления события (выделения ресурса), которое никогда не произойдет или может бесконечно откладываться.

Для возникновения тупика необходимо наличие 4 условий:

1.Взаимоисключение, когда процессы требуют монопольного предоставления ресурса.

2.Ожидание дополнительного ресурса, когда процессы удерживают ресурсы и требуют дополнительных ресурсов.

3.Неперераспределяемости ресурсов, когда ресурсы нельзя отобрать у процессов до завершения их работы.

4.Кругового ожидания, когда существует кольцо процессов, удерживающих ресурсы друг друга.

Для решения проблемы тупиков должны решаться следующие задачи:

1. Предотвращение тупиков:

Путем исключения одного из необходимых условий возникновения тупиков, кроме условий взаимоисключения (это объективное условие).

• Условие ожидания дополнительных ресурсов можно нарушить, если потребовать, чтобы процессы запрашивали сразу все ресурсы. (Недостаток - снижение уровня мультипрограммирования и нерациональное использование ресурсов).

• Условие неперераспределяемости можно нарушить, если потребовать, чтобы процесс, который не получил дополнительных ресурсов, сам освобождал удерживаемые.

• Условие кругового ожидания можно предотвратить, если процессы запрашивают ресурсы в заранее определенном порядке, то есть ресурсы имеют уникальные упорядоченные номера, которые распределяются в соответствии с некоторым планом (планирование распределения ресурсов).

Путем обхода тупиков основывается на том, что все процессы заранее указывают максимальное число требуемых ресурсов, и ОС контролирует возможность их совместного удовлетворения.

2. Обнаружение тупиков

Когда возникающие тупики анализируются и прогнозируются с выдачей соответствующей информации операторам. Возможные тупики анализируются по графам распределения ресурсов. Существуют формальные, программно-реализованные методы распознавания тупиков, основанные на ведении таблиц распределения ресурсов и таблиц запросов к занятым ресурсам. Анализ этих таблиц позволяет обнаружить взаимные блокировки

3. Восстановление после тупиков

Осуществляется путем вывода из системы одного или N процессов, вовлеченных в тупик и почти всегда с потерей полученных результатов работы. Не обязательно снимать с выполнения все заблокированные процессы. Можно снять только часть из них, при этом освобождаются ресурсы, ожидаемые остальными процессами, можно вернуть некоторые процессы в область свопинга, можно совершить "откат" некоторых процессов до так называемой контрольной точки, в которой запоминается вся информация, необходимая для восстановления выполнения программы с данного места. Контрольные точки расставляются в программе в местах, после которых возможно возникновение тупика

В настоящее время проблема тупика является критическим фактором по следующим причинам:

• широкое распространение получают мультипроцессорные и параллельные вычисления;

• в системах выполняется преимущественно динамическое распределение ресурсов;

• тенденция рассмотрения данных как ресурса приводит к возрастанию числа управляемых ресурсов.

Модуль 5. Управление основной памятью

Тема 8. Управление реальной  памятью

Основные задачи подсистемы управления памятью

Стратегия выборки

Стратегия размещения

Стратегия замещения

Страничная организация памяти

Общие недостатки реальной ОП

Основная память (ОП), в которой размещаются процессы и которая имеет ограниченный объем, представляет собой самый ограниченный и дорогостоящий ресурс. Поэтому организация и управление ОП ЭВМ является одним из самых важнейших факторов, определяющих построение и развитие ОС.

Именно организация и управление ОП во многом определяют фактический уровень мультипрограммирования ОС, то есть возможности выполнения нескольких параллельных процессов. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Основными задачами подсистемы управления памятью (УП) являются:

1.Эффективное размещение процессов в ОП.

2.Защита памяти процессов.

Основная цель УП - обеспечить максимальный уровень мультипрограммирования и тем самым максимальную загрузку ЦП.

Современные ЭВМ имеют 3-х уровневую, иерархическую организацию запоминающих устройств (ЗУ) (внутренние регистры процессора, различные типы сверхоперативной и оперативной памяти, диски, ленты), отличающихся средним временем доступа и стоимостью хранения данных в расчете на один бит (рисунок 1). Пользователю хотелось бы иметь и недорогую и быструю память. Кэш-память представляет некоторое компромиссное решение этой проблемы.

Рисунок 1.  Иерархическая организация памяти ЭВМ.

Кэш-память - это способ организации совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования в "быстрое" ЗУ наиболее часто используемой информации из "медленного" ЗУ.

Кэш-памятью часто называют не только способ организации работы двух типов запоминающих устройств, но и одно из устройств - "быстрое" ЗУ. Оно стоит дороже и, как правило, имеет сравнительно небольшой объем. Важно, что механизм кэш-памяти является прозрачным для пользователя, который не должен сообщать никакой информации об интенсивности использования данных и не должен никак участвовать в перемещении данных из ЗУ одного типа в ЗУ другого типа, все это делается автоматически системными средствами.

Рассмотрим частный случай использования кэш-памяти для уменьшения среднего времени доступа к данным, хранящимся в оперативной памяти. Для этого между процессором и оперативной памятью помещается быстрое ЗУ, называемое просто кэш-памятью. В качестве такового может быть использована, например, ассоциативная память. Содержимое кэш-памяти представляет собой совокупность записей обо всех загруженных в нее элементах данных. Каждая запись об элементе данных включает в себя адрес, который этот элемент данных имеет в оперативной памяти, и управляющую информацию: признак модификации и признак обращения к данным за некоторый последний период времени.

В системах, оснащенных кэш-памятью, каждый запрос к оперативной памяти выполняется в соответствии со следующим алгоритмом:

Просматривается содержимое кэш-памяти с целью определения, не находятся ли нужные данные в кэш-памяти; кэш-память не является адресуемой, поэтому поиск нужных данных осуществляется по содержимому - значению поля "адрес в оперативной памяти", взятому из запроса.

Если данные обнаруживаются в кэш - памяти, то они считываются из нее, и результат передается в процессор. Если нужных данных нет, то они вместе со своим адресом копируются из оперативной памяти в кэш-память, и результат выполнения запроса передается в процессор. При копировании данных может оказаться, что в кэш-памяти нет свободного места, тогда выбираются данные, к которым в последний период было меньше всего обращений, для вытеснения из кэш-памяти. Если вытесняемые данные были модифицированы за время нахождения в кэш-памяти, то они переписываются в оперативную память. Если же эти данные не были модифицированы, то их место в кэш-памяти объявляется свободным.

На практике в кэш-память считывается не один элемент данных, к которому произошло обращение, а целый блок данных, это увеличивает вероятность так называемого "попадания в кэш", то есть нахождения нужных данных в кэш-памяти.

В реальных системах вероятность попадания в кэш составляет примерно 0,9. Высокое значение вероятности нахождения данных в кэш-памяти связано с наличием у данных объективных свойств: пространственной и временной локальности.

Пространственная локальность. Если произошло обращение по некоторому адресу, то с высокой степенью вероятности в ближайшее время произойдет обращение к соседним адресам.

Временная локальность. Если произошло обращение по некоторому адресу, то следующее обращение по этому же адресу с большой вероятностью произойдет в ближайшее время.

Все предыдущие рассуждения справедливы и для других пар запоминающих устройств, например, для оперативной памяти и внешней памяти. В этом случае уменьшается среднее время доступа к данным, расположенным на диске, и роль кэш-памяти выполняет буфер в оперативной памяти.

Физически ОП имеет линейную организацию и представляет собой последовательность адресуемых ячеек (байт, 1 байт = 8 бит) от 0 до N, которая делится на слова, блоки, сегменты. Номер является адресом ячейки памяти. Размер ОП определяется в килобайтах (1Кб=1024б), мегабайтах (1Мб=1024Кб), гигабайтах (1Гб=1024Мб), терабайтах (1Тб=1024 Гб) и т.д.

Слово- это единица обмена ОП с ЦП, определяемое разрядностью с ЦП.

Блок - это непрерывная область памяти с общим ключом защиты. В EC ЭВМ - размер блока 2К, поэтому процессом выдается память, кратная 2К.

Сегмент - это некоторый участок памяти (для IBM PC от 16 б до 64Кб). Сегмент может содержать несколько блоков.