Поддержка многопользовательского режима

По числу одновременно работающих пользователей ОС можно разделить на:

• однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x);

• многопользовательские (Windows NT, Unix).

Наиболее существенно отличие заключается в наличии у многопользовательских систем механизмов защиты персональных данных каждого пользователя.

Многопроцессорная обработка

Многопроцессорные системы состоят из двух или более центральных процессоров, осуществляющих параллельное выполнение команд. Поддержка мультипроцессирования является важным свойством ОС и приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами. Многопроцессорная обработка реализована в таких ОС, как Linux, Solaris, Windows NT и в ряде других.

Многопроцессорные ОС разделяют на симметричные и асимметричные. В симметричных ОС на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро и задача может быть выполнена на любом процессоре, то есть обработка полностью децентрализована.

В асимметричных ОС процессоры неравноправны. Обычно существует главный процессор (master) и подчиненные (slave), загрузку и характер работы которых определяет главный процессор.

Системы реального времени

В разряд многозадачных ОС, наряду с пакетными системами и системами разделения времени, включаются также системы реального времени, не упоминавшиеся до сих пор.

Они используются для управления различными техническими объектами или технологическими процессами. Такие системы характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешнее событие, в течение которого должна быть выполнена программа, управляющая объектом. Система должна обрабатывать поступающие данные быстрее, чем те могут поступать, причем от нескольких источников одновременно.

Столь жесткие ограничения сказываются на архитектуре систем реального времени, например, в них может отсутствовать виртуальная память, поддержка которой дает непредсказуемые задержки в выполнении программ.

Приведенная классификация ОС не является исчерпывающей

 

Лекция 3

Определение процессов

В общем случае процесс – это некоторая деятельность, связанная с исполнением программы на процессоре.

При исполнении программ на центральном процессоре чаще всего различают следующие характерные отдельные состояния:

1. порождение — подготавливаются условия для первого исполнения на процессоре

2. активное состояние, или состояние “Счет” — программа исполняется на процессоре

3. ожидание — программа не исполняется на процессоре по причине занятости какого-либо требуемого ресурса

4. готовность — программа не исполняется, но для исполнения предоставлены все необходимые в текущий момент ресурсы, кроме центрального процессора

5. окончание — нормальное или аварийное окончание исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются

Процесс находится в каждом из своих допустимых состояний в течение некоторого времени, после чего переходит в какое-то другое допустимое состояние. Состав допустимых состояний, а также допустимые переходы из состояния в состояние обычно задают в форме графа существования процесса

Для ОС процесс в такой трактовке рассматривается как объект, в отношении которого требуется обеспечить реализацию каждого из допустимых состояний, а также допустимые переходы из состояния в состояние в ответ на события, которые могут явиться причиной таких переходов. Такие события могут инициироваться и самими процессами, которые способны затребовать процессор или какой-либо другой ресурс, необходимый для исполнения программы.

Свойства и классификация

Процессы определяются рядом временных характеристик. В некоторый момент времени процесс может быть порожден (образован), а через некоторое время закончен. Интервал между этими моментами называют интервалом существования процесса.

В момент порождения последовательность и длительность пребывания процесса в каждом из своих состояний (трасса процесса) в общем случае непредсказуемы. Следовательно, непредсказуема и длительность интервала существования. Однако отдельные виды процессов требуют такого планирования, чтобы гарантировать окончание процесса до наступления некоторого конкретного момента времени. Процессы такого класса называют процессами реального времени. В другой класс входят процессы, время существования которых должно быть не более интервала времени допустимой реакции ЭВМ на запросы пользователя. Процессы такого класса называют интерактивными. Процессы, не вошедшие в эти классы, называют пакетными.

В любой ОС по требованию существующего или существовавшего процесса проводится работа по порождению процессов. Процесс, задающий данное требование, называют порождающим, а создаваемый по требованию — порожденным. Если порожденный процесс на интервале своего существования в свою очередь выдает требование на порождение другого процесса, то он одновременно становится и порождающим.

При управлении процессами важно обеспечить воспроизводимость результатов работы каждого процесса, учитывать и управлять той ситуацией, которая складывалась при развитии процесса. Поэтому часто оказывается важен не только результат счета, но и каким образом этот результат достигается. С этих позиций ОС сравнивает процессы по динамическим свойствам, используя понятие "трасса" — порядок и длительность пребывания процесса в допустимых состояниях на интервале существования.

Два процесса, которые имеют одинаковый конечный результат обработки одних и тех же исходных данных по одной и той же или даже различным программам на одном и том же или на различных процессорах, называют эквивалентными. Трассы эквивалентных процессов в общем случае не совпадают. Если в каждом из эквивалентных процессов обработка данных происходит по одной и той же программе, но трассы при этом в общем случае не совпадают, то такие процессы называют тождественными. При совпадении трасс у тождественных процессов их называют равными. Во всех остальных случаях процессы всегда различны.

Проблематичность управления процессами заключается в том, что в момент порождения процессов их трассы неизвестны. Кроме того, требуется учитывать, каким образом соотносятся во времени интервалы существования процессов. Если интервалы двух процессов не пересекаются во времени, то такие два процесса называют последовательными друг относительно друга. Если на рассматриваемом интервале времени существуют одновременно два процесса, то они на этом интервале являются параллельными друг относительно друга. Если на рассматриваемом интервале найдется хотя бы одна точка, в которой существует один процесс, но не существует другой, и хотя бы одна точка, в которой оба процесса существуют одновременно, то такие два процесса называют комбинированными.

В операционной системе принято различать процессы не только по времени, но и по месту их развития, т. е. на каком из процессоров исполняется программа процесса. Точкой отсчета принято считать центральный процессор (процессоры), на котором развиваются процессы, называемые программными или внутренними. Такое название указывает на возможность существования в системе процессов, называемых внешними. Это процессы, развитие которых происходит под контролем или управлением ОС на процессорах, отличных от центрального. Ими могут быть, например, процессы ввода — вывода, развивающиеся в канале. Деятельность любого пользователя ЭВМ, который в том или ином виде вводит посредством ОС информацию, требуемую для исполнения одной или нескольких программ, можно также рассматривать как внешний процесс.

Программные процессы принято делить на системные и пользовательские. При развитии системного процесса исполняется программа из состава операционной системы. При развитии пользовательского процесса исполняется пользовательская (прикладная) программа.

Процессы независимо от их вида могут быть взаимосвязанными или изолированными друг от друга. Два процесса являются взаимосвязанными, если между ними поддерживаются с помощью системы управления процессами какого-либо рода связи: функциональные, пространственно-временные, управляющие, информационные и т. д. В противном случае они являются изолированными (точнее - процессами со слабыми связями, так как при отсутствии явных связей они могут быть связаны косвенно и определенным образом влиять на развитие друг друга).

При наличии между процессами управляющей связи устанавливается отношение вида "порождающий—порождаемый", рассмотренное выше. Если два взаимосвязанных процесса при развитии используют совместно некоторые ресурсы, но информационно между собой не связаны, т. е. не обмениваются информацией, то такие процессы называют информационно-независимыми. Связь между такими процессами может быть либо функциональная, либо пространственно-временная. При наличии информационных связей между двумя процессами их называют взаимодействующими, причем схемы, а следовательно, и механизмы установления таких связей могут быть различными.

Особенность, во-первых, обусловлена динамикой процессов (т. е. являются ли взаимодействующие процессы последовательными, параллельными или комбинированными); во-вторых, выбранным способом связи (явным, с помощью явного обмена сообщениями между процессами, или неявным, с помощью разделяемых структур данных). Когда необходимо подчеркнуть связь между взаимосвязанными процессами по ресурсам, их называют конкурирующими.

Управление взаимосвязанными процессами в составе ОС основано на контроле и удовлетворении определенных ограничений, которые накладываются на порядок выполнения таких процессов. Данные ограничения определяют виды отношений, которые допустимы между процессами, и составляют в совокупности синхронизирующие правила.

• Отношение предшествования. Для двух процессов это отношение означает, что первый процесс должен переходить в активное состояние всегда раньше второго.

• Отношение приоритетности. Процесс с приоритетом Р может быть переведен в активное состояние только при соблюдении двух условий: в состоянии готовности к рассматриваемому процессору нет процессов с большим приоритетом; процессор либо свободен, либо используется процессом с меньшим, чем Р, приоритетом.

• Отношение взаимного исключения. Здесь два процесса используют обобщенный ресурс. При этом совокупность действий над этим ресурсом в составе одного процесса называют критической областью. Критическая область одного процесса не должна выполняться одновременно с критической областью над этим же ресурсом в составе другого процесса.

Трудность в реализации синхронизирующих правил в составе системы управления процессами обусловлена динамикой процессов, неопределенностью и непредсказуемостью порядка и частотой перехода процессов из состояния в состояние по мере их развития. Причем в отношении каждой совокупности взаимосвязанных процессов приходится решать собственную задачу синхронизации, которая требует определенного порядка выполнения процессов с целью установления требуемого взаимодействия. Помимо рассмотренных в каждой из задач могут использоваться и другие, более сложные виды отношений. Например, отношения "производители—потребители", "читатели—писатели" и т. д., устанавливаемые между взаимодействующими процессами.

Результатом рассмотрения основных свойств процессов явилось упорядочение процессов в одну из возможных классификационных схем

 

Лекция 4

Уровни планирования

Рассматривая эволюцию компьютерных систем, говорят о существовании двух видов планирования в вычислительных системах: планировании заданий и планировании использования процессора.

Планирование заданий появилось в пакетных системах после того, как для хранения сформированных пакетов заданий начали использоваться магнитные диски. Магнитные диски, будучи устройствами прямого доступа, позволяют загружать задания в компьютер в произвольном порядке, а не только в том, в котором они были записаны на диск. Изменяя порядок загрузки заданий в вычислительную систему, можно повысить эффективность ее использования. Процедуру выбора очередного задания для загрузки в машину, т. е. для порождения соответствующего процесса, называют планированием заданий.

Планирование использования процессора впервые возникает в мультипрограммных вычислительных системах, где в состоянии готовность могут одновременно находиться несколько процессов. Именно для процедуры выбора из них одного процесса, который получит процессор в свое распоряжение, т.е. будет переведен в состояние исполнение, используют это словосочетание.

В вычислительных системах, оба этих вида планирования рассматриваются как различные уровни планирования процессов.

Планирование заданий

Планирование заданий выступает в качестве долгосрочного планирования процессов. Оно отвечает за порождение новых процессов в системе, определяя ее степень мультипрограммирования, т. е. количество процессов, одновременно находящихся в ней. Если степень мультипрограммирования системы поддерживается постоянной, т. е. среднее количество процессов в компьютере не меняется, то новые процессы могут появляться только после завершения ранее загруженных. Поэтому долгосрочное планирование осуществляется достаточно редко, между появлением новых процессов могут проходить минуты и даже десятки минут. Решение о выборе для запуска того или иного процесса оказывает влияние на функционирование вычислительной системы на протяжении достаточно длительного интервала времени. Отсюда и проистекает название этого уровня планирования - долгосрочное.

В некоторых операционных системах долгосрочное планирование сведено к минимуму или совсем отсутствует. Так, например, во многих интерактивных системах разделения времени порождение процесса происходит сразу после появления соответствующего запроса. Поддержание разумной степени мультипрограммирования осуществляется за счет ограничения количества пользователей, которые могут работать в системе, и человеческой психологии. Если между нажатием на клавишу и появлением символа на экране проходит 20-30 секунд, то многие пользователи предпочтут прекратить работу и продолжить ее, когда система будет менее загружена.

Планирование использования процессора

Планирование использования процессора выступает в качестве краткосроч-ного планирования процессов. Оно проводится, к примеру, при обращении исполняющегося процесса к устройствам ввода-вывода или просто по завершении определенного интервала времени. Поэтому краткосрочное планирование осуществляется весьма часто, как правило, не реже одного раза в 100 миллисекунд. Выбор нового процесса для исполнения оказывает влияние на функционирование системы до наступления очередного аналогичного события, т. е. в течение короткого промежутка времени, что и обусловило название этого уровня планирования - краткосрочное.

В некоторых вычислительных системах бывает выгодно для повышения их производительности временно удалить какой-либо частично выполнившийся процесс из оперативной памяти на диск, а позже вернуть его обратно для дальнейшего выполнения. Такая процедура в англоязычной литературе получила название swapping, что можно перевести на русский язык как перекачка, хотя в профессиональной литературе оно употребляется без перевода - свопинг. Когда и какой из процессов нужно перекачать на диск и вернуть обратно, решается дополнительным промежуточным уровнем планирования процессов - среднесрочным.

Критерии планирования и требования к алгоритмам

Для каждого уровня планирования процессов можно предложить много различных алгоритмов. Выбор конкретного алгоритма определяется классом задач, решаемых вычислительной системой, и целями, которых мы хотим достичь, используя планирование. К числу таких целей можно отнести:

• Справедливость: гарантировать каждому заданию или процессу определенную часть времени использования процессора в компьютерной системе, стараясь не допустить возникновения ситуации, когда процесс одного пользователя постоянно занимает процессор, в то время как процесс другого пользователя фактически не приступал к выполнению.

• Эффективность: постараться занять процессор на все 100% рабочего времени, не позволяя ему простаивать в ожидании процессов готовых к исполнению. В реальных вычислительных системах загрузка процессора колеблется от 40 до 90 процентов.

• Сокращение полного времени выполнения (turnaround time): обеспечить минимальное время между стартом процесса или постановкой задания в очередь для загрузки и его завершением.

• Сокращение времени ожидания (waiting time): минимизировать время, которое проводят процессы в состоянии готовность и задания в очереди для загрузки.

• Сокращение времени отклика (response time): минимизировать время, которое требуется процессу в интерактивных системах для ответа на запрос пользователя.

Независимо от поставленных целей планирования желательно также, чтобы алгоритмы обладали следующими свойствами:

• Были предсказуемыми. Одно и то же задание должно выполняться приблизительно за одно и то же время. Применение алгоритма планирования не должно приводить, к примеру, к извлечению корня квадратного из 4 за сотые доли секунды при одном запуске и за несколько суток при втором запуске.

• Имели минимальные накладные расходы, связанные с их работой. Если на каждые 100 миллисекунд, выделенных процессу для использования процессора, будет приходиться 200 миллисекунд на определение того, какой именно процесс получит процессор в свое распоряжение, и на переключение контекста, то такой алгоритм, очевидно, использовать не стоит.

• Равномерно загружали ресурсы вычислительной системы, отдавая предпочтение тем процессам, которые будут занимать малоиспользуемые ресурсы.

• Обладали масштабируемостью, т. е. не сразу теряли работоспособность при увеличении нагрузки. Например, рост количества процессов в системе в два раза не должен приводить к увеличению полного времени выполнения процессов на порядок.

Многие из приведенных выше целей и свойств являются противоречивыми. Улучшая работу алгоритма с точки зрения одного критерия, мы ухудшаем ее с точки зрения другого. Приспосабливая алгоритм под один класс задач, мы тем самым дискриминируем задачи другого класса.

Параметры планирования

Для осуществления поставленных целей разумные алгоритмы планирования должны опираться на какие-либо характеристики процессов в системе, заданий в очереди на загрузку, состояния самой вычислительной системы, иными словами, на параметры планирования. В этом разделе мы опишем ряд таких параметров, не претендуя на полноту изложения.

Все параметры планирования можно разбить на две большие группы: статические параметры и динамические параметры. Статические параметры не изменяются в ходе функционирования вычислительной системы, динамические же, напротив, подвержены постоянным изменениям.

К статическим параметрам вычислительной системы можно отнести предельные значения ее ресурсов (размер оперативной памяти, максимальное количество памяти на диске для осуществления свопинга, количество подключенных устройств ввода-вывода и т. п.). Динамические параметры системы описывают количество свободных ресурсов в текущий момент времени.

Параметры планирования (статические)

К статическим параметрам процессов относятся характеристики, как правило, присущие заданиям уже на этапе загрузки:

• Каким пользователем запущен процесс или сформировано задание.

• Насколько важной является поставленная задача, т. е. каков приоритет ее выполнения.

• Сколько процессорного времени запрошено пользователем для решения задачи.

• Каково соотношение процессорного времени и времени, необходимого для осуществления операций ввода-вывода.

• Какие ресурсы вычислительной системы (оперативная память, устройства ввода-вывода, специальные библиотеки и системные программы и т. д.) и в каком количестве необходимы заданию.

Параметры планирования (динамические)

Алгоритмы долгосрочного планирования используют в своей работе статические и динамические параметры вычислительной системы и статические параметры процессов (динамические параметры процессов на этапе загрузки заданий еще не известны). Алгоритмы краткосрочного и среднесрочного планирования дополнительно учитывают и динамические характеристики процессов.

Для среднесрочного планирования в качестве таких характеристик может выступать следующая информация:

• Сколько времени прошло со времени выгрузки процесса на диск или его загрузки в оперативную память.

• Сколько оперативной памяти занимает процесс.

• Сколько процессорного времени было уже предоставлено процессу

Для краткосрочного планирования необходимо ввести еще два динамических параметра.

Деятельность любого процесса можно представить как последовательность циклов использования процессора и ожидания завершения операций ввода-вывода. Промежуток времени непрерывного использования процессора носит на английском языке название CPU burst, а промежуток времени непрерывного ожидания ввода-вывода - I/O burst. На рисунке следующего слайда показан фрагмент деятельности некоторого процесса на псевдоязыке программирования с выделением указанных промежутков. Для краткости изложения мы будем использовать термины CPU burst и I/O burst без перевода. Значения продолжительности последних и очередных CPU burst и I/O burst являются важными динамическими параметрами процесса.

Вытесняющее и невытесняющее планирование

Процесс планирования осуществляется частью операционной системы, называемой планировщиком. Планировщик может принимать решения о выборе для исполнения нового процесса, из числа находящихся в состоянии готовность, в следующих четырех случаях:

1. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние завершение.

2. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние ожидание.

3. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние готовность (например, после прерывания от таймера).

4. Когда процесс переводится из состояния ожидание в состояние готовность (завершилась операция ввода-вывода или произошло другое событие).

В случаях 1 и 2 процесс, находившийся в состоянии исполнение, не может дальше исполняться, и для выполнения всегда необходимо выбрать новый процесс.

В случаях 3 и 4 планирование может не проводиться, процесс, который исполнялся до прерывания, может продолжать свое выполнение после обработки прерывания.

Если планирование осуществляется только в случаях 1 и 2, говорят, что имеет место невытесняющее (nonpreemptive) планирование. В противном случае говорят о вытесняющем (preemptive) планировании.

Термин "вытесняющее планирование' возник потому, что исполняющийся процесс помимо своей воли может быть вытеснен из состояния исполнение другим процессом.

Невытесняющее планирование используется, например, в MS Windows 3.1 и ОС Apple Macintosh. При таком режиме планирования процесс занимает столько процессорного времени, сколько ему необходимо. При этом переключение процессов возникает только при желании самого исполняющегося процесса передать управление (для ожидания завершения операции ввода-вывода или по окончании работы).

Этот метод планирования относительно просто реализуем и достаточно эффективен, так как позволяет использовать большую часть процессорного времени на работу самих процессов и до минимума сократить затраты на переключение контекста. Однако при невытесняющем планировании возникает проблема возможности полного захвата процессора одним процессом, который вследствие каких-либо причин (например, из-за ошибки в программе) зацикливается и не может передать управление другому процессу. В такой ситуации спасает только перезагрузка всей вычислительной системы.

Вытесняющее планирование обычно используется в системах разделения времени. В этом режиме планирования процесс может быть приостановлен в любой момент своего исполнения. Операционная система устанавливает специальный таймер для генерации сигнала прерывания по истечении некоторого интервала времени - кванта. После прерывания процессор передается в распоряжение следующего процесса. Временные прерывания помогают гарантировать приемлемые времена отклика процессов для пользователей, работающих в диалоговом режиме, и предотвращают "зависание" компьютерной системы из-за зацикливания какой-либо программы.