- •Челябинск
- •2002 Предисловие
- •От издательства
- •Часть 1 Операционные системы и среды
- •Глава 1 Основные понятия Понятие операционной среды
- •Понятия вычислительного процесса и ресурса
- •Диаграмма состояний процесса
- •Реализация понятия последовательного процесса в ос
- •Процессы и треды
- •Прерывания
- •Основные виды ресурсов
- •Классификация операционных систем
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 2 Управление задачами и памятью в операционных системах
- •Планирование и диспетчеризация процессов и задач Стратегии планирования
- •Дисциплины диспетчеризации
- •Вытесняющие и не вытесняющие алгоритмы диспетчеризации
- •Качество диспетчеризации и гарантии обслуживания
- •Диспетчеризация задач с использованием динамических приоритетов
- •Память и отображения, виртуальное адресное пространство
- •Простое непрерывное распределение и распределение с перекрытием (оверлейные структуры)
- •Распределение статическими и динамическими разделами
- •Разделы с фиксированными границами
- •Разделы с подвижными границами
- •Сегментная, страничная и сегментно-страничная организация памяти
- •Сегментный способ организации виртуальной памяти
- •Страничный способ организации виртуальной памяти
- •Сегментно-страничный способ организации виртуальной памяти
- •Распределение оперативной памяти в современных ос для пк
- •Распределение оперативной памяти вMs-dos
- •Распределение оперативной памяти вMicrosoftWindows95/98
- •Распределение оперативной памяти вMicrosoftWindowsNt
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 3 Особенности архитектуры микропроцессоровi80x86
- •Реальный и защищённый режимы работы процессора
- •Новые системные регистры микропроцессоров i80x86
- •Адресация в 32-разрядных микропроцессорахi80х86 при работе в защищённом режиме Поддержка сегментного способа организации виртуальной памяти
- •Поддержка страничного способа организации виртуальной памяти
- •Режим виртуальных машин для исполнения приложений реального режима
- •Защита адресного пространства задач
- •Уровни привилегий для защиты адресного пространства задач
- •Механизм шлюзов для передачи управления на сегменты кода с другими уровнями привилегий
- •Система прерываний 32-разрядных микропроцессоровi80x86
- •Работа системы прерываний в реальном режиме работы процессора
- •Работа системы прерываний в защищённом режиме работы процессора
- •Обработка прерываний в контексте текущей задачи
- •Обработка прерываний с переключением на новую задачу
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 4 Управление вводом/выводом и файловые системы
- •Основные понятия и концепции организации ввода/вывода в ос
- •Режимы управления вводом/выводом
- •Закрепление устройств, общие устройства ввода/вывода
- •Основные системные таблицы ввода/вывода
- •Синхронный и асинхронный ввод/вывод
- •Кэширование операций ввода/вывода при работе с накопителями на магнитных дисках
- •Функции файловой системы ос и иерархия данных
- •Структура магнитного диска (разбиение дисков на разделы)
- •Файловая системаFat
- •Структура загрузочной записиDos
- •Файловые системыVfaTиFat32
- •Файловая система hpfs
- •Файловая система ntfs (New Technology File System)
- •Основные возможности файловой системы ntfs
- •Структура тома с файловой системой ntfs
- •Возможности файловой системыNtfSпо ограничению доступа к файлам и каталогам
- •Основные отличияFaTи ntfs
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Задания
- •Глава 5 Архитектура операционных систем и интерфейсы прикладного
- •Принцип функциональной избирательности
- •Принцип генерируемости ос
- •Принцип функциональной избыточности
- •Принцип виртуализации
- •Принцип независимости программ от внешних устройств
- •Принцип совместимости
- •Принцип открытой и наращиваемой ос
- •Принцип мобильности (переносимости)
- •Принцип обеспечения безопасности вычислений
- •Микроядерные операционные системы
- •Монолитные операционные системы
- •Требования, предъявляемые к ос реального времени
- •Мультипрограммность и многозадачность
- •Приоритеты задач (потоков)
- •Наследование приоритетов
- •Синхронизация процессов и задач
- •Предсказуемость
- •Принципы построения интерфейсов операционных систем
- •Интерфейс прикладного программирования
- •Реализация функцийApIна уровне ос
- •Реализация функцийApIна уровне системы программирования
- •Реализация функцийApIс помощью внешних библиотек
- •Платформенно-независимый интерфейс posix
- •Пример программирования в различныхApiос
- •Текст программы дляWindows(WinApi)
- •Текст программы дляLinux(posixapi)
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 6 Проектирование параллельных взаимодействующих вычислительных процессов
- •Независимые и взаимодействующие вычислительные процессы
- •Средства синхронизации и связи при проектировании взаимодействующих вычислительных процессов
- •Использование блокировки памяти при синхронизации параллельных процессов
- •Возможные проблемы при организации взаимного исключения посредством использования только блокировки памяти
- •Алгоритм Деккера
- •Синхронизация процессов посредством операции «проверка и установка»
- •Семафорные примитивы Дейкстры
- •Мьютексы
- •Использование семафоров при проектировании взаимодействующих вычислительных процессов
- •Задача «поставщик – потребитель»
- •Пример простейшей синхронизации взаимодействующих процессов
- •Решение задачи «читатели – писатели»
- •Мониторы Хоара
- •Почтовые ящики
- •Конвейеры и очереди сообщений Конвейеры (программные каналы)
- •Очереди сообщений
- •Примеры создания параллельных взаимодействующих вычислительных процессов
- •Пример создания многозадачного приложения с помощью системы программированияBorlandDelphi
- •Пример создания комплекса параллельных взаимодействующих программ, выступающих как самостоятельные вычислительные процессы
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 7 Проблема тупиков и методы борьбы с ними
- •Понятие тупиковой ситуации при выполнении параллельных вычислительных процессов
- •Примеры тупиковых ситуаций и причины их возникновения
- •Пример тупика на ресурсах типаCr
- •Пример тупика на ресурсах типаCRиSr
- •Пример тупика на ресурсах типаSr
- •1: P(s2); 5: p(s1);
- •Формальные модели для изучения проблемы тупиковых ситуаций
- •Сети Петри
- •Вычислительные схемы
- •Модель пространства состояний системы
- •Методы борьбы с тупиками
- •Предотвращение тупиков
- •Обход тупиков
- •Обнаружение тупика
- •Обнаружение тупика посредством редукции графа повторно используемых ресурсов
- •Методы обнаружения тупика по наличию замкнутой цепочки запросов
- •Алгоритм обнаружения тупика по наличию замкнутой цепочки запросов
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 8 Современные операционные системы
- •Семейство операционных системUnix Общая характеристика семейства операционных систем unix, особенности архитектуры семейства осunix
- •Основные понятия системыUnix
- •Виртуальная машина
- •Пользователь
- •Интерфейс пользователя
- •Привилегированный пользователь
- •Команды и командный интерпретатор
- •Процессы
- •Функционирование системыUnix
- •Выполнение процессов
- •Подсистема ввода/вывода
- •Перенаправление ввода/вывода
- •Файловая система
- •Структура файловой системы
- •Защита файлов
- •Межпроцессные коммуникации вUnix
- •Сигналы
- •Семафоры
- •Программные каналы
- •Очереди сообщений
- •Разделяемая память
- •Вызовы удаленных процедур (rpc)
- •Операционная системаLinux
- •Семейство операционных систем os/2WarpкомпанииIbm
- •Особенности архитектуры и основные возможности os/2Warp
- •Особенности интерфейса os/2Warp
- •Серверная операционная система os/2Warp4.5
- •Сетевая ос реального времениQnx
- •Архитектура системыQnx
- •Основные механизмы qnx для организации распредёленных вычислений
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Приложение а Тексты программы параллельных взаимодействующих задач
- •Приложение б Тексты программ комплекса параллельных взаимодействующих приложений
- •Текст программы а
- •Текст программы в
- •Текст программы d
- •Текст программы g
- •Список литературы
- •Часть 1 6
- •Глава 5 Архитектура операционных систем и интерфейсы прикладного 240
- •Глава 6 Проектирование параллельных взаимодействующих вычислительных 279
- •Глава 7 Проблема тупиков и методы 348
- •Глава 8 Современные операционные 391
Пример создания многозадачного приложения с помощью системы программированияBorlandDelphi
Рассмотрим пример использования механизмов, специально созданных для организации взаимного исключения, которые имеются в системе программирования BorlandDelphi3.0. Эта система программирования, будучи ориентированной на создание приложений в многозадачной операционной системеMicrosoftWindows9x, содержит в себе стандартные классы, позволяющие без особых усилий использовать многопоточные возможности этих ОС. Воспользуемся стандартным классомTThread. Объект, создаваемый на основе этого класса, можно охарактеризовать следующими теперь уже очевидными для нас свойствами:
каждый тред имеет свою, при необходимости уникальную, исполняемую часть;
каждый тред для своего исполнения требует отдельного процессорного времени, то есть диспетчер задач принимает во внимание только приоритет треда;
диспетчеризация выполнения тредов осуществляется операционной системой и не требует вмешательства программиста;
несколько тредов, принадлежащих одному процессу, могут использовать один и тот же ресурс (например, глобальную переменную). Как нам известно, треды могут обращаться к полям другого треда из того же вычислительного процесса. При этом программисту необходимо самостоятельно ограничивать доступ к этому ресурсу во избежание известных проблем.
Итак, пусть необходимо создать многопоточное приложение, схема взаимодействия отдельных потоков в котором (в рамках единого вычислительного процесса) приведена на рис. 6.6.
Рис. 6.6.Схема №1 взаимодействия параллельно выполняющихся задач
Так, согласно этому рисунку, процесс А после своего завершения запускает задачи D, С и Е. Считаем, что задачи В, D и С завершаются примерно в одинаковое время. По крайней мере, нам не известно, какой из потоков должен быть первым, а какой – последним. Однако по условиям задачи пусть потокFбудет запускаться тем из перечисленных тредов, который завершается первым, но только после того, как завершатся два оставшихся треда, приходящие в «точку синхронизации». Наконец, пусть задачаGзапускается последним закончившим работу потоком Е или F.
Все указанные задачи создадим как потомки объекта TThread. Тексты всех программных модулей приведены в приложении А. Поскольку, согласно условию, действия, выполняемые задачами, для нас не имеют значения, представим исполняемую часть простейшим циклом с соответствующей задержкой. Для наглядности внутри цикла можно организовать вывод текущего состояния выполнения задачи в процентах на «строке состояния», для чего используем компонентTGauge. Благодаря тому, что все семь тредов похожи (используют одни и те же методы) и отличаются только в части принятия решения о синхронизации, опишем организацию базового объекта-треда.
Базовый объект (TTreadProgress) является потомком объектаTTread. При этом он имеет следующие поля:
имя треда;
строка состояния треда;
«длина» треда (время его работы в отсутствие конкурентов);
текущее состояние треда;
признак завершения треда;
имя запустившего треда;
строка для вывода сообщений в компонент TMemo.
В базовом объекте объявлены следующие процедуры:
исполняемая часть;
завершающая часть;
процедура прорисовки строки состояния;
процедура вывода сообщения;
конструктор объекта.
Все треды (от А до G) являются потомками этого объекта и перекрывают единственный метод – процедуру завершения процесса. В исполняемой части задачи после завершения цикла задержки, имитирующего выполнение полезной работы, устанавливается признак завершения и вызывается процедура завершения задачи, которая и выполняет соответствующие действия.
Общую схему работы программы, реализующей задание, можно описать следующим образом. Все задачи инициализируются соответствующей процедурой одновременно, но в режиме ожидания запуска. В качестве параметров инициализации в создаваемый поток передаются его имя, длительность и имя запускающего объекта (если оно известно заранее). Сразу после инициализации запускаются задачи А и В. Обе задачи сигнализируют об этом соответствующим сообщением. После своего завершения поток А запускает задачи (потоки) С, Dи Е. Далее всё идет в соответствии с заданной блок-схемой. Задача, запускающая другую задачу, передаёт ей свое имя, обращаясь непосредственно к полю этого объекта. Информацию о том, завершился тот или иной поток, можно получить, обратившись к соответствующему полю – признаку завершения задачи.
Естественно, что при подобной организации доступа к полям тредов вероятно возникновение разного рода критических ситуаций. Напомним, основная причина их возникновения заключена в том, что несколько задач (в нашем случае – потоков) реально имеют возможность обращения к общим ресурсам практически одновременно, то есть с таким интервалом времени, за который этот ресурс не успеет изменить своё состояние. В результате задачи могут получать некорректные значения, о чем мы уже немало говорили.
Каждый процесс имеет связь с так называемыми VCL-объектами – видимыми компонентами. В данном случае такими являются строка состояния TGaugeи поле сообщенийTMemo. Для того чтобы в процессе работы нескольких параллельно выполняющихся задач не возникало критических ситуаций с выводом информации на эти видимые на экране объекты, к ним необходимо обеспечить синхронизированный доступ. Это довольно легко достигается с помощью стандартного для объектаTThreadметодаSynchronize. Метод имеет в качестве параметра имя процедуры, в которой производится вывод на VCL-объекты. При этом сама эта процедура нигде в программе не должна вызываться напрямую без использования методаSynchronize. В нашей программе такими процедурами являются прорисовка строки состояния (DoVisualProgress) и вывод текстового сообщения (WriteToMemo). Подобное использование методаSynchronizeобеспечивает корректную работу нескольких параллельных процессов с VCL-объектами.
Однако метод Synchronizeне помогает в случае совместного доступа к другим общим ресурсам. Поэтому необходимо применять другие средства для организации взаимного исключения. Главная цель этих средств заключается в обеспечении монопольного доступа для каждой задачи к общим ресурсам, то есть пока один поток не закончил обращение к подобному ресурсу, другой не имеет право этот ресурс использовать.
В системе программирования Delphiдля этой цели имеется довольно-таки простой в использовании и достаточно эффективный метод критической секции с помощью объектаTCriticalSection. Этот метод заключается в следующем:
участок кода каждого потока, в котором производится обращение к общему ресурсу, заключается в «скобки» критической секции – используются методы EnterиLeave;
если какой-либо тред уже находится внутри критической секции, то другой поток, который дошел до «открывающей скобки» Enter, не имеет права входить в критическую секцию до тех пор, пока первый поток находится в ней. Когда первый тред выйдет из критической секции, второй сможет войти в неё и, в свою очередь, обратиться к критическому ресурсу.
Очевидно, что такой метод надежно обеспечивает задачам монопольный доступ к общим (критическим) ресурсам.
Метод критической секции имеет ряд преимуществ перед его аналогами. Так, например, использование семафоров (Semaphore) сложнее в реализации. Другой метод взаимных исключений –mutex– в целом похож на метод критической секции, но он требует больше системных ресурсов и имеет своё время тайм-аута, по истечении которого ожидающий процесс может всё-таки войти в защищённый блок, в то время как в критической секции подобного механизма нет.
Текст всей программы с необходимыми комментариями приведен в приложении А.