Объекты синхронизации

• Мьютекс (mutual exclusive) — двоичная переменная, находящаяся в двух состояниях — свободном и занятом. Операция «проверить» ждет освобождения мьютекса и переводит его в занятое состояние, операция «освободить» переводит в свободное состояние.

• Семафор — целая переменная с неотрицательным значением. Операция «проверить» вычитает значение семафора, если он положителен, и ожидает увеличения если равен нулю. Операция «освободить» увеличивает значение семафора на 1.

21Параллельные процессы в ОС. Синхронные - процессы, которые работают и не зависят друг от друга. Асинхронные - такие процессы, которые работают параллельно, но периодически должны синхронизироваться и взаимодействовать между собой. Параллельная работа процессов в ОС резко повышает производительность компьютера. Процесс находится в своем критическом участке, когда он обращается к общим данным. В этом случае другим процессам это запрещается. Этот способ взаимодействия параллельных процессов называется взаимоисключением в ОС. Правила работы процесса в своем критическом участке:

1. Процесс не может быть блокирован.

2. Свои критические участки процессы должны проходить как можно быстрее.

Планирование в ос Linux

Linux использует традиционное планирование UNIX, но добавлены классы планирования для мягких заданий реального времени. В Linux имеется три класса планирования:

Для потоков этого класса применимы следующие правила:

1. Система не прерывает выполняющийся поток этого класса за исключением следующих ситуаций: - В состояние готовности перешел более высокоприоритетный поток из этого класса; - Выполнение потока блокируется ожиданием события; - Поток сам снимается с выполнения.

2. При снятии потока с выполнения, он помещается в очередь, предназначенную для его уровня приоритета.

3. Из нескольких потоков с одинаковым уровнем приоритета находящихся в очереди готовности выбирается поток, который поступил раньше (правило FIFO).

1. SCHED_RR Потоки реального времени с использованием кругового планирования. Эта стратегия планирования аналогична стратегии SCHED_FIFO, здесь учитывается временная квота, назначаемая каждому потоку.

2. Планирование в ос Windows

22В ОС реализован планировщик с вытеснением и гибкой системой приоритетов, которая включает круговое планирование (RR) на каждом уровне, и для отдельных уровней – динамическое изменение приоритета на основе текущей активности потоков. Приоритеты в ОС Windows организованы в два класса:

1. Класс приоритетов реального времени,

2. Класс переменных приоритетов.

Приоритеты из разных классов обрабатываются по-разному. В классе приоритетов реального времени все потоки имеют фиксированный приоритет, активные потоки с определенным уровнем приоритета располагаются в круговой очереди данного уровня. В классе переменных приоритетов поток начинает работу с некоторым начальным значением, которое затем может меняться, причем, как в большую, так и в меньшую сторону. На каждом уровне приоритета имеется своя очередь, и потоки могут переходить из одной очереди в другую, но в пределах класса переменных приоритетов. Начальный приоритет потока в классе переменных приоритетов определяется двумя показателями: - базовый приоритет процесса, - базовый приоритет потока. Базовый приоритет процесса может принимать любое значение класса переменных приоритетов в диапазоне 0:15. Базовый приоритет потоков данного процесса наследуют в качестве начального базовый приоритет процесса, и может меняться, но не более чем на 2 единицы в большую или меньшую сторону. На рис.4.4 приведен пример процесса с базовым приоритетом равным 4. Каждый поток данного процесса имеет базовый приоритет в диапазоне 2:6. Во время “жизни” потока его динамический приоритет может меняться в диапазоне 2:15.

23. ? При параллельном исполнении процессов могут возникать тупиковые ситуации, когда два или более процесса блокируют друг друга, вынуждая ожидать наступления события, связанного с освобождением ресурса. ? Самый простой случай: каждый из двух процессов ожидает ресурс, занятый другим процессом, ни один из процессов не может продолжить исполнение и освободить ресурс, необходимый другому процессу. ? Эта ситуация называется тупиком, дедлоком, или клинчем. Ресурсы системы разделяют на два класса: • повторно используемые (Reusable Resource, RR), или системные (System Resource, SR), ресурсы; • потребляемые, или расходуемые, ресурсы (Consumable Resource, CR). Методы борьбы с тупиками ? Борьба с тупиковыми ситуациями основывается на одной из трех стратегий: ? предотвращение тупика; ? обход тупика; ? распознавание тупика с последующим восстановлением. Предотвращение тупиков Предотвращение тупика основывается на предположении о чрезвычайно высокой его стоимости Этот подход используется в наиболее ответственных системах, обычно в системах реального времени. Предотвращение можно рассматривать как запрет существования опасных состояний. Поэтому подсистема распределения ресурсов, предотвращающая тупик, должна гарантировать, что ни одного из четырех условий, необходимых для его наступления, не возникнет. Обход тупиков ? Обход тупика можно рассматривать как запрет входа в опасное состояние. Если ни одно из упомянутых четырех условии не исключено, то вход в опасное состояние можно предотвратить при наличии у системы информации о последовательности запросов, связанных с каждым параллельным процессом. ? Доказано, что если вычисления находятся в любом неопасном состоянии, то существует, по крайней мере, одна последовательность состояний, которая обходит опасное состояние.

24. История возникновения и развития компьютерных сетей Развитие компьютерных сетей связано как с развитием собственно ЭВМ, входящих в состав сети, так и с развитием средств телекоммуникаций. Работы по созданию компьютерных сетей начались ещё в 60-х годах ХХ века. Прообразом компьютерных сетей явились системы телеобработки данных (СТД), построенные на базе больших (а позже и миниЭВМ). В качестве средств передачи данных использовалась существующая телефонная сеть. Основными элементами СТД являются модемы, абонентские пункты и устройства коммутации. Система СТД оперировала только аналоговыми сигналами. Основным недостатком СТД является невысокое быстродействие (9600 бит/с, реально 2400 бит/с). Поэтому одним из направлений совершенствования СТД явилась разработка цифровых телефонных коммутаторов. Вторым существенным недостатком СТД является возможность передачи данных по каналу связи в один и тотже момент времени только с одной скоростью. Этот недостаток был преодолен использованием впервые в 70-х годах в США коммуникаций кабельного телевидения, позволяющих вести широкополосную передачу (ШП). Третьим направлением перехода к сетям была разработка высокоскоростных шин для обеспечения взаимодействия нескольких больших ЭВМ. Четвёртым направлением развития сетей была реализация распределённой обработки данных. К середине 80-х годов, с появлением ПЭВМ все отмеченные тенденции развития сетей стали сближаться, что привело к разработке современных компьютерных сетей.

25. Топологии сетей Общая шина В сети с топологией «общая шина» все компьютеры подключены друг к другу посредством общего кабеля (шины): При использовании данной топологии в сети отсутствуют какие-либо активные схемы обработки сигнала, каждый компьютер свободно «слушает» коммуникационный кабель целиком. Сигнал, переданный одной машиной, получают все компьютеры, подключенные к шине, принимает же и обрабатывает его только компьютер-адресат (адрес получателя указан в посылаемом сообщении). Одновременно передавать сигнал может только один компьютер, остальные участники сети в этом случае должны ожидать, пока шина освободиться. Отсюда основной недостаток сети данной топологии — низкая производительность. Достоинства шинной топологии: Невысокая стоимость Простота расширения и объединения подсетей Недостатки шинной топологии: Низкая производительность Низкая надежность Сложность диагностики при появлении аппаратных неполадок Отказ кабеля или разъема на любом участке приводит к полной неработоспособности всей сети Заключение: шинную топологию имеет смысл применять в тех случаях, когда число узлов в сети и их сетевая активность невелики. Главный плюс топологии — низкая стоимость. Кольцо В сетях с топологией «кольцо» компьютеры подключены к общему сетевому кабельному кольцу, по которому идет передача данных в одном направлении: Получив данные, каждый компьютер проверяет адрес получателя, и, если он совпадает с собственным адресом, принимает данные. Если же адрес машины не совпадает с адресом получателя, компьютер передает данные дальше по кольцу. При использовании данной топологии в качестве физической среды передачи чаще всего используется кабель «витая пара» либо оптоволокно. Для случаев, когда несколько компьютеров одновременно пытаются передать данные, в сетях с топологией «кольцо» применяется механизм маркерного доступа. По кольцу постоянно передается маркер - специальное короткое сообщение. Прежде чем начать передачу данных, компьютер должен дождаться маркера, прикрепить к нему пакет данных со служебной информацией, и лишь потом передать в сеть. Наиболее известные технологии, основанные на топологии «кольцо» — FDDI и Token Ring. Достоинства кольцевой топологии: Благодаря ретрансляции отсутствуют потери сигнала при передаче Благодаря механизму маркерного доступа отсутствуют коллизии Отказоустойчивость находится на высоком уровне Недостатки кольцевой топологии: Выход из строя одного их узлов может повлечь за собой неработоспособность всей сети Затруднено добавление и удаление нового узла — для этого приходится разрывать кольцо Вывод: использование кольцевой топологии оправдано, если необходимо создать производительную и надежную сеть, существенная модернизация и расширение которой в дальнейшем маловероятны. Звезда В сетях с топологией «звезда» компьютеры подключаются каждый отдельным кабелем к специальному общему устройству — коммутатору или концентратору, которое отвечает за обмен данными между участниками сети. Топология типа «звезда» позволяет осуществлять подключения компьютеров к сети при помощи различных типов кабелей. Достоинства звездообразной топологии: Высокая пропускная способность

Работоспособность сети в целом не зависит от работоспособности отдельного узла Сеть легко масштабируется Возможность подключения компьютеров кабелям различных типов Легкость организации подсетей Недостатки звездообразной топологии: Число узлов сети ограничено количеством портов коммутатора/концентратора При выходе из строя коммутатора/концентратора сеть становится полностью неработоспособной Необходимость в использовании отдельного кабеля для подключения каждого компьютера Относительно высокая стоимость Вывод: топология «звезда» — отличный выбор в случаях, когда имеется возможность проложить необходимые кабели. Решетка Решетка — это такая топология, при которой связи узлов образуют регулярную двух- или более мерную решетку. Одномерная решетка — это цепочка, которая соединяет два внешних узла через некоторое количество внутренних узлов. Двух- и трехмерные решетки встречаются в суперкомпьютерной архитектуре. Достоинством топологии является весьма высокая надежность сети, а основными недостатками — сложность и дороговизна реализации. ^ Полносвязная топология Полносвязная топология — разновидность топологии сети, при которой каждый узел имеет соединения со всеми остальными узлами сети. Данная топология весьма дорога и сравнительно малоэффективна, так как требует наличия множества независимых линий и коммуникационных портов для каждого компьютера, подключенного к сети. Полносвязная топология обычно используется в сетях с малым количеством узлов. ^ Смешанные топологии В большинстве случаев крупные сети имеют смешанную (гибридную) топологию. В этих случаях используется различное комбинирование элементов типовых топологий в зависимости от поставленных задач. Примеры смешанных топологий — «звезда-звезда», «звезда-шина». Достоинства и недостатки сетей смешанной топологии зависят от того, какие базовые топологии были положены в их основу. Часто смешанная топология является результатом постепенной модернизации сети, когда оборудование меняется частями, а не сразу. ^ Персональные сети Персональная сеть (Personal Network) — это разновидность сети, которая строится «вокруг» конкретного человека. В персональную сеть пользователя могут быть объединены все его персональные цифровые устройства — телефоны, смартфоны, принтеры, фотоаппараты, ПК, КПК, ноутбуки и т.п. Персональные сети — это сети «ближнего действия», радиус их охвата по определению невелик — от нескольких метров до десятков метров. Наиболее известным стандартом для создания персональных сетей в настоящее время является Bluetooth. ^ Локальные сети Локальная компьютерная сеть (Local Area Network, LAN) — некоторое количество расположенных относительно недалеко друг от друга компьютеров, имеющих общую среду передачи данных. Обычно в локальную сеть связываются офисные или домашние компьютеры. В силу физически близкого расположения компьютеров, входящих в локальную сеть, в ней возможна передача данных с очень высокой скоростью.

^ Региональные сети Региональные или городские сети (Metropolitan Area Network, MAN) объединяют от нескольких сотен до тысяч компьютеров, обычно в пределах одного города или области. Часто в качестве MAN используются модифицированные сети кабельного телевидения. Региональные сети работают на скоростях от средних до высоких. ^ Глобальные сети глобальные компьютерные сети (Wide Area Network, WAN) — это совокупность более мелких, региональных сетей, которые связаны между собой различными телекоммуникационными каналами: оптоволоконными кабелями, спутниковыми каналами, телефонными линиями. Самой известной и широко распространенной глобальной сетью является Internet. В силу огромной протяженности линий передачи данных, глобальные сети, как правило, работают с самой низкой скоростью. ^ По типу функционального взаимодействия Одноранговые сети В одноранговых сетях все компьютеры «равны». Каждый из них может как предоставлять свои ресурсы другим компьютерам, так и пользоваться ресурсами, предоставляемыми остальными участниками сети. ^ Сети «клиент-сервер» В сети типа «клиент-сервер» существует два типа машин — клиенты и сервер(ы). Основная задача сервера — предоставлять свои ресурсы клиентам, т.е. всем другим компьютерам сети. Ресурсы, предоставляемые серверами, могут быть различного типа — файлы, почтовые сервисы, базы данных. ^ Сети точка-точка Сеть типа «точка-точка» — самая простая разновидность компьютерной сети. В этом случае два компьютера соединяются друг с другом напрямую через какой-либо канал связи. Главное достоинство сети «точка-точка» — максимальная простота и минимальная стоимость подключения. Недостаток же продиктован самой идеей данной сети — она не может состоять более, чем из двух узлов. ^ Смешанные (гибридные) сети Смешанные (гибридные) сети сочетают в себе признаки как одноранговых сетей, таки сетей, построенных по принципу «клиент-сервер». В смешанной сети узел, являясь сервером для одной части компьютеров, может одновременно быть клиентом другого сервера (или нескольких серверов). 26. етевая модель OSI (англ. open systems interconnection basic reference model — базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, сокр. ЭМВОС; 1978 г) — сетевая модель стека сетевых протоколов OSI/ISO, разработка которого так и не была завершена.

В настоящее время основным используемым стеком протоколов является TCP/IP, разработанный ещё до принятия модели OSI и вне связи с ней.

В литературе наиболее часто принято начинать описание уровней модели OSI с 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Модель OSI заканчивается 1-м уровнем — физическим, на котором определены стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных:

• тип передающей среды (медный кабель, оптоволокно, радиоэфир и др.),

• тип модуляции сигнала,

• сигнальные уровни логических дискретных состояний (нуля и единицы).

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже — вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей.

Каждому уровню с некоторой долей условности соответствует свой операнд — логически неделимый элемент данных, которым на отдельном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов: на физическом уровне мельчайшая единица — бит, на канальном уровне информация объединена в кадры, на сетевом — в пакеты (датаграммы), на транспортном — в сегменты. Любой фрагмент данных, логически объединённых для передачи — кадр, пакет, датаграмма — считается сообщением.