Билет 62
Эффективность операционных систем. Показатели эффективности. Требования, предъявляемые к операционным системам.
Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования. Алгоритмы, основанные на квантовании. Схемы алгоритма планирования с квантованием.
1)Эффективность – степень соответствия своему назначению, техническое совершенство и экономическая целесообразность.
Показатели эффективности:
Общие:
Производительность (пропускная способность)
Относительная пропускная способность
Время ответа (реакции системы)
Коэффициент задержки выполнения работ
Время решения заданного набора функциональных задач
Частные:
Характеризующие ресурсоемкость
Показатели надежности
Характеризующие качество выполнения функций
Характеризующие качество отдельных компонентов
Затраты времени и средств
Требования, предъявляемые к операционным системам:
Эффективность
Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Её действия должны быть предсказуемы, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС.
Безопасность (защищенность). Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Чтобы ОС обладала свойством безопасности, она должна иметь в своём составе средства аутентификации – определения легальности пользователей, авторизации – предоставления легальным пользователям прав доступа к ресурсам, аудита – фиксации всех подозрительных для безопасности системы событий. Свойство безопасности особенно важно для сетевых ОС.
Предсказуемость
Расширяемость. В то время как аппаратная часть компьютера устаревает за несколько лет, полезная жизнь ОС может измеряться десятилетиями. Поэтому ОС всегда изменяются со временем эволюционно. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, например поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой.
Переносимость. В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессора, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Такое свойство ОС называют также многоплатформенностью.
Совместимость. Существует несколько «долгоживущих» популярных ОС (разновидности UNIX, MS-DOS, Windows 3.x, Windows NT, OS/2), для которых наработана широкая номенклатура приложений. Поэтому для пользователя, переходящего по тем или иным причинам с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой ОС привычного приложения. Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других ОС, то про неё говорят, что она обладает совместимостью с этими ОС.
Удобство
Масштабируемость
Производительность. ОС должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияет архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, возможность исполнения ОС на высокопроизводительной (многопроцессорной) платформе.
2)
Невытесняющие (non-preemptive) алгоритмы основаны на том, что активному потоку позволяется выполняться, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению поток. При невытесняющем мультипрограммировании механизм планирования распределен между операционной системой и прикладными программами (например, используется в файл-серверах NetWare 3.x и 4.x).
Вытесняющие (preemptive) алгоритмы — это такие способы планирования потоков, в которых решение о переключении процессора с выполнения одного потока на выполнение другого потока принимается операционной системой, а не активной задачей. При вытесняющем мультипрограммировании функции планирования потоков целиком сосредоточены в операционной системе и программист пишет свое приложение, не заботясь о том, что оно будет выполняться одновременно с другими задачами (например, используется в UNIX, Windows NT/2000, OS/2, VAX/VMS и в некоторых настольных системах таких, как OS/2 Warp и Windows 95/98).
Проблемы связанные с использование невытесняющих алгоритмов планирования:
Для пользователей: управление системой теряется на произвольный период времени, который определяется приложением (а не пользователем).
Для разработчиков приложений: необходимость возлагать на себя часть функций планировщика, создавать приложения так, чтобы они выполняли свои задачи небольшими частями.
Преимущества использования невытесняющих алгоритмов планирования:
возможность разработчику приложений самому проектировать алгоритм планирования, наиболее подходящий для данного фиксированного набора задач: исключаются нерациональные прерывания программ в «неудобные» для них моменты времени, легко разрешаются проблемы совместного использования данных;
более высокая скорость переключения с потока на поток.
Алгоритмы планирования, основанные на квантовании
В основе многих вытесняющих алгоритмов планирования лежит концепция квантования. В соответствии с этой концепцией каждому потоку поочередно для выполнения предоставляется ограниченный непрерывный период процессорного времени — квант.
Смена активного потока происходит, если:
поток завершился и покинул систему;
произошла ошибка;
поток перешел в состояние ожидания;
исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному потоку.
Рис. 1. Граф состояний потока в системе с квантованием
Чем больше квант, тем выше вероятность того, что потоки завершатся в результате первого же цикла выполнения, и тем менее явной становится зависимость времени ожидания потоков от их времени выполнения.
Чем больше квант, тем меньше суммарные накладные расходы, связанные с переключением потоков.
Кванты, выделяемые одному потоку, могут быть фиксированной величины, а могут и изменяться в разные периоды жизни потока.
Задача
Требуется сравнить считывание файла через однопоточный и многопоточный файловые серверы. Получение запроса, его диспетчеризация и обработка занимают 15 мс при условии наличия требуемых данных в кэше. В каждом пятом случае требуется обращение к диску, занимающее 125 мс, в течение которых поток находится в состоянии ожидания. Сколько запросов в секунду обрабатывает однопоточный сервер? А многопоточный?
Рассмотрим однопоточный сервер:
Если данные находятся в кэше (вероятность 4/5), то запрос займет 15 мс
Если данные не находятся в кеше (вероятность 1/5), то запрос займёт 15 мс + 125 мс в режиме ожидания
Пусть x – число запросов в секунду.
(4/5)x * 15 + (1/5)x * (15+125) = 1000
x=25 запр/сек
Рассмотрим многопоточный сервер:
Если данные находятся в кэше (вероятность 4/5), то запрос займет 15 мс
Если данные не находятся в кеше (вероятность 1/5), то запрос займёт 15 мс + 125 мс в режиме ожидания, в течение которого может выполняться диспетчеризация и обработка остальных запросов
Двух одновременных операций по чтению с диска выполняться не может
Тогда:
1000 / 15 = 66 диспетчеризаций и обработок запросов может выполнить сервер за секунду
Если 4/5 из них лежат в кеше, то 4/5 * 66 = 53 запроса сервер выполнит без чтения с диска
Остаются 66-53=13 запросов, требующих чтения с диска. Т.к. одновременное чтение из двух областей диска происходить не может, то из этих 13 запросов смогут выполниться только 1000/125=8 запросов.
Итого многопоточный сервер выполнит 53+8=61 запрос.