Витісняючі та невитісняючі алгоритми планування

Існує два основні типи процедур планування процесів — витісняючі (preemptive) та невитісняючі (non-preemptive — cooperative).

Non-preemptive multitasking — невитісняюча багатозадачність — це спосіб планування процесів, при якому активний процес виконується до того часу, доки він сам, за власною ініціативою, не віддасть керування планувальнику ОС для того, щоби той вибрав з черги інший, готовий до виконання процес.

Preemptive multitasking — витісняючи багатозадачність — це такий спосіб, при якому рішення про переключання процесора з виконання одного процесу на виконання іншого процесу приймається планувальником ОС, а не самою активною задачею.

Типи багатозадачності — це більш широкі поняття ніж типи пріоритетності. Пріоритети задач можуть використовуватись або не використовуватись, як при витісняючих так і невитісняючих способах планування.

Основна відмінність між preemptive та non-preemptive — це ступінь централізації механізму планування задач.

У першому випадку механізм планування задач повністю зосереджено в ОС і програміст пише прикладну програму, не піклуючись про те, що вона буде виконуватись паралельно з іншими задачами. У цьому випадку ОС виконує такі функції:

1. Визначає час, коли знімається з виконання активна задача.

2. Запам’ятовує її контекст.

3. Вибирає з черги готових задач наступну.

4. Запускає вибрану задачу на виконання, завантажуючи її контекст.

У другому випадку механізм планування розподілено між ОС і прикладними програмами. Прикладна програма, отримавши керування від ОС сама визначає момент завершення своєї чергової ітерації і передає керування ОС за допомогою системного виклику. ОС формує черги задач і вибирає у відповідності з деяким алгоритмом (наприклад, із врахуванням пріоритетів) наступну задачу на виконання. Такий механізм досить складний як для користувачів, так і для розробників.

Програміст повинен забезпечити „дружнє” відношення своєї програми до інших, що виконуються одночасно. Тобто досить часто віддаючи їм керування.

Але такий підхід дає можливість розробнику прикладних програм самому проектувати алгоритм планування, який найбільш підходить для даного фіксованого набору задач. Також суттєва перевага — більш висока швидкість переключення з задачі на задачу.

Файл-сервер NetWare — висока швидкість виконання файлових операцій. Менш ефективно в ОС Windows 3.ХХ

Але зараз практично в усіх ОС-preemptive — (UNIX Windows NT/95/98, OS/2). Можливо, саме тому витісняючу багатозадачність часто називають істинною, справжньою багатозадачністю.

Нитки, потоки (Thread)

Багатозадачність — найважливіша властивість ОС. Для підтримки цієї властивості ОС визначає і створює для себе ті внутрішні одиниці роботи, між якими і буде розділятись процесор і інші ресурси комп’ютера.

ОС підтримує відокремленість процесів. У кожного процесу є свій віртуальний адресний простір, кожному процесу призначаються свої ресурси: файли, вікна, семафори і т.ін. це для того, щоби захистити один процес від іншого.

При мультипрограмуванні підвищується пропускна здатність системи в цілому, але окремий процес ніколи не може бути виконаний швидше, ніж у випадку його виконання в одно програмному режимі (йде час на очікування ресурсу, що розділяється).

Але задачі, яка розв’язується в рамках одного процесу, може бути притаманний внутрішній паралелізм, який в принципі дозволяє прискорити її розв’язок. Наприклад, в ході виконання задачі відбувається звертання до зовнішнього пристрою і на час цієї операції можна не блокувати повністю виконання процесу, а продовжити виконання іншої „гілки” процесу.

Для цього пропонується механізм багато-ниткової обробки (multithreading). Вводиться нове поняття „нитка” (thread). Мультипрограмування тепер реалізується на рівні ниток. Наприклад: якщо електронна таблиця була розроблена з врахуванням можливостей багато-ниткової обробки, то користувач може запросити перерахунок своєї таблиці і одночасно продовжувати її заповнювати. Багато-нитковий сервер може паралельно виконувати запити одразу декількох клієнтів.

Оскільки всі нитки одного процесу завжди належать одній прикладній програмі, між ними досить легко організувати тісну взаємодію. Програміст може завчасно продумати роботу множини ниток процесу таким чином, щоби вони могли взаємодіяти, а не боротись за ресурси.

Нитки в багатьох відношеннях потрібні процесам, але в рамках одного процесу не є такими незалежними, як процедури:

- всі нитки мають один адресний простір;

- вони розділяють одні і ті самі глобальні змінні;

- кожна нитка має доступ до довільної віртуальної адреси, але одна нитка може використовувати стек іншої;

- між нитками немає повного захисту, всі нитки розділяють один набір відкритих файлів, таймерів, сигналів і т. ін.

Таким чином нитки мають власні:

- програмний лічильник;

- стек;

- регістри;

- нитки-нащадки;

- стани.

Нитки розділяють:

- адресний простір;

- глобальні змінні;

- відкриті файли;

- таймери;

- семафори;

- статистичну інформацію.

Приклад. Керування сигналами, наприклад, переривання з клавіатури (delete або break).

Замість обробки сигналу переривання одна нитка призначається для постійного очікування надходження сигналів. Таким чином, нитки можуть скоротити необхідність в перериваннях рівня користувача.