5. Диспетчеризация процессов. Алгоритмы планирования.

Для того чтобы операционная система могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится структура, называемая дескриптором процесса (описатель задач). Дескриптор процесса содержит приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ресурсы. В одном классе процессов в первую очередь обслуживаются более приоритетные. Дескрипторы обычно постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу супервизора, который организует их в списки (очереди) и отображает изменение состояния процесса перемещением соответствующего описателя из одного списка в другой. Для каждого состояния операционная система ведет соответствующий список задач, находящихся в этом состоянии. Поскольку дескрипторы процессов постоянно располагаются в оперативной памяти (с целью ускорить работу диспетчера), то их количество не должно быть очень большим.

Дисциплины диспетчеризации

Известно большое количество правил (дисциплин диспетчеризации), в соответствии с которыми формируется список (очередь) готовых к выполнению задач. Различают два больших класса дисциплин обслуживания — бесприоритетные и приоритетные. При бесприоритетном обслуживании выбор задачи производится в некотором заранее установленном порядке без учета их относительной важности и времени обслуживания. При реализации приоритетных дисциплин обслуживания отдельным задачам предоставляется преимущественное право попасть в состояние исполнения. Диспетчеризация с динамическими приоритетами требует расходов на вычисление значений приоритетов, поэтому во многих ОС реального времени используются методы диспетчеризации на основе статических приоритетов.

Некоторые основные дисциплины диспетчеризации: дисциплина FCFS (first come — first served), задачи обслуживаются «в порядке очереди» Образуются две очереди: одна образуется из новых задач, а вторая— из ранее выполнявшихся, но попавших в состояние ожидание.

Дисциплина SJN (shortest job next) требует, чтобы для каждого задания была известна оценка в потребностях машинного времени. предполагает, что имеется только одна очередь заданий, готовых к выполнению. И задания, которые в процессе своего исполнения были временно заблокированы, вновь попадают в конец очереди. Это приводит к тому, что задания, которым требуется очень немного времени для своего завершения, вынуждены ожидать процессор наравне с длительными работами, что не всегда хорошо.Для устранения этого недостатка предложена дисциплина SRT (shortest remaining time, следующее задание требует меньше всего времени для своего завершения).

дисциплина RR (round robin, круговая, карусельная) и приоритетные методы обслуживания предполагает, что каждая задача получает процессорное время порциями (говорят: квантами времени, q). После окончания кванта времени q задача снимается с процессора и он передается следующей задаче. Снятая задача ставится в конец очереди задач, готовых к выполнению

Диспетчеризация без перераспределения процессорного времени, то есть невытесняющая многозадачность (non-preemptive multitasking) — это такой способ диспетчеризации процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не отдаст управление диспетчеру задач для выбора из очереди другого, готового к выполнению процесса или треда. Дисциплины обслуживания FCFS, SJN, SRT относятся к не вытесняющим.

Диспетчеризация с перераспределением процессорного времени между задачами, то есть вытесняющая многозадачность (preemptive multitasking) — это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается диспетчером задач, а не самой активной задачей. При вытесняющей многозадачности механизм диспетчеризации задач целиком сосредоточен в операционной системе. Дисциплина RR и многие другие, построенные на ее основе, относятся к вытесняющим.

Доступ любой задачи к центральному процессу осуществляется через системные программы планировщика, диспетчера. Планирование это организация процессов в некоторую последовательность. Планировщик – программа ответственная за постановку процессов в очередь. Диспетчер – это программа, которая выбирает процесс из очереди, переводит его в активное состояние.

Планирование процессов включает в себя решение следующих основных задач:

1) Определение момента времени для смены определяемого процесса;

2) Вывод процесса на выполнения из очереди готовых процессов;

3) Переключение контекстов в процессы;

Первые две задачи решаются программными средствами, последняя – незначительной степени аппарата. Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, рассмотрим подробнее две группы, наиболее чаще встречающихся алгоритмов:

1) Алгоритмы, основанные на квантование;

2) Алгоритмы, основанные на приоритетах.

В соответствие с алгоритмами основанные на квантование, смена активного процесса происходит если:

1) Исчерпан квант процессорного времени;

2) Процесс завершился и покинул систему;

3) Процесс перешел в состояние ожидания;

4) Произошла ошибка.

Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние готовность и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени. На дополнение в соответствие с определенными правилами выбирается новый процесс из очереди готовых, таким образом, не один процесс не занимает процессор на долго. Поэтому квантование широко используется в современной ОС.