ОС как система управления ресурсами
Операционная система не только предоставляет пользователям и программистам удобный интерфейс к аппаратным средствам компьютера, но и является механизмом, распределяющим ресурсы компьютера.
К числу основных ресурсов современных вычислительных систем могут быть отнесены такие ресурсы, как процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Процесс (задача) представляет собой базовое понятие большинства современных ОС и часто кратко определяется как программа в стадии выполнения. Программа — это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными. Процесс — это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы.
Управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования является назначением операционной системы. Например, мультипрограммная операционная система организует одновременное выполнение сразу нескольких процессов на одном компьютере, поочередно переключая процессор с одного процесса на другой, исключая простои процессора, вызываемые обращениями процессов к вводу-выводу. ОС также отслеживает и разрешает конфликты, возникающие при обращении нескольких процессов к одному и тому же устройству ввода-вывода или к одним и тем же данным. Критерий эффективности, в соответствии с которым ОС организует управление ресурсами компьютера, может быть различным. Например, в одних системах важен такой критерий, как пропускная способность вычислительной системы, в других — время ее реакции. Соответственно выбранному критерию эффективности операционные системы по-разному организуют вычислительный процесс.
Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:
планирование ресурса — то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;
удовлетворение запросов на ресурсы;
отслеживание состояния и учет использования ресурса — то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;
разрешение конфликтов между процессами.
Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Например, применяемый алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, может ли ОС использоваться как система разделения времени, система пакетной обработки или система реального времени.
Задача организации эффективного совместного использования ресурсов несколькими процессами является весьма сложной, и сложность эта порождается в основном случайным характером возникновения запросов на потребление ресурсов. В мультипрограммной системе образуются очереди заявок от одновременно выполняемых программ к разделяемым ресурсам компьютера: процессору, странице памяти, к принтеру, к диску. Операционная система организует обслуживание этих очередей по разным алгоритмам: в порядке поступления, на основе приоритетов, кругового обслуживания и т. д. Анализ и определение оптимальных дисциплин обслуживания заявок является предметом специальной области прикладной математики — теории массового обслуживания. Эта теория иногда используется для оценки эффективности тех или иных алгоритмов управления очередями в операционных системах. Очень часто в ОС реализуются и эмпирические алгоритмы обслуживания очередей, прошедшие проверку практикой.
Модели сетевых служб и распределенных приложений
Значительная часть приложений, работающих в компьютерах сети, являются сетевыми, но, конечно, не все. Действительно, ничто не мешает пользователю запустить на своем компьютере полностью локальное приложение, не использующее имеющиеся сетевые коммуникационные возможности.
Распределенным в сетях может быть не только прикладное, но и системное программное обеспечение — компоненты операционных систем. Как и в случае локальных служб, программы, которые выполняют некоторые общие и часто встречающиеся в распределенных системах функции, обычно становятся частями операционных систем и называются сетевыми службами.
Целесообразно выделить три основных параметра организации работы приложений в сети. К ним относятся:
способ разделения приложения на части, выполняющиеся на разных компьютерах сети
выделение специализированных серверов в сети, на которых выполняются некоторые общие для всех приложений функции;
способ взаимодействия между частями приложений, работающих на разных компьютерах.
Способ разделения приложений на части
Очевидно, что можно предложить различные схемы разделения приложений на части, причем для каждого конкретного приложения можно предложить свою схему. Существуют и типовые модели распределенных приложений. В следующей достаточно детальной модели предлагается разделить приложение на шесть функциональных частей:
средства представления данных на экране, например средства графического пользовательского интерфейса;
логика представления данных на экране описывает правила и возможные сценарии взаимодействия пользователя с приложением: выбор из системы меню, выбор элемента из списка и т. п.;
прикладная логика — набор правил для принятия решений, вычислительные процедуры и операции;
логика данных — операции с данными, хранящимися в некоторой базе, которые нужно выполнить для реализации прикладной логики;
внутренние операции базы данных — действия СУБД, вызываемые в ответ на выполнение запросов логики данных, такие как поиск записи по определенным признакам;
файловые операции — стандартные операции над файлами и файловой системой, которые обычно являются функциями операционной системы.
На основе этой модели можно построить несколько схем распределения частей приложения между компьютерами сети.
Взаимодействие между частями приложений, работающих на разных компьютерах
Здесь компьютер 1 выполняет роль "чистого" клиента, а компьютер 2 - роль "чистого" сервера, соответственно на первой машине отсутствует серверная часть, а на второй - клиентская. На рисунке отдельно показан компонент клиентской части - редиректор. Именно редиректор перехватывает все запросы, поступающие от приложений, и анализирует их. Если выдан запрос к ресурсу данного компьютера, то он переадресовывается соответствующей подсистеме локальной ОС, если же это запрос к удаленному ресурсу, то он переправляется в сеть. При этом клиентская часть преобразует запрос из локальной формы в сетевой формат и передает его транспортной подсистеме, которая отвечает за доставку сообщений указанному серверу. Серверная часть операционной системы компьютера 2 принимает запрос, преобразует его и передает для выполнения своей локальной ОС. После того, как результат получен, сервер обращается к транспортной подсистеме и направляет ответ клиенту, выдавшему запрос. Клиентская часть преобразует результат в соответствующий формат и адресует его тому приложению, которое выдало запрос.
Механизм передачи сообщений в распределенных системах
Единственным по-настоящему важным отличием распределенных систем от централизованных является способ взаимодействия между процессами. Принципиально межпроцессное взаимодействие может осуществляться одним из двух способов:
с помощью совместного использования одних и тех же данных (разделяемая память);
путем передачи друг другу данных в виде сообщений.
В распределенных системах не существует памяти, непосредственно доступной процессам, работающим на разных компьютерах, поэтому взаимодействие процессов (как находящихся в пользовательской фазе, так и в системной, то есть выполняющих код операционной системы) может осуществляться только путем передачи сообщений через сеть. На основе механизма передачи сообщений работают все сетевые службы, предоставляющие пользователям сети разнообразные услуги — доступ к удаленным файлам, принтерам, почтовым ящикам и т. п. В сообщениях переносятся запросы от клиентов некоторой службы к соответствующим серверам — например, запрос на просмотр содержимого определенного каталога файловой системы, расположенной на сетевом сервере. Сервер возвращает ответ — набор имен файлов и подкаталогов, входящих в данный каталог, также помещая его в сообщение и отправляя его по сети клиенту.
Сообщение — это блок информации, отформатированный процессом-отправителем таким образом, чтобы он был понятен процессу-получателю. Сообщение состоит из заголовка, обычно фиксированной длины, и набора данных определенного типа переменной длины. В заголовке, как правило, содержатся следующие элементы.
Адрес — набор символов, уникально определяющих отправляющий и получающий процессы. Адресное поле, таким образом, состоит из двух частей — адреса процесса-отправителя и адреса процесса-получателя. Адрес каждого процесса может, в свою очередь, иметь некоторую структуру, позволяющую найти нужный процесс в сети, состоящей из большого количества компьютеров.
Последовательный номер, являющийся идентификатором сообщения. Используется для идентификации потерянных сообщений и дубликатов сообщений в случае отказов в сети.
Структурированная информация, состоящая в общем случае из нескольких частей: поля типа данных, поля длины данных и поля значения данных (то есть собственно данных). Поле типа данных определяет, например, что данные являются целым числом или же представляют собой строку символов (это поле может также содержать признак нерезидентности данных, то есть указатель на данные, которые хранятся где-то вне данного сообщения). Второе поле определяет длину передаваемых в сообщении данных (обычно в байтах), то есть размер следующего поля сообщения. Сообщение может включать несколько элементов, состоящих из описанных трех полей. В тех случаях, когда сообщение всегда переносит данные одного и того же типа, поле типа может быть опущено. То же касается поля длины данных — для тех типов сообщений, которые переносят данные фиксированного формата, но такая ситуация характерна только для протоколов низкого уровня (например, ATM, имеющего фиксированный размер поля данных в 48 байт).
В любой сетевой ОС имеется подсистема передачи сообщений, называемая также транспортной подсистемой, которая обеспечивает набор средств для организации взаимодействия процессов по сети. Назначение этой системы — экранировать детали сложных сетевых протоколов от программиста. Подсистема позволяет процессам взаимодействовать посредством достаточно простых примитивов. В самом простом случае системные средства обеспечения связи могут быть сведены к двум основным коммуникационным примитивам, один send (отправить) — для посылки сообщения, другой receive (получить) — для получения сообщения. В дальнейшем на их базе могут быть построены более мощные средства сетевых коммуникаций, такие как распределенная файловая система или служба вызова удаленных процедур, которые, в свою очередь, также могут служить основой для работы других сетевых служб.
Транспортная подсистема сетевой ОС имеет обычно сложную структуру, отражающую структуру семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI).
Способы адресации
Для того, чтобы послать сообщение, необходимо указать адрес получателя. В очень простой сети адрес может задаваться в виде константы, но в более сложных сетях нужен и более изощренный способ адресации.
Одним из вариантов адресации на верхнем уровне является использование физических адресов сетевых адаптеров. Если в получающем компьютере выполняется только один процесс, то ядро будет знать, что делать с поступившим сообщением - передать его этому процессу. Однако, если на машине выполняется несколько процессов, то ядру не известно, какому из них предназначено сообщение, поэтому использование сетевого адреса адаптера в качестве адреса получателя приводит к очень серьезному ограничению - на каждой машине должен выполняться только один процесс.
Альтернативная адресная система использует имена назначения, состоящие из двух частей, определяющие номер машины и номер процесса. Однако адресация типа "машина-процесс" далека от идеала, в частности, она не гибка и не прозрачна, так как пользователь должен явно задавать адрес машины-получателя. В этом случае, если в один прекрасный день машина, на которой работает сервер, отказывает, то программа, в которой жестко используется адрес сервера, не сможет работать с другим сервером, установленном на другой машине.
Другим вариантом могло бы быть назначение каждому процессу уникального адреса, который никак не связан с адресом машины. Одним из способов достижения этой цели является использование централизованного механизма распределения адресов процессов, который работает просто, как счетчик. При получении запроса на выделение адреса он просто возвращает текущее значение счетчика, а затем наращивает его на единицу. Недостатком этой схемы является то, что централизованные компоненты, подобные этому, не обеспечивают в достаточной степени расширяемость систем. Еще один метод назначения процессам уникальных идентификаторов заключается в разрешении каждому процессу выбора своего собственного идентификатора из очень большого адресного пространства, такого как пространство 64-х битных целых чисел. Вероятность выбора одного и того же числа двумя процессами является ничтожной, а система хорошо расширяется. Однако здесь имеется одна проблема: как процесс-отправитель может узнать номер машины процесса-получателя. В сети, которая поддерживает широковещательный режим (то есть в ней предусмотрен такой адрес, который принимают все сетевые адаптеры), отправитель может широковещательно передать специальный пакет, который содержит идентификатор процесса назначения. Все ядра получат эти сообщения, проверят адрес процесса и, если он совпадает с идентификатором одного из процессов этой машины, пошлют ответное сообщение "Я здесь", содержащее сетевой адрес машины.
Хотя эта схема и прозрачна, но широковещательные сообщения перегружают систему. Такой перегрузки можно избежать, выделив в сети специальную машину для отображения высокоуровневых символьных имен. При применении такой системы процессы адресуются с помощью символьных строк, и в программы вставляются эти строки, а не номера машин или процессов. Каждый раз перед первой попыткой связаться, процесс должен послать запрос специальному отображающему процессу, обычно называемому сервером имен, запрашивая номер машины, на которой работает процесс-получатель.
Совершенно иной подход - это использование специальной аппаратуры. Пусть процессы выбирают свои адреса случайно, а конструкция сетевых адаптеров позволяет хранить эти адреса. Теперь адреса процессов не обнаруживаются путем широковещательной передачи, а непосредственно указываются в кадрах, заменяя там адреса сетевых адаптеров.