13.Процессы и потоки

Что бы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить и оформить для себя те внутренние единицы работы, между которыми будет разделятся процессор и другие ресурсы компьютера. В настоящее время в большинстве ОС определены 2 типа единиц работы. Более крупная единица работы – процесс, или задача, требует для своего выполнения нескольких более мелких работ – поток или нить.

Процесс и поток- -это некий программный код. оформленный в виде исполняемого модуля.

Создание процессов и потоков:

Создать процесс-это прежде всего означает создать описатель процесса, в качестве которого выступает одна или несколько информационных структур, содержащих все сведения о процессе, необходимые ОС для управления им. Создание процесса включает загрузку кодов и данных исполняемой программы данного процесса с диска в оперативную память. При выполнении всех этих действий подсистема управления процессами тесно взаимодействует с подсистемой управления памятью и ФС.

В многопоточной системе при создании процесса создается как минимум 1 поток, для которого ОС создает свою информационную структуру – описатель потока, который содержит идентификатор потока, данные о правах доступа приоритетах, о состоянии потока т.д. В исходном состоянии поток находится в приостановленном состоянии. Момент выборки потока на выполнение осуществляется в соответствии с принятым в данной системе правилом предоставления процессорного времени и с учетом всех существующих данный момент потоков и процессов. ОС само определяет когда поток следует запустить на выполнение. Поток может обратится к ОС с запросом на создание потоков-потомков => это поток – родитель. В зависимости от ОС потоки-потомки могут выполнятся либо синхронно либо асинхронно.

При управлении процессами ОС использует 2 типа информационных структур: дескриптор процесса и контекст процесса.

Дескриптор процесса – содержит информацию о процессе, которая необходима ядру в течение всего жизненного цикла процесса независимо от того, находится он в активном или пассивном состоянии, находится образ процесса в ОП или выгружен на диск.

Образ процесса – совокупность его кодов и данных.

Дескрипторы отдельных процессов объединены в таблицу, которая находится в ОП ядра ОС. НА основании данных из этих таблиц осуществляется планирование и синхронизация процесса.

Контекст процесса – содержит информацию о процессе, необходимую для возобновления процесса с прерванного места.

14.Планирование и диспечеризаци потоков.Состояние потока.

Работа по определению того, в какой момент необходимо прервать выполнение текущего активного потока и какому потоку предоставить возможность выполняться, называется планированием.В большинстве операционных систем универсального назначения планирование осуществляется динамически (on-Line), т.е. решения принимаются во время работы системы на основе анализа текущей ситуации. Другой тип планирования – статический – может быть использован в специализированных системах, в которых весь набор одновременно выполненных задач определен заранее (off-Line). Результатом работы статического планировщика является таблица, в которой указывается, какому потоку процессу, когда и на какое время должен быть предоставлен процессор. Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования (динамического или статического) решения, т.е. в переключении процессора с одного потока на другой. Прежде чем прервать выполнение потока, ОС запоминает его контекст, с тем, чтобы впоследствии использовать эту информацию для последующего возобновления выполнения данного потока. Состояние потока ОС выполняет планирование потоков, принимая во внимание их состояние. В мультипрограммной системе поток может находиться в одном из трех основных состояний: выполнение – активное состояние потока, во время которого поток обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором; ожидание – пассивное состояние потока, находясь в котором, поток заблокирован по своим внутренним причинам (ждет осуществления некоторого события: завершения операции ввода и вывода, получения сообщения от другого потока или освобождения необходимого ему ресурса и др.); готовность – также пассивное состояние потока, но в этом случае поток заблокирован в связи с внешним по отношению к нему обстоятельством (имеет все требуемые для него ресурсы, готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого потока). В течение своей жизни каждый поток переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования, потоков, принятым в данной операционной системе. В состоянии выполнения в однопроцессорной системе может находиться не более одного потока, а в каждом из состояний ожидания и готовности – несколько потоков. Эти потоки образуют очереди соответственно ожидающих и готовых потоков. Очереди потоков организуются путем объединения в списки описателей отдельных потоков. Таким образом, каждый описатель потока, кроме всего прочего, содержит, по крайней мере, один указатель на другой описатель, соседствующий с ним в очереди. Такая организация очередей позволяет легко их переупорядочивать, включать и исключать потоки, переводить потоки из одного состояния в другое.

15.Алгоритмы планирования

Не вытесняющие (non-preemptive) алгоритмы основаны на том, что активному потоку позволяется выполняться, пока он сам, но собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению поток. 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. Основным различием между вытесняющими и не вытесняющими алгоритмами являются степень централизации механизма планирования потоков. При вытесняющем мультипрограммировании функции планирования потоков целиком сосредоточены в операционной системе и программист пишет свое предложение, не заботясь о том, что оно будет выполняться одновременно с другими задачами. При этом операционная система выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения активного потока, запоминает его контекст, выбирает из очереди готовых потоков следующий, запускает новый поток на выполнение, загружая его контекст. При не вытесняющем мультипрограммировании механизм планирования распределен между операционной системой и прикладными программами. Прикладная программа, получив управление от операционной системы, сама определяет момент завершения очередного цикла своего выполнения и только затем передает управление ОС с помощью какого–либо системного вызова. ОС формирует очереди потоков и выбирает в соответствии с некоторым правилом (например, с учетом приоритетов) следующий поток на выполнение. Такой механизм создает проблемы, как для пользователей, так и для разработчиков приложений. Разработчики приложений для операционной среды с не вытесняющей многозадачностью вынуждены создавать приложения так, чтобы они выполняли свои задачи небольшими частями.

В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если:

• процесс завершился и покинул систему,

• произошла ошибка,

• процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ,

• исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.

Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние ГОТОВНОСТЬ и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый процесс из очереди готовых. Таким образом, ни один процесс не занимает процессор надолго, поэтому квантование широко используется в системах разделения времени. Кванты, выделяемые процессам, могут быть одинаковыми для всех процессов или различными. Кванты, выделяемые одному процессу, могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни процесса. Процессы, которые не полностью использовали выделенный им квант (например, из-за ухода на выполнение операций ввода-вывода), могут получить или не получить компенсацию в виде привилегий при последующем обслуживании. По разному может быть организована очередь готовых процессов: циклически, по правилу "первый пришел - первый обслужился" (FIFO) или по правилу "последний пришел - первый обслужился" (LIFO).

Другая группа алгоритмов использует понятие "приоритет" процесса. Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии. Приоритет может выражаться целыми или дробными, положительным или отрицательным значением.Чем выше привилегии процесса, тем меньше времени он будет проводить в очередях. Приоритет может назначаться директивно администратором системы в зависимости от важности работы или внесенной платы, либо вычисляться самой ОС по определенным правилам, он может оставаться фиксированным на протяжении всей жизни процесса либо изменяться во времени в соответствии с некоторым законом. В последнем случае приоритеты называются динамическими. Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты. В обоих случаях выбор процесса на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается процесс, имеющий наивысший приоритет. По разному решается проблема определения момента смены активного процесса. В системах с относительными приоритетами активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЕ (или же произойдет ошибка, или процесс завершится). В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного процесса прерывается еще при одном условии: если в очереди готовых процессов появился процесс, приоритет которого выше приоритета активного процесса.

Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как квантования, так и приоритетов. Например, в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора процесса из очереди готовых определяется приоритетами процессов.

Перепланировка – функция ОС. Планировщик – программа, которая реализует некоторый алгоритм. Перепланировка происходит после одного из следующих событий: 1.сигнал, что время на выполнение закончилось 2.выполнение системного вызова, а ресурс занят 3. системный вызов, связанный с освобождением ресурса. Если какой-то процесс ждет этот ресурс, то освобождение подождет.

16.Мультипрограммирование на основе прерываний

Прерывание – это способ переключения процессора на выполнение потока команд, отличного от того который выполнялся, с последующим возвратом.

Различают следующие типы прерываний:

· внешние (аппаратные);

· внутренние (исключения -exception);

· программные.

Внешние прерывания происходят асинхронно, т.е. происходят в случайный момент времени в процессе выполнения программы (например, от внешних устройств), внутренние – синхронно, т.е. возникают по конкретной причине и можно предугадать возникновение такого прерывания (например, при делении на ноль).Программные прерывания не являются "истинными" прерываниями. Они возникают при выполнении определенной команды процессора и применяются в том случае, когда необходимо выполнить некоторые привилегированные действия (например обратится к порту компьютера).Прерываниям равного значения приписываются уровни приоритетов (уровни - IRQ).Каждое из прерываний обслуживается обработчиком прерываний (Interrupt Service Routine).Внешние – обрабатываются драйверами, внутренние – модулями ядра, программные – процедурами из API.

Механизм прерываний поддерживается аппаратными и программными средствами ОС. Различают векторный (vectored) и опрашиваемый (polled) типы прерываний. В обоих способах процессору передается информация об уровне приоритета.При векторном типе прерывания в процессор передается также адрес обработчика прерывания. Для векторного типа схема обработки такова: электрический сигнал - запрос на подтверждение - вектор - обработчик (например, для шины VMEbus).Для опрашиваемого схема обработки такова: сигнал - запрос на подтверждение - уровень приоритета (например,шина ISA). Каждый уровень связан с несколькими устройствами. Вызываются все обработчики данного уровня. Один опознает свое устройство. (Примеры шин: ISA, EISA, MCA, PCi, SBus).Intel Pentium объединяет два типа. устройство выдает сигнал некоторого уровня (IRQ - Interrupt Request), а контроллер вектор. Вектор - это число 0-255.Приоритеты обслуживания могут быть: относительные (обработка прерывания не прекращается при появлении более приоритетного прерывания) и абсолютные.Для упорядочивания работы обработчиков введен механизм приоритетных очередей, которые обслуживает модуль ОС диспетчер прерываний.

17.Диспечеризация и приоритезация прерываний в ОС

Прерывания выполняют очень полезную для вычислительной сие-

темы функцию — они позволяют реагировать на асинхронные по отношению к вычислительному процессу события. В то же время прерывания создают допол­нительные трудности для ОС в организации вычислительного процесса. Эти труд­ности связаны с непредвиденными переходами управления от одной процедуры к другой, возникающими в результате прерываний от контроллеров внешних устройств. Возможно также возникновение в непредвиденные моменты времени исключений, связанных с ошибками во время выполнения инструкций. Услож­няют задачу планирования вычислительных работ и запросы на выполнение системных функций (системные вызовы) от пользовательских приложений, вы­полняемые с помощью программных прерываний. Сами модули ОС также часто вызывают друг друга с помощью программных прерываний, еще больше запуты­вая картину вычислительного процесса.

Операционная система не может терять контроль над ходом выполнения систем­ных процедур, вызываемых по прерываниям. Она должна упорядочивать их во времени так же, как планировщик упорядочивает многочисленные пользователь­ские потоки. Кроме того, сам планировщик потоков является системной проце­дурой, вызываемой по прерываниям (аппаратным — от таймера или контроллера устройства ввода-вывода, или программным — от приложения или модуля ОС). Поэтому правильное планирование процедур, вызываемых по прерываниям, является необходимым условием правильного планирования пользовательских потоков. В противном случае в системе могут возникать, например, такие ситуа­ции, когда операционная система будет длительное время заниматься не требую­щей мгновенной реакции задачей управления стримером, архивирующим дан­ные, в то время, когда высокоскоростной диск будет простаивать и тормозить работу многочисленных приложений, обменивающихся данными с этим диском. Еще один пример такой ситуации иллюстрирует рис. 4.12. В данном случае обра­ботчик прерываний принтера блокирует на длительное время обработку преры­вания от таймера, в результате чего системное время на некоторое время «зами­рает» и поток 2, критически важный для пользователя, не получает управление в запланированное время. Остроту проблемы несколько смягчает то обстоятельст­во, что во многих случаях обработка прерывания связана с выполнением всего нескольких операций ввода-вывода и поэтому имеет очень небольшую продол­жительность. Тем не менее ОС всегда должна контролировать ситуацию и вы­полнять критичную работу вовремя, а не полагаться на волю случая.

Для упорядочения работы обработчиков прерываний в операционных системах применяется тот же механизм, что и для упорядочения работы пользователь­ских процессов — механизм приоритетных очередей. Все источники прерываний обычно делятся на несколько классов, причем каждому классу присваивается приоритет. В операционной системе выделяется программный модуль, который занимается диспетчеризацией обработчиков прерываний. Этот модуль в разных ОС называется по-разному, но для определенности будем его называть диспет­чером прерываний.

При возникновении прерывания диспетчер прерываний вызывается первым. Он запрещает ненадолго все прерывания, а затем выясняет причину прерывания. После этого диспетчер сравнивает назначенный данному источнику прерывания приоритет и сравнивает его с текущим приоритетом потока команд, выполняемого процессором. В этот момент времени процессор уже может выполнять инструкции другого обработчика прерываний, также имеющего некоторый при­оритет. Если приоритет нового запроса выше текущего, то выполнение текущего обработчика приостанавливается и он помещается в соответствующую очередь обработчиков прерываний. В противном случае в очередь помещается обработ­чик нового запроса.

18.Прерывания и системные вызовы

Важной особенностью процедур, выполняемых по запросам прерываний, является то, что они выполняют работу, чаще всего никак не связанную с текущим процессом. Например, драйвер диска может получить управление после того, как контроллер диска записал в соответствующие сектора информацию, полученную от процесса А, но этот момент времени, скорее всего, не совпадет с периодом очередной итерации выполнения процесса А или его потока. В наиболее типичном случае процесс А будет находиться в состоянии ожидания завершения операции ввода-вывода (при синхронном режиме выполнения этой операции) и драйвер диска прервет какой-либо другой процесс, например процесс В. В Windows NT процедуры, вызываемые как DPC, также могут работать в контексте процесса, отличающегося от того, для которого они выполняют свои функции. В некоторых случаях вообще трудно однозначно определить, для какого процесса выполняет работу тот или иной программный модуль ОС, например планировщик потоков. Поэтому для такого рода процедур вводятся ограничения — они не имеют права использовать ресурсы (память, открытые файлы и т. п.), с которыми работает текущий процесс, или же от имени этого процесса запрашивать выделение дополнительных ресурсов. Процедуры обработки прерываний работают с ресурсами, которые были выделены им при инициализации соответствующего драйвера или инициализации самой операционной системы. Эти ресурсы принадлежат операционной системе, а не конкретному процессу. В частности, память выделяется драйверам из системной области, то есть той области, на которую отображаются сегменты из общей части виртуального адресного пространства всех процессов. Поэтому обычно говорят, что процедуры обработки прерываний работают вне контекста процесса. Поскольку все подобные процедуры являются частью операционной системы, ответственность за соблюдение этих ограничений несет системный программист. Заставить свои модули выполнять эти ограничения ОС не может.