Опишите организацию многозадачности
Если в операционной системе могут одновременно существовать несколько процессов или/и задач, находящихся в состоянии «выполняется», то говорят, что это многозадачная система, а эти процессы называют параллельными.
Благодаря совмещению во времени выполнения двух программ общее время выполнения двух задач получается меньше, чем, если бы мы выполняли их по очереди (запуск только одной задачи после полного завершения другой). Но время выполнения каждой задачи в общем случае становится больше, чем, если бы мы выполняли каждую из них как единственную.
При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем, если бы он выполнялся в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса).
Система поддерживает мультипрограммирование и старается эффективно использовать ресурсы путем организации к ним очередей запросов, составляемых тем или иным способом. Это требование достигается поддержанием в памяти более одного процесса, ожидающего процессор, и более одного процесса, готового использовать другие ресурсы, как только последние станут доступными. Общая схема выделения ресурсов такова. При необходимости использовать какой-либо ресурс (оперативную память, устройство ввода/вывода, массив данных и т.п.), задача обращается к супервизору операционной системы – ее центральному управляющему модулю, который может состоять из нескольких модулей, например: супервизор ввода/вывода, супервизор прерываний, супервизор программ, диспетчер задач и т.д. – посредством специальных вызовов (команд, директив) и сообщает о своем требовании. При этом указывается вид ресурса и, если надо, его объем. Директива обращения к операционной системе передает ей управление, переводя процессор в привилегированный режим работы, который обязательно существует в СРВ.
Ресурс может быть выделен задаче, обратившейся к супервизору с соответствующим запросом, если:
- он свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому же ресурсу;
- текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использование ресурсов;
- ресурс используется задачей низшего приоритета и может быть временно отобран (разделяемые ресурсы).
Получив запрос, система либо удовлетворяет его и возвращает управление задаче, выдавшей данный запрос, либо, если ресурс занят, ставит задачу в очередь к ресурсу, переводя ее в состояние ожидания (блокируя).
После окончания работы с ресурсом задача опять с помощью специального вызова супервизора сообщает операционной системе об отказе от ресурса, или операционная система забирает ресурс сама, если управление возвращается супервизору после выполнения какой-либо системной функции. Супервизор операционной системы, получив управление по этому обращению, освобождает ресурс и проверяет, имеется ли очередь к освободившемуся ресурсу. Если очередь есть – в зависимости от принятой дисциплины обслуживания и приоритетов заявок он выводит из состояния ожидания задачу, ждущую ресурс, и переводит ее в состояние готовности к выполнению. После этого управление либо передается данной задаче, либо возвращается той, которая только что освободила ресурс.
В общем случае при организации управления ресурсами в СРВ всегда требуется принять решение о том, что в данной ситуации выгоднее: быстро обслуживать отдельные наиболее важные запросы, предоставлять всем процессам равные возможности, либо обслуживать максимально возможное количество процессов и наиболее полно использовать ресурсы.
Опишите механизм синхронизации задач в ОС и алгоритмы его реализации
Механизмы синхронизации и взаимодействия процессов
1. Синхронизация процессов в системах реального времени.
2. Критические секции.
3. Семафоры.
4. События.
1. Синхронизация процессов в системах реального времени Организация некоторого порядка исполнения процессов называется синхронизацией (synchronization). Синхронизация процессов является основной функцией многозадачных операционных систем и используется для защиты ресурсов - с помощью механизма синхронизации упорядочивается доступ к ресурсу.
Во многих случаях более эффективными или даже единственно возможными являются средства синхронизации, предоставляемые операционной системой в форме системных вызовов. Так, потоки, принадлежащие разным процессам, не имеют возможности вмешиваться каким-либо образом в работу друг друга. Без посредничества операционной системы они не могут приостановить друг друга или оповестить о произошедшем событии. Средства синхронизации используются операционной системой не только для синхронизации прикладных процессов, но и для ее внутренних нужд.
2. Критические секции
Важным понятием синхронизации потоков является понятие «критической секции» программы. Критическая секция - это часть программы, результат выполнения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к этой части программы, изменяются другими потоками в то время, когда выполнение этой части еще не завершено. Критическая секция всегда определяется по отношению к определенным критическим данным, при несогласованном изменении которых могут возникнуть нежелательные эффекты.
Чтобы исключить эффект гонок по отношению к критическим данным, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент времени в критической секции, связанной с этими данными, находился только один поток. При этом неважно, находится этот поток в активном или в приостановленном состоянии. Этот прием называют взаимным исключением. Операционная система использует разные способы реализации взаимного исключения.
Самый простой и в то же время самый неэффективный способ обеспечения взаимного исключения состоит в том, что операционная система позволяет потоку запрещать любые прерывания на время его нахождения в критической секции. Однако этот способ практически не применяется, так как опасно доверять управление системой пользовательскому потоку - он может надолго занять процессор, а при крахе потока в критической секции крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.
Блокирующие переменные. Для синхронизации потоков одного процесса прикладной программист может использовать глобальные блокирующие переменные. С этими переменными, к которым все потоки процесса имеют прямой доступ, программист работает, не обращаясь к системным вызовам ОС.
Каждому набору критических данных ставится в соответствие двоичная переменная, которой поток присваивает значение 0, когда он входит в критическую секцию, и значение 1, когда он ее покидает.
Если все потоки написаны с учетом вышеописанных соглашений, то взаимное исключение гарантируется. При этом потоки могут быть прерваны операционной системой в любой момент и в любом месте, в том числе в критической секции.
Однако следует заметить, что одно ограничение на прерывания все же имеется. Нельзя прерывать поток между выполнением операций проверки и установки блокирующей переменной. (тут в учебнике есть пример, если надо, но он большой, поэтому не вставила)
Реализация взаимного исключения описанным выше способом имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один поток находится в критической секции, другой поток, которому требуется тот же ресурс, получив доступ к процессору, будет непрерывно опрашивать блокирующую переменную, бесполезно тратя выделяемое ему процессорное время, которое могло бы быть использовано для выполнения какого-нибудь другого потока. Для устранения этого недостатка во многих ОС предусматриваются специальные системные вызовы для работы с критическими секциями.
3. Семафоры
Семафоры (semaphore) - это основной метод синхронизации. Он, в сущности, является наиболее общим методом синхронизации процессов.
В классическом определении семафор представляет собой целую переменную, значение которой больше нуля, то есть просто счетчик.
Семафоры, которые могут принимать лишь значения 0 и 1, называются двоичными. Над семафорами определены две операции - signal и wait. Операция signal увеличивает значение семафора на 1, а вызвавший ее процесс продолжает свою работу. Операция wait приводит к различным результатам, в зависимости от текущего значения семафора. Если его значение больше 0, оно уменьшается на 1, и процесс, вызвавший операцию wait, может продолжаться. Если семафор имеет значение 0, то процесс, вызвавший операцию wait, приостанавливается (ставится в очередь к семафору) до тех пор, пока значение соответствующего семафора не увеличится другим процессом с помощью операции signal. Только после этого операция wait приостановленного процесса завершается (с уменьшением значения семафора), а приостановленный процесс продолжается.
В зависимости от реализации процессы могут ждать в очереди, упорядоченной либо по принципу FIFO (Firstln, FirstOut - первым вошел, первым вышел), либо в соответствии с приоритетами, или выбираться случайным образом.
Для защиты критических секций, в которые по определению в любой момент времени может входить только один процесс, используются двоичные семафоры, также называемые mutex (от mutual exclusion - взаимное исключение). В этом случае нельзя использовать обычные семафоры, так как их значение может превышать 1 и, следовательно, несколько программ могут получить доступ к ресурсу, уменьшая значения семафора.
Компилятор не имеет возможности проверить, правильно ли используются семафоры
Семафоры являются удобным средством высокого уровня для замещения операции test_and_set и помогают избежать циклов занятого ожидания. Однако их неправильное использование может привести к ситуации гонок и к тупикам.
4. События
В некоторых случаях несколько процессов, имеющих доступ к общим данным, должны работать с ними только при выполнении некоторых условий, необязательно связанных с данными и разных для каждого процесса.
введена новая переменная синхронизации event (событие), с которой связаны операции await (ждать) и cause (вызвать). Процесс, выполнивший операцию await (event), остается в состоянии ожидания, пока значение переменной event не изменится. Это изменение контролируется с помощью операции cause. При наступлении события, то есть выполнении операции cause (event), освобождаются все ожидающие его процессы, в то время как в случае семафора освобождается лишь один процесс. Операции с событиями можно реализовать либо с помощью двоичной переменной, либо с помощью счетчика, при этом основные принципы остаются одинаковыми.
Важный тип события в системах реального времени связан с внешними прерываниями. Программа обработки - обработчик прерываний - ждет прерывания. Когда оно происходит, исполнение обработчика возобновляется.