Вопрос 17. Планирование и диспетчеризация процессов и потоков. Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования. §4.2.3.Планирование и диспетчеризация потоков

На протяжении существования процесса выполнение его потоков может быть многократно прервано и продолжено. В системе, не поддерживающей потоки, все сказанное ниже о планировании и диспетчеризации относится к процессу в целом.

Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации.

Планирование потоков включает в себя решение двух задач:

- определение момента времени для смены текущего активного потока;

- выбор для выполнения потока из очереди готовых потоков.

Существует множество различных алгоритмов планирования потоков, по-своему решающих каждую из приведенных выше задач. Планирование потоков осуществляется на основе информации, хранящейся в дескрипторах процессов и потоков. При планировании могут приниматься во внимание приоритеты потоков, время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения, интенсивность обращений к вводу-выводу и другие факторы. ОС планирует выполнение потоков независимо от того, принадлежат ли они одному или разным процессам. Так, например, после выполнения потока некоторого процесса ОС может выбрать для выполнения другой поток того же процесса или же назначить к выполнению поток другого процесса.

В большинстве операционных систем универсального назначения планирование осуществляется динамически (on-line), то есть решения принимаются во время работы системы на основе анализа текущей ситуации. ОС работает в условиях неопределенности – потоки и процессы появляются в случайные моменты времени и также непредсказуемо завершаются. Динамические планировщики могут гибко приспосабливаться к изменяющейся ситуации и не используют никаких предположений о мультипрограммной смеси. Однако для выработки оптимального решения динамический планировщик требует значительного времени.

Статический тип планирования может быть использован в специализированных системах, в которых весь набор одновременно выполняемых задач определен заранее, например, в системах реального времени. Статический планировщик принимает решения о планировании не во время работы системы, а заранее (off-line). Динамический и статический планировщики можно уподобить диспетчеру железной дороги, который пропускает поезда строго по предварительно составленному расписанию, и регулировщику на перекрестке автомобильных дорог, который решает, какую машину остановить, а какую пропустить, в зависимости от ситуации.

Результатом работы статического планировщика является таблица, называемая расписанием, в которой указывается, какому потоку/процессу, когда и на какое время должен быть предоставлен процессор. После того как расписание готово, оно может использоваться операционной системой для переключения потоков и процессов. При этом накладные расходы ОС на исполнение расписания оказываются значительно меньшими, чем при динамическом планировании, и сводятся лишь к диспетчеризации потоков/процессов.

Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования (динамического или статистического) решения, то есть в переключении процессора с одного потока на другой. Диспетчеризация сводится к следующему:

- сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить;

- загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования;

- запуск нового потока на выполнение.

ОС выполняет планирование потоков, принимая во внимание их состояние. В мультипрограммной системе поток/процесс может находиться в одном из трех основных состояний: готовность, выполнение, ожидание. 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. Каждый описатель потока, кроме всего прочего, содержит по крайней мере одну ссылку 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. В качестве примера на рис. 4.4 показана очередь готовых потоков, для которой запланированный порядок выполнения выглядит так: А, В, Е, D, С.

Рис. 4.4. Очередь потоков