Проверочные и экзамен / Вопросы к экзамену по операционным системам 080500

13. Функции подсистемы управления процессами.

Одной из основных подсистем любой современной мультипрограммной ОС, непосредственно влияющей на функционирование компьютера, является подсистема управления процессами и потоками. Основные функции этой подсистемы:

создание процессов и потоков;

обеспечение процессов и потоков необходимыми ресурсами;

изоляция процессов;

планирование выполнения процессов и потоков (вообще, следует говорить и о планировании заданий);

диспетчеризация потоков;

организация межпроцессного взаимодействия;

синхронизация процессов и потоков;

завершение и уничтожение процессов и потоков.

1.К созданию процесса приводят пять основных событий:

1.инициализация ОС (загрузка);

2.выполнение запроса работающего процесса на создание процесса;

3.запрос пользователя на создание процесса, например, при входе в систему в интерактивном режиме;

4.инициирование пакетного задания;

5.создание операционной системой процесса, необходимого для работы каких-либо служб.

Обычно при загрузке ОС создаются несколько процессов. Некоторые из них являются высокоприоритетными процессами, обеспечивающими взаимодействие с пользователями и выполняющими заданную работу. Остальные процессы являются фоновыми, они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции – например, связанные с электронной почтой, Web-страницами, выводом на печать, передачей файлов по сети, периодическим запуском программ (например,дефрагментации дисков) и т.д. Фоновые процессы называют демонами.

Новый процесс может быть создан по запросу текущего процесса. Создание новых процессов полезно в тех случаях, когда выполняемую задачу проще всего сформировать как набор связанных, но, тем не менее, независимых взаимодействующих процессов. В интерактивных системах пользователь может запустить программу, набрав на клавиатуре команду или дважды щелкнув на значке программы. В обоих случаях создается новый процесс и запуск в нем программы. В системах пакетной обработки на мэйнфреймах пользователи посылают задание (возможно, с использованием удаленного доступа), а ОС создает новый процесс и запускает следующее задание из очереди, когда освобождаются необходимые ресурсы.

2.С технической точки зрения во всех перечисленных случаях новый процесс формируется одинаково: текущий процесс выполняет системный запрос на создание нового процесса. Подсистема

управления процессами и потоками отвечает за обеспечение процессов необходимыми ресурсами. ОС поддерживает в памяти специальные информационные структуры, в которые записывает, какие ресурсы выделены каждому процессу. Она может назначить процессу ресурсы в единоличное пользование или совместное пользование с другими процессами. Некоторые из ресурсов выделяются процессу при его создании, а некоторые – динамическипо запросам во время выполнения. Ресурсы могут быть выделены процессу на все время его жизни или только на определенный период. При выполнении этих функций подсистема управления процессами взаимодействует с другими подсистемами ОС, ответственными за управление ресурсами, такими как подсистема управления памятью, подсистема ввода-вывода, файловая система.

3.Для того чтобы процессы не могли вмешаться в распределение ресурсов, а также не могли повредить коды и данные друг друга, важнейшей задачей ОС является изоляция одного процесса от другого. Для этого операционная система обеспечивает каждый процесс отдельным виртуальным

адресным пространством, так что ни один процесс не может получить прямого доступа к командам и данным другого процесса.

4. В ОС, где существуют процессы и потоки, процесс рассматривается как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Этот важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы – потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения)

команд. Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации. Работа по определению момента, в который необходимо прервать выполнение текущего потока, и потока, которому следует предоставить возможность выполняться, называется планированием. Планирование потоков осуществляется на основе информации, хранящейся в описателях процессов и потоков. При планировании принимается во внимание приоритет потоков, время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения, интенсивность обращения к вводу-выводу и другие факторы.

5.Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования решения, т.е. в переключении процессора с одного потока на другой. Диспетчеризация проходит в три этапа:

сохранение контекста текущего потока;

загрузка контекста потока, выбранного в результате планирования;

запуск нового потока на выполнение.

6.Когда в системе одновременно выполняется несколько независимых задач, возникают дополнительные проблемы. Хотя потоки возникают и выполняются синхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например, при обмене данными. Для общения друг с другом процессы и потоки могут использовать широкий спектр возможностей: каналы (в UNIX), почтовые ящики (Windows), вызов удаленной процедуры, сокеты (в Windows соединяют процессы на разных машинах). Согласование скоростей потоков также очень важно для предотвращения эффекта "гонок" (когда несколько потоков пытаются изменить один и тот же файл), взаимных блокировок и других коллизий, которые возникают при совместном использовании ресурсов.

7.Синхронизация потоков является одной из важнейших функций подсистемы управления процессами и потоками. Современные операционные системы предоставляют множество механизмов синхронизации, включая семафоры, мьютексы, критические области и события. Все эти механизмы работают с потоками, а не с процессами. Поэтому когда поток блокируется на семафоре, другие потоки этого процесса могут продолжать работу.

8.Каждый раз, когда процесс завершается, – а это происходит благодаря одному из следующих событий: обычный выход, выход по ошибке, выход по неисправимой ошибке, уничтожение другим процессом – ОС предпринимает шаги, чтобы "зачистить следы" его пребывания в системе. Подсистема управления процессами закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области оперативной памяти, отведенные под коды, данные и системные информационные структуры процесса. Выполняется коррекция всевозможных очередей ОС и список ресурсов, в которых имелись ссылки на завершаемый процесс.

14. Методы создания процессов.

Создать процесс – это, прежде всего, создать описатель процесса: несколько информационных структур, содержащих все сведения (атрибуты) о процессе, необходимые операционной системе для управления им. В число таких сведений могут входить: идентификатор процесса, данные о расположении в памяти исполняемого модуля, степень привилегированности процесса (приоритет и права доступа) и т.п.

Традиционно операционная система создает все процессы незаметно для пользователя или приложения; такой способ принят во многих современных операционных системах. Однако иногда требуется, чтобы один процесс мог послужить причиной создания другого процесса. Например, процесс приложения может сгенерировать другой процесс, который будет получать данные от первого процесса и приводить их к виду, удобному для дальнейшего анализа. Новый процесс будет работать параллельно с приложением и время от времени активизироваться для получения новых данных. Такая организация может быть очень полезна для структурирования приложений. В качестве другого примера можно привести ситуацию, в которой процесс-сервер (например, сервер печати или файловый сервер) может генерировать новый процесс для каждого обрабатываемого им запроса. Создание операционной системой процесса по явному запросу другого процесса называется порождением процесса (process spawning).

Когда один процесс порождает другой, то порождающий процесс называется родительским, или предком (parent), а порождаемый процесс — дочерним, или потомком (child). Обычно "родственные" процессы обмениваются между собой информацией и взаимодействуют друг с другом. Организация такого взаимодействия является достаточно трудной задачей для программиста.

ИЗ ЛЕКЦИЙ:

Создание процесса – создание структуры данных в памяти (PCB). Любой процесс порождается другим существующим процессом (идеология ОС). Первый процесс порождается ядром ОС, остальные порождаются от этого процесса.

ВWindows нет иерархии процессов (у всех процессов один единственный родитель, остальные процессы обращаются с просьбой породить новый процесс). В этой ситуации родительский процесс управляет всеми процессами и несет за них ответственность (освобождение памяти при аварийном завершении программы и т.д.). В PCB хранится только уникальный номер процесса PID.

ВLinux используется иерархия процессов. Родитель всех процессов - процесс init с PID =1. Процесспотомок посылает информацию по завершению работы и контроль осуществляет процесс-родитель. Процессы-потомки не могут иметь большие права, чем права у процесса-родителя. Если процессродитель аварийно завершился, то процесс-наследник усыновляется либо процессом-родителем, вышестоящим по иерархии, либо процессом init.

Зомби процесс – процесс, который никогда не выполнится и удалить его крайне невозможно.

В PCB хранится PID, PPID, UID, которые характеризует процесс (идентификация процесса).

Еще одно отличие Windows и Linux заключается в том, что в Linux процессы размножаются клонированием, в Windows е создается с чистого листа.

Так же в PCB хранится статус процесса (status word). С точки зрения ОС нельзя попытаться родить процесса с одинаковым статусом. Данные о ресурсах, история (статистика) процесса - сколько процесс потреблял процессорного времени, сколько ожидал процессорное время - данные для планировщиков

15. Модель жизненного цикла процесса.

Жизненный цикл процесса.

Двухуровневая модель: исполняется и не исполняется.

Любому процессу при его рождении присваивается статус «не исполняется».

Как только планировщик выбирает этот процесс для исполнения, процесс получает статус «исполняется».

Поле исполнения он может завершиться, либо снова получить статус «не исполняется» и ожидать время на исполнение.

Вданной модели невозможно различить, по какой причине процесс получил статус «не исполняется». Данная модель сейчас нигде не реализуется.

Трехуровневая модель: исполняется, готовность состояния процесса, ожидание.

Процесс при порождении может выполняться.

Из готовности планировщик переводит процесс в статус «исполняется».

После исполнения процесс либо завершается, либо отправляется в ожидание. За состоянием ожидания следит определенный процесс ядра ОС.

После прерывания ожидания процесс переходит в статус готовности. И снова к исполнению.

Любая современная ОС поддерживает данную модель.

Пятиуровневая модель: исполняется, готовность, ожидание, рождение, завершение.

Рождение – растянутый этап, на котором ОС решает, стоит ли рождать этот процесс. На этом этапе у процесса нет PCB.

После рождения процесс переходит в статус «готовность».

Из готовности планировщик переводит процесс в статус «исполняется».

После исполнения процесс либо завершается, либо отправляется в ожидание. За состоянием ожидания следит определенный процесс ядра ОС.

После прерывания ожидания процесс переходит в статус готовности. И снова к исполнению.

Завершение – растянутый этап завершения процесса: освобождения памяти, нахождение родителя. Процесс находится в завершении значительное время пока ОС в поисках.

Семиуровневая модель: пятиуровневая модель + исключительная ситуация + зомби-состояние (только для Linux).

Если в процессе исполнения возникает ошибка, процесс отправляется в исключительную ситуацию. После решения ошибки из исключительной ситуации процесс получает статус готовности.

Выход из зомби процесса не всегда возможен.

16. Виды планирования и их место в жизненном цикле процесса.

Основная цель планирования вычислительного процесса заключается в распределении времени процессора (нескольких процессоров) между выполняющимися заданиями пользователей таким образом, чтобы удовлетворять требованиям, предъявляемым пользователями к вычислительной системе. Такими требованиями могут быть, как это уже отмечалось, пропускная способность, время отклика, загрузка процессора и др.

Все виды планирования, используемые в современных ОС, в зависимости от временного масштаба, делятся на долгосрочное, среднесрочное, краткосрочное и планирование ввода-вывода. Рассматривая частоту работы планировщика, можно сказать, что долгосрочное планирование выполняется сравнительно редко, среднесрочное несколько чаще. Краткосрочный планировщик, называемый часто диспетчер (dispatcher), обычно работает, определяя, какой процесс или поток будет выполняться следующим. Ниже приведен перечень функций, выполняемых планировщиком каждого вида.

Планирование ввода-Решение о том, какой из запросов процессов (потоков) на операцию вводавывода вывода будет выполняться свободным устройством ввода-вывода

ИЗ ЛЕКЦИЙ:

Планирование – выбор, какому следующему процессу предоставить ресурс. Можно планировать на один шаг или на несколько шагов вперед (горизонт планирования). Выделяют четыре вида

планирования:

1.Краткосрочное планирование (между готовностью и исполнением процессов, на уровне диспетчеризации процессов) – не сильно влияет на работу ОС.

2.Долгосрочное планирование (между рождением и статусом готовности) – надолго меняется работа ОС.

3.Среднесрочное планирование (1. между готовностью процесса в оперативной памяти и готовностью процессов не в оперативной памяти; 2. между ожиданием в оперативной памяти и не в оперативной памяти) – сбрасывание из оперативной памяти не скоро выполняющихся процессов.

4.Планирование доступа к отдельным устройствам – например, планирование устройств ввода-

вывода, планировщик будет столько, сколько устройств ввода-вывода.

Алгоритмы планирования процессов

Планирование процессов включает в себя решение следующих задач:

1.определение момента времени для смены выполняемого процесса;

2.выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов;

3.переключение контекстов "старого" и "нового" процессов.

Первые две задачи решаются программными средствами, а последняя в значительной степени аппаратно (см. раздел 2.3. "Средства аппаратной поддержки управления памятью и многозадачной среды в микропроцессорах Intel 80386, 80486 и Pentium").

Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, по разному решающих вышеперечисленные задачи, преследующих различные цели и обеспечивающих различное качество мультипрограммирования. Среди этого множества алгоритмов рассмотрим подробнее две группы наиболее часто встречающихся алгоритмов: алгоритмы, основанные на квантовании, и алгоритмы, основанные на приоритетах.

В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если:

процесс завершился и покинул систему,

произошла ошибка,

процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ,

исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.

Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние ГОТОВНОСТЬ и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый процесс из очереди готовых. Таким образом, ни один процесс не занимает процессор надолго, поэтому квантование широко используется в системах разделения времени. Граф состояний процесса, изображенный на рисунке 2.1, соответствует алгоритму планирования, основанному на квантовании.

Кванты, выделяемые процессам, могут быть одинаковыми для всех процессов или различными. Кванты, выделяемые одному процессу, могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни процесса. Процессы, которые не полностью использовали выделенный им квант (например, из-за ухода на выполнение операций ввода-вывода), могут получить или не получить компенсацию в виде привилегий при последующем обслуживании. По разному может быть организована очередь готовых процессов: циклически, по правилу "первый пришел - первый обслужился" (FIFO) или по правилу "последний пришел - первый обслужился" (LIFO).

Другая группа алгоритмов использует понятие "приоритет" процесса. Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.

Приоритет может выражаться целыми или дробными, положительным или отрицательным значением.Чем выше привилегии процесса, тем меньше времени он будет проводить в очередях. Приоритет может назначаться директивно администратором системы в зависимости от важности работы или внесенной платы, либо вычисляться самой ОС по определенным правилам, он может оставаться фиксированным на протяжении всей жизни процесса либо изменяться во времени в соответствии с некоторым законом. В последнем случае приоритеты называются динамическими.

Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты.

В обоих случаях выбор процесса на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается процесс, имеющий наивысший приоритет. По разному решается проблема определения момента смены активного процесса. В системах с относительными приоритетами активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЕ (или же произойдет ошибка, или процесс завершится). В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного процесса прерывается еще при одном условии: если в очереди готовых процессов появился процесс, приоритет которого выше приоритета активного процесса. В этом случае прерванный процесс переходит в состояние готовности. На рисунке 2.2 показаны графы состояний процесса для алгоритмов с относительными (а) и абсолютными (б) приоритетами.

Рис. 2.2. Графы состояний процессов в системах (а) с относительными приоритетами; (б)с абсолютными приоритетами

Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как квантования, так и приоритетов. Например, в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора процесса из очереди готовых определяется приоритетами процессов.

Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования

Существует два основных типа процедур планирования процессов - вытесняющие (preemptive) и невытесняющие (non-preemptive).

Non-preemptive multitasking - невытесняющая многозадачность - это способ планирования процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление планировщику операционной системы для того, чтобы тот выбрал из очереди другой, готовый к выполнению процесс.

Preemptive multitasking - вытесняющая многозадачность - это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается планировщиком операционной системы, а не самой активной задачей.

Понятия preemptive и non-preemptive иногда отождествляются с понятиями приоритетных и бесприоритетных дисциплин, что совершенно неверно, а также с понятиями абсолютных и относительных приоритетов, что неверно отчасти. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность - это более широкие понятия, чем типы приоритетности. Приоритеты задач могут как

использоваться, так и не использоваться и при вытесняющих, и при невытесняющих способах планирования. Так в случае использования приоритетов дисциплина относительных приоритетов может быть отнесена к классу систем с невытесняющей многозадачностью, а дисциплина абсолютных приоритетов - к классу систем с вытесняющей многозадачностью. А бесприоритетная дисциплина планирования, основанная на выделении равных квантов времени для всех задач, относится к вытесняющим алгоритмам.

Основным различием между preemptive и non-preemptive вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования задач. При вытесняющей многозадачности механизм планирования задач целиком сосредоточен в операционной системе, и программист пишет свое приложение, не заботясь о том, что оно будет выполняться параллельно с другими задачами. При этом операционная система выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения активной задачи, запоминает ее контекст, выбирает из очереди готовых задач следующую и запускает ее на выполнение, загружая ее контекст.

При невытесняющей многозадачности механизм планирования распределен между системой и прикладными программами. Прикладная программа, получив управление от операционной системы, сама определяет момент завершения своей очередной итерации и передает управление ОС с помощью какого-либо системного вызова, а ОС формирует очереди задач и выбирает в соответствии с некоторым алгоритмом (например, с учетом приоритетов) следующую задачу на выполнение. Такой механизм создает проблемы как для пользователей, так и для разработчиков.

Для пользователей это означает, что управление системой теряется на произвольный период времени, который определяется приложением (а не пользователем). Если приложение тратит слишком много времени на выполнение какой-либо работы, например, на форматирование диска, пользователь не может переключиться с этой задачи на другую задачу, например, на текстовый редактор, в то время как форматирование продолжалось бы в фоновом режиме. Эта ситуация нежелательна, так как пользователи обычно не хотят долго ждать, когда машина завершит свою задачу.

Поэтому разработчики приложений для non-preemptive операционной среды, возлагая на себя функции планировщика, должны создавать приложения так, чтобы они выполняли свои задачи небольшими частями. Например, программа форматирования может отформатировать одну дорожку дискеты и вернуть управление системе. После выполнения других задач система возвратит управление программе форматирования, чтобы та отформатировала следующую дорожку. Подобный метод разделения времени между задачами работает, но он существенно затрудняет разработку программ и предъявляет повышенные требования к квалификации программиста. Программист должен обеспечить "дружественное" отношение своей программы к другим выполняемым одновременно с ней программам, достаточно часто отдавая им управление. Крайним проявлением "недружественности" приложения является его зависание, которое приводит к общему краху системы. В системах с вытесняющей многозадачностью такие ситуации, как правило, исключены, так как центральный планирующий механизм снимет зависшую задачу с выполнения.

Однако распределение функций планировщика между системой и приложениями не всегда является недостатком, а при определенных условиях может быть и преимуществом, потому что дает возможность разработчику приложений самому проектировать алгоритм планирования, наиболее подходящий для данного фиксированного набора задач. Так как разработчик сам определяет в программе момент времени отдачи управления, то при этом исключаются нерациональные прерывания программ в "неудобные" для них моменты времени. Кроме того, легко разрешаются проблемы совместного использования данных: задача во время каждой итерации использует их монопольно и уверена, что на протяжении этого периода никто другой не изменит эти данные. Существенным преимуществом non-preemptive систем является более высокая скорость переключения с задачи на задачу.

Примером эффективного использования невытесняющей многозадачности является файл-сервер NetWare, в котором, в значительной степени благодаря этому, достигнута высокая скорость

выполнения файловых операций. Менее удачным оказалось использование невытесняющей многозадачности в операционной среде Windows 3.х.

Однако почти во всех современных операционных системах, ориентированных на высокопроизводительное выполнение приложений (UNIX, Windows NT, OS/2, VAX/VMS), реализована вытесняющая многозадачность. В последнее время дошла очередь и до ОС класса настольных систем, например, OS/2 Warp и Windows 95. Возможно в связи с этим вытесняющую многозадачность часто называют истинной многозадачностью.

17.Критерии эффективности и свойства методов планирования процессов, параметры планирования процессов.

Критерии планирования и требования к алгоритмам

Для каждого уровня планирования процессов можно предложить много различных алгоритмов. Выбор конкретного алгоритма определяется классом задач, решаемых вычислительной системой, и целями, которых мы хотим достичь, используя планирование. К числу таких целей можно отнести следующие:

Справедливость – гарантировать каждому заданию или процессу определенную часть времени использования процессора в компьютерной системе, стараясь не допустить возникновения ситуации, когда процесс одного пользователя постоянно занимает процессор, в то время как процесс другого пользователя фактически не начинал выполняться.

Эффективность – постараться занять процессор на все 100% рабочего времени, не позволяя ему простаивать в ожидании процессов, готовых к исполнению. В реальных вычислительных системах загрузка процессора колеблется от 40 до 90%.

Сокращение полного времени выполнения ( turnaround time ) – обеспечить минимальное время между стартом процесса или постановкой задания в очередь для загрузки и его завершением.

Сокращение времени ожидания ( waiting time ) – сократить время, которое проводят процессы в состоянии готовность и задания в очереди для загрузки.

Сокращение времени отклика ( response time ) – минимизировать время, которое требуется процессу в интерактивных системах для ответа на запрос пользователя.

Независимо от поставленных целей планирования желательно также, чтобы алгоритмы обладали следующими свойствами.

Были предсказуемыми. Одно и то же задание должно выполняться приблизительно за одно и то же время. Применение алгоритма планирования не должно приводить, к примеру, к извлечению квадратного корня из 4 за сотые доли секунды при одном запуске и за несколько суток – при втором запуске.

Были связаны с минимальными накладными расходами. Если на каждые 100 миллисекунд, выделенные процессу для использования процессора, будет приходиться 200 миллисекунд на определение того, какой именно процесс получит процессор в свое распоряжение, и на переключение контекста, то такой алгоритм, очевидно, применять не стоит.

Равномерно загружали ресурсы вычислительной системы, отдавая предпочтение тем процессам, которые будут занимать малоиспользуемые ресурсы.

Обладали масштабируемостью, т. е. не сразу теряли работоспособность при увеличении нагрузки. Например, рост количества процессов в системе в два раза не должен приводить к увеличению полного времени выполнения процессов на порядок.

Многие из приведенных выше целей и свойств являются противоречивыми. Улучшая работу алгоритма с точки зрения одного критерия, мы ухудшаем ее с точки зрения другого. Приспосабливая алгоритм под один класс задач, мы тем самым дискриминируем задачи другого класса.

Параметры планирования

Для осуществления поставленных целей разумные алгоритмы планирования должны опираться на какие-либо характеристики процессов в системе, заданий в очереди на загрузку, состояния самой вычислительной системы, иными словами, на параметры планирования . В этом разделе мы опишем ряд таких параметров, не претендуя на полноту изложения.