Файл: А. В. Гордеев А. Ю. Молчанов системное программное обеспечение электронный вариант книги издательства Питер СанктПетербург Челябинск юургу каф. Автоматика и управление 2002 2 Предисловие Настоящий учебник.pdf

47
Основная идея построения и работы реентерабельного программного модуля,
структура которого представлена на рис. 1.8, заключается в том, что в первой (го- ловной) своей части с помощью обращения из системной привилегированной сек- ции осуществляется запрос на получение в системной области памяти блока ячеек,
необходимого для размещения всех текущих (промежуточных) данных. При этом на вершину стека помещается указатель на начало области данных и её объём. Все текущие переменные реентерабельного программного модуля в этом случае распо- лагаются в системной области памяти. Поскольку в конце привилегированной сек- ции система прерываний включается, то во время работы центральной (основной)
части реентерабельного модуля возможно её прерывание. Если прерывание не воз- никает, то в третьей (заключительной) секции осуществляется запрос на освобож- дение использованного блока системной области памяти. Если же во время работы центральной секции возникает прерывание и другой вычислительный процесс об- ращается к тому же самому реентерабельному программному модулю, то для этого нового процесса вновь заказывается новый блок памяти в системной области памя- ти и на вершину стека записывается новый указатель. Очевидно, что возможно многократное повторное вхождение в реентерабельный программный модуль до тех пор, пока в области системной памяти, выделяемой специально для реентера- бельной обработки, есть свободные ячейки, число которых достаточно для выделе- ния нового блока.
Что касается статического способа выделения памяти, то здесь речь может ид- ти, например, о том, что заранее для фиксированного числа вычислительных про- цессов резервируются области памяти, в которых будут располагаться переменные реентерабельных программных модулей: для каждого процесса – своя область па- мяти. Чаще всего в качестве таких процессов выступают процессы ввода/вывода и речь идёт о реентерабельных драйверах (реентерабельный драйвер может управ- лять параллельно несколькими однотипными устройствами. См. более подробно в главе 4 «Управление вводом/выводом и файловые системы»).
Кроме реентерабельных программных модулей существуют ещё повторно
входимые (от re-entrance). Этим термином называют программные модули, которые

48
тоже допускают свое многократное параллельное использование, но в отличие от реентерабельных их нельзя прерывать. Повторно входимые программные модули состоят из привилегированных секций и повторное обращение к ним возможно только после завершения какой-нибудь из таких секций. После выполнения оче- редной привилегированной секции управление может быть передано супервизору,
и если он предоставит возможность выполняться другому процессу, то возможно повторное вхождение в рассматриваемый программный модуль. Другими словами,
в повторно входимых программных модулях четко предопределены все допусти- мые (возможные) точки входа. Следует отметить, что повторно входимые про- граммные модули встречаются гораздо чаще реентерабельных (повторно преры- ваемых).
Наконец, имеются и информационные ресурсы, то есть в качестве ресурсов могут выступать данные.
Информационные ресурсы могут существовать как в виде переменных, нахо- дящихся в оперативной памяти, так и в виде файлов. Если процессы используют данные только для чтения, то такие информационные ресурсы можно разделять.
Если же процессы могут изменять информационные ресурсы, то необходимо спе- циальным образом организовывать работу с такими данными. Это одна из наибо- лее сложных проблем, достаточно подробно она обсуждается в главе 6.
Классификация операционных систем
Широко известно высказывание, согласно которому любая наука начинается с классификации. Само собой, что вариантов классификации может быть очень мно- го, все будет зависеть от выбранного признака, по которому один объект мы будем отличать от другого. Однако, что касается ОС, здесь уже давно сформировалось относительно небольшое количество классификаций: по назначению, по режиму обработки задач, по способу взаимодействия с системой и, наконец, по способам построения (архитектурным особенностям систем).
Во введении мы уже дали «определение» операционной системы (ОС). Поэто- му просто повторим, что основным предназначением ОС является организация эф-

49
фективных и надёжных вычислений, создание различных интерфейсов для взаи- модействия с этими вычислениями и с самой вычислительной системой.
Прежде всего, различают ОС общего и специального назначения. ОС специаль- ного назначения, в свою очередь, подразделяются на следующие: для переносимых микрокомпьютеров и различных встроенных систем, организации и ведения баз данных, решения задач реального времени и т. п.
По режиму обработки задач различают ОС, обеспечивающие однопрограмм- ный и мультипрограммный режимы. Под мультипрограммированием понимается способ организации вычислений, когда на однопроцессорной вычислительной сис- теме создается видимость одновременного выполнения нескольких программ. Лю- бая задержка в решении программы (например, для осуществления операций вво- да/вывода данных) используется для выполнения других (таких же, либо менее важных) программ. Иногда при этом говорят о мультизадачном режиме. При этом,
вообще говоря, мультипрограммный и мультизадачный режимы – это не синони- мы, хотя и близкие понятия. Основное принципиальное отличие в этих терминах заключается в том, что мультипрограммный режим обеспечивает параллельное выполнение нескольких приложений и при этом программисты, создающие эти программы, не должны заботиться о механизмах организации их параллельной ра- боты. Эти функции берет на себя сама ОС; именно она распределяет между выпол- няющимися приложениями ресурсы вычислительной системы, осуществляет необ- ходимую синхронизацию вычислений и взаимодействие. Мультизадачный режим,
наоборот, предполагает, что забота о параллельном выполнении и взаимодействии приложений ложится как раз на прикладных программистов. В современной тех- нической и, тем более, научно-популярной литературе об этом различии часто за- бывают, тем самым внося некоторую путаницу. Можно, однако, заметить, что со- временные ОС для ПК реализуют и мультипрограммный, и мультизадачный режи- мы.
При организации работы с вычислительной системой в диалоговом режиме можно говорить об однопользовательских (однотерминальных) и мультитерми- нальных ОС. В мультитерминальных ОС с одной вычислительной системой одно-

50
временно могут работать несколько пользователей, каждый со своего терминала.
При этом у пользователей возникает иллюзия, что у каждого из них имеется своя собственная вычислительная система. Очевидно, что для организации мультитер- минального доступа к вычислительной системе необходимо обеспечить муль- типрограммный режим работы. В качестве одного из примеров мультитерминаль- ных ОС для ПК можно назвать Linux.
Основной особенностью операционных систем реального времени (ОСРВ) яв- ляется обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интерва- лов времени, которые нельзя превышать. Поток заданий в общем случае не являет- ся планомерным и не может регулироваться оператором (характер следования со- бытий можно предсказать лишь в редких случаях), то есть задания поступают в не- предсказуемые моменты времени и без всякой очерёдности. В ОС, не предназна- ченных для решения задач реального времени, имеются некоторые накладные рас- ходы процессорного времени на этапе инициирования (при выполнении которого
ОС распознает все пожелания пользователей относительно решения своей задачи,
загружает в оперативную память нужную программу и выделяет другие необходи- мые для её выполнения ресурсы). В ОСРВ подобные затраты могут отсутствовать,
так как набор задач обычно фиксирован и вся информация о задачах известна ещё
до поступления запросов. Для подлинной реализации режима реального времени необходима (хотя этого и недостаточно) организация мультипрограммирования.
Мультипрограммирование является основным средством повышения производи- тельности вычислительной системы, а для решения задач реального времени про- изводительность становится важнейшим фактором. Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерми- нальными ОСРВ. Средства организации мультитерминального режима всегда за- медляют работу системы в целом, но расширяют функциональные возможности системы. Одной из наиболее известных ОСРВ для ПК является ОС QNX.
По основному архитектурному принципу ОС разделяются на микроядерные и
монолитные. В некоторой степени это разделение тоже условно, однако можно в качестве яркого примера микроядерной ОС привести ОСРВ QNX, тогда как в каче-

51
стве монолитной можно назвать Windows 95/98 или ОС Linux. Ядро ОС Windows мы не можем изменить, нам не доступны его исходные коды и у нас нет програм- мы для сборки (компиляции) этого ядра. А вот в случае с Linux мы можем сами со- брать ядро, которое нам необходимо, включив в него те необходимые про- граммные модули и драйверы, которые мы считаем целесообразным включить именно в ядро (а не обращаться к ним из ядра).
Контрольные вопросы и задачи
Вопросы для проверки
1 Объясните, в чём заключается различие между такими понятиями, как про- цесс и задача.
2 Изобразите диаграмму состояний процесса, поясните все возможные перехо- ды из одного состояния в другое.
3 Объясните значения следующих терминов: task (задача), process (процесс),
thread (поток, нить). Как они между собой соотносятся?
4 Для чего каждая задача получает соответствующий дескриптор? Какие поля,
как правило, содержатся в дескрипторе процесса (задачи)? Что такое «контекст за- дачи»?
5 Объясните понятие ресурса. Почему понятие ресурса является одним из фундаментальных при рассмотрении ОС? Какие виды и типы ресурсов вы знаете?
6 Как вы считаете: сколько и каких списков дескрипторов задач может быть в системе? От чего должно зависеть это число?
7 Перечислите дисциплины обслуживания прерываний; объясните, как можно реализовать каждую из этих дисциплин.
8 С какой целью в ОС вводится специальный системный модуль, иногда назы- ваемый супервизором прерываний?
9 В чём заключается различие между повторно-входимыми (re-entrance) и по- вторно-прерываемыми (re-enterable) программными модулями? Как они реа- лизуются?

52 10 Что такое привилегированный программный модуль? Почему нельзя соз- дать мультипрограммную ОС, в которой бы не было привилегированных про- граммных модулей?
ГЛАВА 2 Управление задачами и памятью в операционных системах
Итак, время центрального процессора и оперативная память являются основ- ными ресурсами в случае реализации мультипрограммных вычислений.
Оперативная память – это важнейший ресурс любой вычислительной системы,
поскольку без неё (как, впрочем, и без центрального процессора) невозможно вы- полнение ни одной программы. Мы уже отмечали, что память является разделяе- мым ресурсом. От выбранных механизмов распределения памяти между выпол- няющимися процессорами очень сильно зависит и эффективность использования ресурсов системы, и её производительность, и возможности, которыми могут поль- зоваться программисты при создании своих программ. Способы распределения времени центрального процессора тоже сильно влияют и на скорость выполнения отдельных вычислений, и на общую эффективность вычислительной системы.
Понятие процесса (задачи) нам уже известно. В данной главе мы не будем стараться разделять понятия процесс (process) и поток (thread), вместо этого ис- пользуя как бы обобщающий термин task (задача). В других разделах, если специ- ально это не оговаривается, под задачей или процессом следует понимать практи- чески одно и то же. Сейчас же мы будем говорить о разделении ресурса централь- ного процессора, поэтому термин задача может включать в себя и понятие треда
(потока).
Итак, операционная система выполняет следующие основные функции, свя- занные с управлением задачами:
♦ создание и удаление задач;
♦ планирование процессов и диспетчеризация задач;
♦ синхронизация задач, обеспечение их средствами коммуникации.

53
Система управления задачами обеспечивает прохождение их через компьютер.
В зависимости от состояния процесса ему должен быть предоставлен тот или иной ресурс. Например, новый процесс необходимо разместить в основной памяти –
следовательно, ему необходимо выделить часть адресного пространства. Новый порожденный поток текущего процесса необходимо включить в общий список за- дач, конкурирующих между собой за ресурсы центрального процессора.
Создание и удаление задач осуществляется по соответствующим запросам от пользователей или от самих задач. Задача может породить новую задачу. При этом между процессами появляются «родственные» отношения. Порождающая задача называется «предком», «родителем», а порожденная – «потомком», «сыном» или
«дочерней задачей». «Предок» может приостановить или удалить свою дочернюю задачу, тогда как «потомок» не может управлять «предком».
Основным подходом к организации того или иного метода управления про- цессами, обеспечивающего эффективную загрузку ресурсов или выполнение ка- ких-либо иных целей, является организация очерёдей процессов и ресурсов.
Очевидно, что на распределение ресурсов влияют конкретные потребности тех задач, которые должны выполняться параллельно. Другими словами, можно столк- нуться с ситуациями, когда невозможно эффективно распределять ресурсы с тем,
чтобы они не простаивали. Например, всем выполняющимся процессам требуется некоторое устройство с последовательным доступом. Но поскольку, как мы уже знаем, оно не может распределяться между параллельно выполняющимися процес- сами, то процессы вынуждены будут очень долго ждать своей очерёди. Таким об- разом, недоступность одного ресурса может привести к тому, что длительное время не будут использоваться и многие другие ресурсы.
Если же мы возьмем набор таких процессов, которые не будут конкурировать между собой за неразделяемые ресурсы при параллельном выполнении, то, скорее всего, процессы смогут выполниться быстрее (из-за отсутствия дополнительных ожиданий), да и имеющиеся в системе ресурсы будут использоваться более эффек- тивно. Итак, возникает задача подбора такого множества процессов, что при вы-

54
полнении они будут как можно реже конфликтовать из-за имеющихся в системе ресурсов. Такая задача называется планированием вычислительных процессов.
Задача планирования процессов возникла очень давно – в первых пакетных
ОС при планировании пакетов задач, которые должны были выполняться на ком- пьютере и оптимально использовать его ресурсы. В настоящее время актуальность этой задачи не так велика. На первый план уже очень давно вышли задачи дина- мического (или краткосрочного) планирования, то есть текущего наиболее эф- фективного распределения ресурсов, возникающего практически при каждом со- бытии. Задачи динамического планирования стали называть диспетчеризацией
1
.
Очевидно, что планирование осуществляется гораздо реже, чем задача теку- щего распределения ресурсов между уже выполняющимися процессами и потока- ми. Основное отличие между долгосрочным и краткосрочным планировщиками за- ключается в частоте запуска: краткосрочный планировщик, например, может за- пускаться каждые 30 или 100 мс, долгосрочный – один раз за несколько минут (или чаще; тут многое зависит от общей длительности решения заданий пользователей).
Долгосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящихся во входной очерёди, должен быть переведен в очередь готовых процессов в случае освобождения ресурсов памяти. Он выбирает процессы из входной очерёди с це- лью создания неоднородной мультипрограммной смеси. Это означает, что в очерё- ди готовых к выполнению процессов должны находиться – в разной пропорции –
как процессы, ориентированные на ввод/вывод, так и процессы, ориентированные на преимущественную работу с центральным процессором.
Краткосрочный планировщик решает, какая из задач, находящихся в очерёди готовых к выполнению, должна быть передана на исполнение. В большинстве со- временных операционных систем, с которыми мы сталкиваемся, долгосрочный планировщик отсутствует.
1
К сожалению, здесь наблюдается терминологическая несогласованность. Собственно модули супервизора, отве- чающие за диспетчеризацию задач, часто называют планировщиками (sheduler). Но фактически, говоря о тех же планировщиках памяти или о каких-нибудь других модулях, отвечающих за динамическое распределение ресурсов,
имеют в виду, что эти планировщики осуществляют диспетчеризацию. Наконец, иногда диспетчеризацию называют краткосрочным планированием.

55
Планирование и диспетчеризация процессов
и задач
Стратегии планирования
Прежде всего следует отметить, что при рассмотрении стратегий планирова- ния, как правило, идёт речь о краткосрочном планировании, то есть о диспетчери- зации. Долгосрочное планирование, как мы уже отметили, заключается в подборе таких вычислительных процессов, которые бы меньше всего конкурировали между собой за ресурсы вычислительной системы.
Стратегия планирования определяет, какие процессы мы планируем на вы- полнение для того, чтобы достичь поставленной цели. Известно большое количест- во различных стратегий выбора процесса, которому необходимо предоставить про- цессор. Среди них, прежде всего, можно назвать следующие стратегии:
♦ по возможности заканчивать вычисления (вычислительные процессы) в том же самом порядке, в котором они были начаты;
♦ отдавать предпочтение более коротким процессам;
♦ предоставлять всем пользователям (процессам пользователей) одинаковые услуги, в том числе и одинаковое время ожидания.
Когда говорят о стратегии обслуживания, всегда имеют в виду понятие про- цесса, а не понятие задачи, поскольку процесс, как мы уже знаем, может состоять из нескольких потоков (задач).
Дисциплины диспетчеризации
Когда говорят о диспетчеризации, то всегда в явном или неявном виде имеют в виду понятие задачи (потока). Если ОС не поддерживает механизм тредов, то можно заменять понятие задачи на понятие процесса. Так как эти термины часто используются именно в таком смысле, мы вынуждены будем использовать термин
«процесс» как синоним термина «задача».
Известно большое количество правил (дисциплин диспетчеризации), в соот- ветствии с которыми формируется список (очередь) готовых к выполнению задач.
Различают два больших класса дисциплин обслуживания – бесприоритетные и
приоритетные. При бесприоритетном обслуживании выбор задачи производится в