Миргородская 7сессия / Операционные системы / %D0%9E%D0%A1_%D0%A1%D0%93%D0%A2%D0%A3%20v5

жду процессами. Важнейшими из них являются: разделяемая память, каналы,

поименованные каналы, сокет.

Система виртуальной памяти в Win32 использует файл подкачки - swap file (или файл размещения - page file), имея возможность преобразования страниц оперативной памяти в страницы файла на диске и наоборот. Система может проецировать на оперативную память не только файл размещения, но и любой другой файл. Приложения могут использовать эту возможность. Это может использоваться для обеспечения более быстрого доступа к файлам, а

также для совместного использования памяти.

Такие объекты называются проекциями файлов (на оперативную па-

мять) (file-mapping object). Для создания проекции файла сначала вызывается функция CreateFileMapping(). Ей передается дескриптор (уже открытого)

файла или указывается, что нужно использовать page file операционной сис-

темы. Кроме этого, в параметрах ей передается флаг защиты, максимальный размер проекции и имя объекта. Затем вызывается функция MapViewOfFile().

Она отображает представление файла (view of a file) в адресное пространство процесса. По окончании работы вызывается функция UnmapViewOfFile().

Она освобождает память и записывает данные в файл (если это не файл под-

качки). Чтобы записать данные на диск немедленно, используется функция

FlushViewOfFile(). Проекция файла, как и другие объекты ядра, может ис-

пользоваться другими процессами через наследование, дублирование деск-

риптора или по имени.

Кроме разделяемой памяти, в Windows есть и другие способы передачи информации между процессами, например, каналы, поименованные каналы и сокеты. Все они имеют сходный принцип и представляют собой своеобраз-

ный канал или соединение, "трубу", соединяющую процессы. Программа,

имея один конец такого соединения, может читать и/или писать в него дан-

ные, обмениваясь таким образом информацией с программой на другом кон-

це. Каналы используются для пересылки данных в одном направлении между дочерним и родительским процессами или между двумя дочерними процес-

61

сами. Операции чтения/записи в канал похожи на подобные операции при работе с файлами. Поименованные каналы используются для двустороннего обмена данными между процессом-сервером и одним или несколькими про-

цессами-клиентами. Как и анонимные каналы, они используют файлоподоб-

ный интерфейс, но, в отличие от первых, пригодны также для обмена данны-

ми по сети.

Сокет - это абстрактный объект для обозначения одного из концов се-

тевого соединения, в том числе и через Internet. Сокеты Windows бывают двух типов: сокеты дейтаграмм и сокеты потоков. Интерфейс Windows Sockets (WinSock) основан на BSD-версии сокетов, но в нем имеются также

расширения, специфические для Windows.

Для синхронизации в Win API используются (табл.5): уведомление об

изменении файла, мьютекс, семафор, события, таймер ожидания.

Механизмы для синхронизации параллельных вычислений Таблица 5

62

Семафоры – это переменные, имеющие целое значение и над которыми

определены три операции:

инициализация неотрицательным числом;

операция уменьшения значений семафора: если значение отрица-

тельное, то процесс, выполняющий эту операцию блокируется;

операция увеличения значений семафора: если значение было отри-

цательным, то оно увеличивается и заблокированный процесс разблокируется.

Каждый объект синхронизации ОС может находиться в сигнальном и несигнальном состоянии, когда объект входит в сигнальное состояние ис-

полняющая система ОС освобождает все потоки, находящиеся в состоянии ожидания этого объекта.

Мьютекс выступает в роли бинарного семафора, он используется для синхронизации потоков различных процессов, так же как и семафоры, но при его переходе в сигнальное состояние освобождается только один из ожидаю-

щихпроцессов и скорость его работы на два порядка выше, чем усемафора.

2.5. Управление потоками в Windows

Система управления виртуальной памятью контролирует распределе-

ние памяти и работу страничной организации. Диспетчер памяти может ис-

пользовать страницы размером от 4 до 64 кб. Каждый пользовательский про-

цесс получает отдельное 32-битное адресное пространство, предоставляющее процессу 4 Гб памяти (диапазон адресов 232). Часть памяти зарезервирована под ОС так, что каждому пользователю доступны только 2 Гб виртуального адресного пространства.

В страничной организации каждая страница может находится, в сле-

дующих состояниях:

1. доступна, т.е. страница используется процессом;

63

2. зарезервирована – множество страниц, которые диспетчер отвел под процессы, но которые не учитываются в квоте памяти процесса до их исполь-

зования; 3. размещена – страница, для которой диспетчер выделяет память в

файле подкачки страниц на диске, в котором располагаются страницы при удалении их из основной памяти.

Диспетчер памяти управляет резидентным множеством страниц каждо-

го процесса, загруженного в основную память. При первой активации про-

цессу передается несколько кадров основной памяти, не весь новый процесс загружается в основную память. Когда процесс обращается к странице, от-

сутствующей в основной памяти, одна из страниц этого процесса выгружает-

ся в файл подкачки страниц, а на ее место загружается в зависимости от при-

оритета, другая информация (страница).

При выполнении процесса (потока) ОС должна принимать 3 типа ре-

шений, связанных с планированием: долгосрочное, среднее и краткосрочное

(рис.24). Долгосрочное определяет, когда новый процесс должен поступить в систему. Среднесрочное является частью свопинга и определяет, какой из го-

товых к выполнению процессов будет выполняться процессором следующим.

При краткосрочном планировании планировщик использует ряд крите-

риев. Основные: время отклика системы (для пользователя) и степень исполь-

зования процессора (для системы) [3]. Они противоречивы. Имеется ряд аль-

тернативных критериев для выбора среди готовых к выполнению процессов. 1. Первым поступил – первым обслужен. Выбирается процесс, ожи-

дающий обслуживания дольше других.

2.Круговое планирование. Использует кванты времени для ограничения времени непрерывного выполнения процесса (они выполняются циклически).

3.Выбор самого короткого процесса. Выбирается процесс с минималь-

ным времени работы. Вытеснение процессов не применяется.

4. Наименьшее остающееся время. Выбирается процесс с минимальным ожидаемым временем оставшейся работы. Процесс может быть вытеснен.

64

в большую или меньшую сторону. Так, например, если базовый приоритет процесса равен 4, а базовый приоритет одного из его потоков равен -1, то на-

чальный приоритет (при создании потока) этого потока равен 3.

Рис. 26 Пример отношения приоритетов в Windows NT

После активизации потока из класса переменных приоритетов его дей-

ствительный приоритет (именуемый динамическим приоритетом потока)

может колебаться в определенных пределах. Он не может упасть ниже наи-

меньшего базового приоритета потока и не может подняться выше макси-

мально возможного значения приоритета для данного класса, т.е. 15. В при-

веденном выше примере (рис.26) это диапазон приоритетов от 2 до 15.

2.6. Файловые системы Windows

Для большинства приложений центральным элементом является файл.

За исключением приложений реального времени, ввод данных в приложение осуществляется посредством файлов. Выходные данные почти всех прило-

67

жений также сохраняются в виде файлов для долговременного хранения и последующего обращения к ним пользователей и других программ.

Файловая система состоит из системы управления файлами и совокуп-

ности файлов на определенном виде носителя (CD, DVD, FDD, HDD, Flash и

т.д.). Система управления файлами обеспечивает пользователям и приложе-

ниям возможность доступа к файлам, их сохранения и поддержку целостно-

сти их содержимого. Наиболее распространенным долговременным носите-

лем информации в современных вычислительных системах является жесткий диск – «Винчестер». Этот термин применяется к любому герметичному дис-

ку с аэродинамической конструкцией считывающих магнитных головок.

Файловые системы современных операционных систем устанавлива-

ются в разделы жесткого диска.

Раздел (англ. partition) — часть долговременной памяти жёсткого диска,

выделенная для удобства работы, и состоящая из смежных блоков. На других носителях информации выделение разделов или не предусмотрено, или (за редкими исключениями) не практикуется. Однако, существуют флеш-драйвы,

память которых можно разбить на два раздела, причём один раздел можно за-

щитить паролем, при этом система «увидит» составное устройство из двух флеш-карт (на самом деле любую флеш карту можно разбить на два и более разделов, однако драйвер в Windows отображает только первый из них; работа с ними возможна при подмене драйвера или при работе с другими ОС).

Выделение на одном жёстком диске нескольких разделов даёт следую-

щие преимущества [1]:

на одном физическом жёстком диске можно хранить информацию в разных файловых системах, или в одинаковых файловых системах, но с раз-

ным размером кластера (например, выгодно хранить файлы большого разме-

ра — например, видео — отдельно от маленьких, и задавать больший размер кластера для хранилища больших файлов);

можно отделить информацию пользователя от файлов ОС;

на одном жёстком диске можно установить несколько ОС;

68

манипуляции с одной файловой системой не сказываются на других файловых системах.

Информация о размещении разделов на жёстком диске хранится в таб-

лице разделов (англ. partition table), которая является частью главной загру-

зочной записи (MBR). MBR располагается в первом физическом секторе жё-

сткого диска.

Раздел может быть либо первичным (основным), либо дополнитель-

ным. В первом секторе каждого основного раздела находится загрузочный сектор (Boot Record), отвечающий за загрузку ОС с этого раздела. Информа-

ция о том, какой из основных разделов будет использован для загрузки опе-

рационной системы, тоже записана в главной загрузочной записи.

В MBR под таблицу разделов выделено 64 байта. Каждая запись зани-

мает 16 байт. Всего на жестком диске может быть создано не более 4 разде-

лов. Когда разрабатывалась структура MBR, это считалось достаточным. Од-

нако, позднее был введён дополнительный раздел, структура которого (EBR)

может поддерживать неограниченное число логических дисков (разделов).

По правилам дополнительный раздел может быть только один, и не может содержать другой дополнительный раздел. Таким образом, в макси-

мальной конфигурации MBR на жёстком диске может быть сформировано три основных раздела и один дополнительный. При этом, некоторые ОС спо-

собны загружаться только с основного раздела. Обойти эти ограничения по-

зволяет дополнительное программное обеспечение (менеджеры разделов).

Первичный раздел (англ. primary partition) обязательно должен быть на физическом диске. Этот раздел всегда содержит только одну файловую сис-

тему (рис.27). На физическом диске может быть до четырёх первичных раз-

делов. Некоторые старые операционные системы - например, MS-DOS и ран-

ние версии Windows - могли быть установлены только на первичный раздел.

Основная таблица разделов может содержать не более 4 первичных разделов, поэтому был изобретён Расширенный (дополнительный) раздел

69

(англ. extended partition). Это первичный раздел, который не содержит собст-

венной файловой системы, а содержит другие логические разделы.

Рис. 27. Пример разбиения жёсткого диска на разделы

Для работы с разделами используются следующие программы, которые обычно называют «дисковыми утилитами»:

Acronis Disk Director;

Paragon Partition Manager;

fdisk - утилита, входящая в комплект ОС MS-DOS, позволяет созда-

вать разделы FAT, удалять любые разделы и выбирать активный;

fdisk, cfdisk и sfdisk — стандартные текстовые утилиты для работы с разделами диска под GNU/Linux;

Disk Druid — утилита для работы с разделами диска под GNU/Linux с

графическим пользовательским интерфейсом;

GParted — GNOME Partition Editor (free, GUI);

оснастка «Управление дисками», являющаяся частью консоли

Windows NT/2000/XP (Windows Management Console), позволяет просматри-

вать, создавать и удалять основные и логические разделы, изменить букву логического диска или отформатировать его под FAT32 или NTFS.

Файловые системы FAT. Существуют три файловые системы FAT: FAT12 (для гибких дисков FDD), FAT16, FAT32. Они различаются количест-

вом бит (12, 16, 32) для указания номера кластера в системе управления фай-

лами . В файловых системах FAT логическое дисковое пространство любого логического диска делится на системную область и область данных (рис. 28).

70