- •1. Предназначение операционных систем. Основные понятия ос. (Лекция 1)
- •2. Системные вызовы. (Лекция 1)
- •3. Аппаратные особенности выполнения программ. (Лекция 1)
- •4. Аппаратные прерывания. Выполнение операций ввода/вывода. (Лекция 1)
- •5. Обработка прерываний в Windows. (Лекция 1)
- •6. Процессы и потоки (определения). Отличия методов klt и ult. (Лекция 2)
- •7. Состояния потока (модели с двумя и с пятью состояниями). (Лекция 2)
- •8. Планирование процессов (потоков). (Лекция 2)
- •9. Состояние потоков в Windows. (Лекция 3)
- •10. Уровни приоритета, квант потока в Windows. (Лекция 3)
- •11. Сценарии планирования потоков в Windows. (Лекция 3)
- •12. Динамическое управление приоритетом потоков в Windows. (Лекция 3)
- •13. Проблема переключения контекста. Виртуальная память процесса в Windows. (Лекция 3)
- •14. Проблема разделяемых ресурсов. Требования к реализации механизма взаимных исключений. (Лекция 4)
- •15. Взаимное исключение с активным ожиданием. Алгоритмы переменной-замка, строгого чередования, флагов готовности, Петерсона. (Лекция 4)
- •16. Взаимное искл. С активным ожиданием. Алгоритм Петерсона. Недост. Алгоритмов с активным ожиданием. (Лекция 4)
- •17. Решение задачи о производителях и потребителях с помощью примитивов (функций ядра) блокирования и запуска процессов. (Лекция 4)
- •18. Семафоры и мьютексы. (Лекция 5)
- •19. Применение семафоров и мьютексов в задаче о производителях и потребителях. (Лекция 5)
- •20. Передача данных как метод синхронизации. (Лекция 5)
- •2 1. Применение сообщений в задаче о производителях и потребителях. (Лекция 5)
- •22. Проблема взаимоблокировки, траектории ресурсов, граф распределения. Стратегии устранения взаимоблокировок. (л6)
- •23. Алгоритм поиска взаимоблокировок. (Лекция 6)
- •24. Алгоритм предотвращения взаимоблокировок. (Лекция 6)
- •25. Восстановление при взаимной блокировке. Исключение условий появления взаимоблокировок. (Лекция 6)
- •26. Проблемы управления оперативной памятью. Физическая и логическая адресация. (Лекция 7)
- •27. Сегментная логическая адресация. (Лекция 7)
- •28. Страничная логическая адресация. (Лекция 7)
- •29. Распределение физической памяти. (Лекция 7)
- •30. Страничная логическая адресация. Виртуальная память. (Лекция 7)
- •31. Управление памятью: Стратегии виртуальной памяти. Замещение страниц. (Лекция 7)
- •32. Управление памятью: Управление резидентным множеством. (Лекция 7)
- •33. Принципы организации ввода-вывода. Компоненты ядра Windows, относящиеся к вводу-выводу. (Лекция 8)
- •34. Функции базовой подсистемы и интерфейс драйверов. (Лекция 8)
- •35. Буферизация ввода-вывода. (Лекция 8)
- •36. Система ввода-вывода Windows. (Лекция 8)
- •37. Типы драйверов. Запрос к одноуровневому и многоуровневому драйверу. (Лекция 9)
- •38. Системные механизмы dpc и apc. (Лекция 9)
- •39. Объекты ввода-вывода. Связи между объектами "файл", "устройство" и "драйвер". (Лекция 9)
- •40. Дерево устройств, узлы устройств. (Лекция 9)
- •41. Стек драйверов и объектов ввода-вывода (на примере устройства "джойстик")
- •42. Файлы и каталоги. Жесткие и символьные ссылки. Общие сведения о размещении файловой системы на диске. (Лек 10)
- •43. Реализация файла (непрерывные файлы, связные списки, I-узел). Методы учета свободных блоков.. (Лекция 10)
- •44. Основы резервного копирования (основные режимы резервного копирования). (Лекция 10)
- •45. Основы технологии raid. (Лекция 10)
- •46. Дисковые массивы raid0, raid1, raid10. (Лекция 10)
- •47. Дисковые массивы raid3, raid5. (Лекция 10)
- •48. Общая дисковая структура ntfs. (Лекция 11)
- •49. Запись mft файловой системы ntfs. Атрибуты. (Лекция 11)
- •50. Структура атрибутов данных и индексов в ntfs. (Лекция 11)
- •51. Разреженные и сжатые файлы ntfs. (Лекция 11)
- •52. Проблемы надежности и производительности файловых систем. Метод опережающего протоколирования. (Лекция 11)
- •53. Журнал lfs (структура, типы записей) для протоколирования работы ntfs. (Лекция 11)
- •54. Восстановление ntfs. Повтор и отмена транзакций. (Лекция 11)
- •55. Локальный и удаленный драйверы файловой системы Windows. (Лекция 12)
- •56. Преобразование пути в обращение к драйверу файловой системы в Windows. Объекты «устройство» тома и файловой системы, их связь. (Лекция 12)
- •5 7. Компоненты операций ввода-вывода файловой системы Windows. (Лекция 12)
- •58. Обзор диспетчера кэша Windows. (Лекция 12)
- •59. Внешняя память в Windows. Базовый жесткий диск. (Лекция 12)
- •60. Динамические диски в Windows. (Лекция 12)
- •61. Драйверы дисков, объекты дисков, иерархия драйверов в Windows. (Лекция 12)
- •62. Присвоение имен устройствам, управление дисками в Windows. (Лекция 12)
- •64. Сетевые компоненты Windows. (Лекция 13)
- •65. Именованные каналы, почтовые ящики, cifs в Windows. (Лекция 13)
- •66. Сетевые api Winsock и rpc в Windows. (Лекция 13)
- •67. Поддержка сетей в Windows: стандарты tdi, ndis. (Лекция 13)
- •68. Участник системы безопасности, проверка подлинности и авторизация, структура идентификатора безопасности в Windows. (Лекция 14)
- •69. Маркер доступа и его формирование в Windows. (Лекция 14)
- •Составляющие маркера доступа:
- •70. Дескриптор безопасности ресурса, состав ace, наследование доступов в Windows. (Лекция 14)
- •71. Доступ к ресурсу с использованием маркера в Windows. (Лекция 14)
- •72. Разрешения в дескрипторах безопасности Windows. (Лекция 14)
- •73. Права пользователя, взаимодействие прав и разрешений в Windows. (Лекция 14)
- •74. Группы безопасности и их роль, механизм управления правами и разрешениями в Windows. (Лекция 14)
15. Взаимное исключение с активным ожиданием. Алгоритмы переменной-замка, строгого чередования, флагов готовности, Петерсона. (Лекция 4)
Взаимное исключение (mutual exclusion) – необходимость использования разделяемого (критического) ресурса только одним процессом в каждый момент времени. Критическая область, или секция, – часть программы, в которой есть обращение к совместно используемым данным.
Активное ожидание (busy waiting) – исполнение цикла в ожидании наступления события (освобождения ресурса).
Блокировка процессов на основе активного ожидания – спин-блокировка. Применяется в ядре ОС.
Основное допущение: в момент выполнения оператора вытеснение потока не происходит (атомарность).
Способы реализации взаимного исключения с целью избежать вмешательства в критическую область одного процесса при нахождении там другого и связанных с этим проблем:
- запрещение прерывания – самое простое решение. Запрещение всех прерываний при входе процессоров в критическую область и разрешение прерываний по выходе из области. Это решение нецелесообразно. Если все прерывания отключились и возник какой-то сбой, ОС закончит свое существование. Если система многопроцессорная, второй процессор все равно может зайти в критическую область.
- переменные блокировки.
- строгое чередование.
- алгоритм Петерсона.
- команда TSL (Test and Set Lock – проверить и заблокировать). Это решение требует участия аппаратного обеспечения. Многие компьютеры имеют команду: TSL RX, LOCK. В регистр RX считывается содержимое слова памяти LOCK, в ячейке памяти LOCK сохраняется некоторое ненулевое значение. Операция считывания слова неделима. Процессор, выполняющий команду TSL, блокирует шину памяти, чтобы остальные процессоры, если они есть, не могли обратиться к памяти.
Переменная-замок (блокировки): Реализация взаимного исключения: нет при одновременном входе в секцию
Взаимное блокирование: нет
Препятствие входу: никогда
Возьмем некоторую переменную, доступную всем процессам, с начальным значением равным 0. Процесс может войти в критическую секцию только тогда, когда значение этой переменной-замка равно 0, одновременно изменяя ее значение на 1 – закрывая замок. При выходе из критической секции процесс сбрасывает ее значение в 0 – замок. Тут также может возникнуть состояние состязания, когда два процесса одновременно считывают переменную блокировки, когда она равна 0 и оба входят в критическую область.
shared int lock = 0;
/* shared означает, что переменная является разделяемой */
while (some condition) {
while(lock); lock = 1;
critical section
lock = 0;
remainder section}
Но такое решение не удовлетворяет условию взаимоисключения, так как действие while(lock); lock = 1; не является атомарным. Допустим, процесс P0 протестировал значение переменной lock и принял решение двигаться дальше. В этот момент, еще до присвоения переменной lock значения 1, планировщик передал управление процессу P1. Он тоже изучает содержимое переменной lock и тоже принимает решение войти в критический участок. Мы получаем два процесса, одновременно выполняющих свои критические секции.
С трогое чередование: Переменная отслеживает, чья очередь входить в критическую область. Постоянная проверка значения переменной в ожидании некоторого значения называется активным ожиданием, которое используется только при уверенности в небольшом времени ожидания. «–»: если один процесс существенно медленнее другого, то может возникнуть ситуация, когда оба процесса находятся вне критической области, однако один процесс блокирован, ожидая, пока другой войдет в критическую область.
Недостатки метода: Заблокированный процесс постоянно находится в цикле, проверяя, не изменилась ли переменная. Противоречит условию, когда процесс, находящийся вне критической области, может блокировать другие процессы.
Строгое чередование также использует общую для 2х процессов переменную с начальным значением 0. Она будет играть не роль замка для критического участка, а явно указывать, кто может следующим войти в него. Для i-го процесса это так:
shared int turn = 0;
while (some condition) {
while(turn != i);
critical section
turn = 1-i;
remainder section }
Взаимоисключение гарантируется, процессы входят в критическую секцию строго по очереди: P0, P1, P0, P1, P0, но алгоритм не удовлетворяет условию прогресса. Например, если значение turn равно 1, и процесс P0 готов войти в критический участок, он не может сделать этого, даже если процесс P1 нах-ся в remainder section.
Флаги готовности:
Недостаток строгого чередования заключается в том, что процессы ничего не знают о состоянии друг друга в текущий момент времени. Пусть два процесса имеют разделяемый массив флагов готовности входа процессов в критический участок
shared int ready[2] = {0, 0};
Когда i-й процесс готов войти в критическую секцию, он присваивает элементу массива ready[i] значение равное 1. После выхода из критической секции он, естественно, сбрасывает это значение в 0. Процесс не входит в критическую секцию, если другой процесс уже готов к входу в критическую секцию или находится в ней.
while (some condition) {
ready[i] = 1;
while(ready[1-i]);
critical section
ready[i] = 0;
remainder section
}
Полученный алгоритм обеспечивает взаимоисключение, позволяет процессу, готовому к входу в критический участок, войти в него сразу после завершения эпилога в другом процессе, но все равно нарушает условие прогресса. Пусть процессы практически одновременно подошли к выполнению пролога. После выполнения присваивания ready[0]=1 планировщик передал процессор от процесса 0 процессу 1, который также выполнил присваивание ready[1]=1. После этого оба процесса бесконечно долго ждут друг друга на входе в критическую секцию. Возникает ситуация, которую принято называть тупиковой (deadlock).
Алгоритм Петерсона: программный алгоритм взаимного исключения потоков исполнения кода. Перед тем как начать исполнение критической секции кода (т.е. кода, обращающегося к защищаемым совместно используемым ресурсам), поток должен вызвать специальную процедуру (EnterRegion) со своим номером в качестве параметра. Она должна организовать ожидание потока своей очереди входа в критическую секцию. После исполнения критической секции и выхода из нее, поток вызывает другую процедуру (LeaveRegion), после чего уже другие потоки смогут войти в критическую область.
Первое решение проблемы, удовлетворяющее всем требованиям и использующее идеи ранее рассмотренных алгоритмов. Пусть оба процесса имеют доступ к массиву флагов готовности и к переменной очередности.
bool interested[2];
int turn;
void EnterRegion(int threadId)
{ int other = 1 - threadId; // Идентификатор второго потока
interested[threadId] = true; // Индикатор интереса текущего потока
turn = other; // Флаг очереди исполнения
/* Цикл ожидания, мы находимся в этом цикле, если второй процесс выполняет свою
критическую секцию. Как второй процесс выйдет из критической секции, выполнится
процедура LeaveRegion(int threadId), флаг заинтересованности (interested[other])
станет равен false, и цикл закончится. */
while( turn == other && interested[other] );}
void LeaveRegion(int threadId)
{interested[threadId] = false;}
Потоки вызывают EnterRegion последовательно: Поток с номером 0 вызывает EnterRegion, задавая этим индикатор своей «заинтересованности», устанавливая флаг очереди так, чтобы уступить очередь исполнения потоку номер 1. Поскольку последний пока еще не «заинтересован» в попадании в критическую область, выполнение сразу же возвращается из EnterRegion, и поток 0 входит в нее. Теперь EnterRegion вызывается потоком 1, для которого также выполняются описанные выше действия. Но так как поток 0 все еще «заинтересован» (interested[0] == true), выполнение остается в EnterRegion - поток 1 в ожидании (повторение инструкции для цикла 'while'). Как только поток 0 вызывает LeaveRegion и сбрасывает флаг своей «заинтересованности», поток 1 входит в критическую область и в конце сам вызывает LeaveRegion.
Потоки вызывают EnterRegion почти одновременно: Потоки почти одновременно вызывают EnterRegion, устанавливая тем самым флаг своей «заинтересованности» и уступая очередь выполнения конкурирующему потоку посредством установки значения переменной turn. Поскольку последним это делает поток 1, ему уже придется ждать в цикле, в то время как поток 0 беспрепятственно входит в критическую область кода. Ожидание потока 1 выражено повторением инструкции while для цикла ожидания. После того, как поток 0 выходит из критической области и сбрасывает флаг своей «заинтересованности», поток 1 продолжает свое исполнение и в конце сам сбрасывает соответствующий флаг вызовом LeaveRegion.