ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

А.Ю. Савинков

УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСАМИ В ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ: ПРОЦЕССОР, ПАМЯТЬ, СИНХРОНИЗАЦИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2010

УДК 004.451.001.25

Савинков А.Ю. Управление ресурсами в операционных системах: процессор, память, синхронизация: учеб. пособие / А.Ю. Савинков. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. 202 с.

В учебном пособии рассматриваются базовые алгоритмические решения управления основными ресурсами в операционных системах: планирование загрузки процессоров, синхронизация процессов, память. Изложенные подходы имеют универсальный характер и помогут лучше понять принципы построения и работы современных операционных систем.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 090100 “Информационная безопасность”, специальностям 09102 “Компьютерная безопасность” и 090106 “Информационная безопасность телекоммуникационных систем”, дисциплинам «Безопасность операционных систем» и «Операционные системы».

Издание предназначено студентам очной формы обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле Управление ресурсами.doc.

Табл. 1. Ил. 58. Библиогр.: 9 назв.

Рецензенты: Кафедра радиофизики физического факультета Воронежского государственного университета; д.т.н., профессор Н.Н. Толстых

© Савинков А.Ю., 2010

© Оформление ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010

Введение

Управление ресурсами является важнейшей функцией многозадачной операционной системы и является основой для создания среды выполнения программ – виртуальной машины, создаваемой операционной системой для прикладных программ, которая изолирует программы друг от друга и от особенностей аппаратной реализации компьютера, делая программы переносимыми и совместимыми с большим парком компьютеров (однотипных, но не одинаковых!). Подсистемы управления процессорами и памятью являются частью системы управления ресурсами операционной системы. Эти подсистемы в значительной степени определяют производительность и стабильность работы компьютера. Подсистема управления процессорами также определяет предметную ориентацию операционной системы: система реального времени, вычислительный сервер, интерактивная система и т.п.

В данном учебном пособии описываются базовые подходы к управлению процессорами и памятью, рассматриваются основы синхронизации процессов и межпроцессного взаимодействия. Изложение выполняется без привязки к конкретной операционной системе, поскольку рассматриваемые подходы являются универсальными и применяются (возможно, с некоторыми модификациями) в любой современной операционной системе.

Знание базовых принципов управления ресурсами поможет эффективно использовать возможности реальных операционных систем при решении практических задач.

1. Управление ресурсами: общие сведения

Ресурсы – это аппаратные или программные компоненты компьютера (операционной системы), услугами которых могут пользоваться исполняющиеся программы. В качестве ресурсов могут выступать любые реальные и виртуальные устройства или программные объекты (файлы, разделяемые структуры данных и т.п.). Задача управления ресурсами возникает только в тех случаях, когда имеется конкуренция за ресурсы среди выполняющихся программ (если ресурсов достаточно сразу для всех программ, например, если на многопроцессорной машине число запущенных программ меньше числа процессоров, то управлении ресурсами становится тривиальным). Задача управления ресурсами состоит в том, чтобы обеспечить для конкурирующих программ оптимизированный, эффективный и бесконфликтный доступ к требуемым ресурсам.

С точки зрения подсистемы управления ресурсами, ресурсы могут быть делимыми и неделимыми. Неделимые ресурсы, это такие ресурсы, одновременный доступ к которым со стороны двух или более программ не имеет смысла или невозможен. Конкурирующие программы могут использовать неделимые ресурсы только в режиме разделения времени. Типичным примером неделимого ресурса является процессор.

Делимые ресурсы, это такие ресурсы, доступ к которым могут одновременно получить две или более программ. Типичным примером делимого ресурса является память.

Операционная система реализует управление ресурсами на уровне процессов. Процесс – это объект операционной системы, представляющий в операционной системе программу во время ее выполнения. Ресурсы выделяются процессам по их запросам. Для неделимых ресурсов операционная система должна определить когда, на какое время, и в каком порядке она предоставит конкурирующим процессам доступ к требуемым ресурсам. Для делимых процессов дополнительно надо решить, какая доля ресурса будет выделена каждому процессу. Если операционная система не может немедленно предоставить процессу требуемый ресурс, она может временно приостановить выполнение процесса, переведя его в состояние блокировки.

Всякий алгоритм управления ресурсом, реализованный в операционной системе, ставит перед собой определенную цель, критерий своей работы. Например, таким критерием может быть стремление обеспечить всем процессам равное среднее время ожидания, или стремление завершить максимальное число процессов в единицу времени. Критерий, реализуемый алгоритмом управления ресурсом, называется стратегией управления.

Возвращаясь к нашему примеру, можно говорить о стратегии равенства среднего времени ожидания, или о стратегии максимальной пропускной способности.

В свою очередь, для реализации выбранной стратегии управления часто могут быть использованы различные альтернативные подходы. Алгоритмы, направленные на реализацию выбранной стратегии, называют дисциплинами управления ресурсами.

Заметим, что реальные дисциплины управления, применяемые на практике, не всегда в точности реализуют выбранную стратегию управления, т.к. точная реализация часто оказывается либо слишком сложной, либо вообще невозможной. Дисциплина управления ресурсом называется оптимальной, если она в точности реализует заявленную стратегию. В большинстве случаев используются квазиоптимальные дисциплины, сочетающие высокую эффективность и простоту реализации.

К дисциплинам управления ресурсами предъявляется ряд обязательных требований:

• справедливость – дисциплина управления ресурсами должна исключать возможность бесконечного откладывания выполнения запроса процесса;

• предсказуемость – одинаковые задачи в одинаковых условиях должны выполняться примерно одинаковое время, а новые запросы не должны оказывать существенное влияние на время выполнения ранее принятых запросов;

• плавная деградация характеристик при росте нагрузки – с ростом интенсивности поступления запросов может расти время их выполнения, но система не должна «зависать» при перегрузке.