лекции СПО

Т к,

в симметричных рхитектур х вычислительный процесс может ыть

ор

низов н к к

симметричным о р зом, т к

и

симметричным. Одн ко

симметричн я

рхитектур непременно влечет

з

со ой и симметричный

спосо ор низ ции вычислений.

ольшинстве опер ционных систем определены дв

тип

единиц р

оты. Более

крупн я

единиц р

оты, о ычно носящ я н зв ние процесс ,

или з д чи,

тре ует

для свое о

выполнения нескольких

олее

мелких

р от, для

ресурс м, н пример ф йл м, порт м TCP/UPD, сем фор м.

,

конечно же,

невозможно выполнение про р ммы

ез предост вления ей процессорно о

времени, то есть времени, в течение

которо о процессор

выполняет коды

д нной про р ммы.

В опер ционных систем х, де

существуют и процессы, и потоки,

процесс р ссм трив ется опер ционной системой к к з явк

н

потре ление

В простейшем случ е процесс состоит из одно о поток , и именно т ким

о

р зом тр ктов лось понятие «процесс» до середины 80-х одов (н пример, в

р

нних версиях UNIX) и в т ком же виде оно сохр нилось в некоторых

т ких ОС н

уровне процессов.

Для то о что ы процессы не мо ли вмеш ться в р спределение ресурсов,

т кже не мо ли повредить коды и д нные дру

дру

, в жнейшей з д чей ОС

является

изоляция одно о процесс от

дру о о.

Для это о опер ционн я

систем

о еспечив ет к ждый

процесс

отдельным вирту льным дресным

простр нством, т к что ни один процесс не может получить прямо о достуц

к

ком нд м и д нным дру о о процесс .

При

нео ходимости

вз имодействия

процессы о р щ ются

к

Одн ко в систем х, в которых отсутствует понятие поток , возник ют

про лемы при ор низ ции п р ллельных вычислений в р мк х процесс . А

т к я

нео ходимость

может

возник ть.

Действительно,

при

отдельный процесс нико д

не

может ыть

выполнен

ыстрее, чем

в

однопро р ммном

режиме (всякое р зделение

ресурсов

только з медляет

р оту одно о из

уч стников

з

счет дополнительных з тр т времени

н

одно о процесс , может о л д ть внутренним п р ллелизмом,

который

в

принципе мо

ы

позволить ускорить е о решение. Если, н пример,

в

про р мме предусмотрено о р щение к внешнему устройству, то н

время этой

опер ции можно не

локиров ть выполнение все о процесс ,

продолжить

иметь возможность

совмещ ть

н ор

ново о

текст

с т кими

продолжительными по

времени

опер циями, к к

переформ тиров ние

зн чительной ч сти текст , печ ть документ

или е о сохр нение н

лок льном

приложения может

ыть решен и тр диционными спосо ми.

Во-первых,

прикл дной про р ммист может

взять н се я сложную

з д чу ор низ ции п р ллелизм , выделив в

приложении некоторую

иной ветви вычислений. При этом про р мм

получ ется ло ически весьм

з пут нной, с мно очисленными перед ч ми

упр вления, что существенно

з трудняет ее отл дку и модифик цию.

мно о о ще о между со ой — они мо ут р от ть с

одними и теми же

д нными, использов ть один и тот же кодовый се мент,

н деляться одними и

не по н зн чению, выполняя не только

есполезную,

но и вредную р оту,

з трудняющую

о мен д нными между

р зличными

ч стями приложения.

Кроме то о, н

созд ние к ждо о процесс

ОС тр тит определенные системные

процессу

выделяются со ственное

вирту льное

дресное простр нство,

физическ я п мять, з крепляются устройств ввод -вывод и т. п.

з

все о вышеизложенно о,

следует, что

в опер ционной системе

одно о и то о же приложения.

Для этих целей современные ОС предл ют

мех низм мно опоточной о р

отки (multithreading). При этом вводится нов я

системе.

Все

потоки одно о

процесс используют о щие ф йлы,

т ймеры,

устройств , одну и ту же о л сть опер тивной п мяти, одно и то же

дресное

простр нство.

Это озн ч ет,

что они р зделяют одни

и те же ло льные

переменные.

Поскольку к ждый поток может иметь доступ к

лю ому

вирту льному

дресу процесс , один поток может использов ть стек дру о о

поток . Между поток ми одно о процесс

нет полной з щиты, потому что, во-

первых,

это

невозможно,

во-вторых,

не нужно.

Что ы ор

низов ть

р оче о лист

и одновременно продолж ть з полнять

т

лицу. Осо енно

эффективно

можно

использов ть мно опоточность

для

выполнения

р спределенных

приложений,

н пример

мно опоточный

сервер может

п р ллельно выполнять з просы ср зу нескольких клиентов.

спользов ние потоков связ но не только со стремлением повысить

производительность системы з

счет п р ллельных вычислений, но и с целью

созд ния

олее

чит

ельных,

ло ичных

про р мм. Введение

нескольких

«пис тель-чит тель» один поток выполняет з пись в

уфер, дру ой считыв ет

з писи из не о. Поскольку они р зделяют о щий

уфер, не стоит их дел ть

пример х не столь в жно п р ллельное выполнение, сколь в жн

ясность

про р ммы.

Н и ольший эффект от введения мно опоточной о р

отки дости ется

в мультипроцессорных систем х, в которых потоки,

в том

числе и

Подсистем

Упр вление процессом выполняет опер ции н д

процесс ми:

1. Созд ние:

модуля, степень привиле иров нности процесс

(приоритет и пр в

доступ ) и

т. п. Пример ми опис телей процесс

являются

лок упр вления з д чей (ТСВ

— Task Control Block) в OS/360, упр вляющий

лок процесс

(РСВ — Process

Control Block) в OS/2, дескриптор процесс

в UNIX, о ъект-процесс (object-

process) в Windows NT.

Созд ние опис теля процесс зн менует со ой появление в системе еще

одно о претендент н

вычислительные ресурсы. Н чин я с это о момент

при

р спределении ресурсов ОС должн

приним ть во

вним ние

потре ности

ново о процесс .

Созд ние

процесс

включ ет

з

рузку

кодов

и

д нных

исполняемой

про р ммы д нно о процесс с диск в опер тивную п мять.

При

упр влении процесс ми

опер ционн я систем

использует дв

основных тип

информ ционных структур:

дескриптор процесс

и контекст

процесс .

Дескриптор

процесс

содержит

т кую информ цию

о процессе,

котор я

нео ходим

ядру в течение

все о

жизненно о

цикл

процесс

нез висимо

от

то о,

н ходится

он

в

ктивном или п ссивном

состоянии,

н ходится

о р з

процесс

в опер тивной

п мяти или

вы ружен н

диск.

(О р зом процесс

н зыв ется совокупность е о кодов и д нных.)

Дескрипторы отдельных процессов о ъединены в список, о р зующий

т лицу процессов. П мять для т

лицы процессов отводится дин мически в

о л сти ядр . Н

основ нии информ ции, содерж щейся в т

лице процессов,

опер ционн я

систем

осуществляет

пл ниров ние

и

синхрониз цию

процессов.

зн чение отдельных сост вляющих приоритет , т кже о е о ито овом

зн чении — ло льном приоритете;

идентифик тор пользов теля, созд вше о процесс;

информ ция о родственных процесс х;

информ ция о со ытиях, осуществления которых ожид ет д нный процесс;

уник льный идентифик тор процесс ;

о л сть сохр нения ре истров;

ук з тели выд нных процессу ресурсов.

содержимое ре истров процессор и про р ммно о счетчик ;

коды оши ок выполняемых процессором системных вызовов;

информ цию о о всех открытых д нным процессом ф йл х и

нез вершенных опер циях ввод -вывод ;

режим р оты процессор .

процессу в целом.)

Переход от выполнения одно о поток

к дру ому осуществляется в

результ те пл ниров ния и диспетчериз ции. Р

от по определению то о,

в

к кой момент нео ходимо прерв ть выполнение текуще о

ктивно о поток

и

к кому потоку предост вить возможность

выполняться, н зыв ется

пл ниров нием. Пл ниров ние потоков осуществляется н

основе информ ции,

Существует множество р зличных л оритмов пл ниров ния потоков,

по-своему реш ющих к ждую из

приведенных выше з д ч. Ал оритмы

пл ниров ния мо ут преследов ть р зличные

цели и о еспечив ть р зное

к чество мультипро р ммиров ния.

Н пример,

в одном случ е вы ир ется

т кой л оритм

пл ниров ния, при

котором

р нтируется, что ни один

поток/процесс не

удет з ним ть процессор дольше определенно о времени, в

дру ом случ е целью является м ксим льно

ыстрое выполнение «коротких»

з д ч,

в

третьем случ е

— преимущественное

пр во з нять

процессор

получ ют потоки интер ктивных приложений.

менно осо енности ре лиз ции

пл ниров ния

потоков

в

н и ольшей

степени

определяют

специфику

опер ционной

системы,

в ч стности, является

ли он

системой п кетной

о р отки, системой р зделения времени или системой ре льно о времени.

В

ольшинстве

опер ционных систем

универс льно о

н зн чения

пл ниров ние

осуществляется

дин мически

(on-line), то есть решения

приним ются во время р оты системы н

основе

н лиз

текущей ситу ции.

ОС р

от ет в условиях неопределенности — потоки и процессы появляются в

случ йные

моменты

времени

и

т кже

непредск зуемо з верш ются.

Дин мические пл нировщики мо ут

и ко приспос

лив ться к изменяющейся

р оты системы,

з р нее (off-line). Соотношение между дин мическим и

ст тическим пл нировщик ми

н ло ично соотношению между диспетчером

железной доро и,

который

пропуск ет

поезд

стро о

по

предв рительно

сост вленному р спис нию, и ре улировщиком н

перекрестке втомо ильных

доро ,

не

осн щенном

светофор ми,

который

реш ет,

к кую

м шину

ост новить,

к кую пропустить, в з висимости от ситу ции н

перекрестке.

Результ том

р оты

ст тическо о

пл нировщик

является

т лиц ,

н зыв ем я

р спис нием,

в

которой ук зыв ется, к кому

потоку/процессу,

ко д

и н к кое время должен

ыть предост влен процессор. Для построения

После то о к к

р спис ние

отово, оно

может использов ться

опер ционной системой для переключения потоков и процессов.

При этом

н кл дные р сходы ОС н

исполнение р спис ния ок зыв ются зн чительно

меньшими, чем при дин мическом

пл ниров нии,

и сводятся

лишь к

диспетчериз ции потоков/процессов.

д нно о поток . Контекст отр ж ет, во-первых, состояние

пп р туры

компьютер в момент прерыв ния поток : зн чение счетчик

ком нд,