Деревянко А.С., Солощук М.Н. Операционные системы.Часть I. Построение и функционирование операционных систем

Подождите немного. Документ загружается.

передача управления между модулями ОС выполняется просто командами

типа CALL. Во втором случае каждый модуль представляется в виде

отдельного процесса (процесса ядра), и передача управления

сопровождается переключением процессов. Хотя во втором случае

передача управления занимает больше времени, такой подход

обеспечивает, во-первых, лучшую защиту ресурсов, используемых и

управляемых ОС, а во-вторых, делает модульную структуру ОС более

гибкой. Архитектура процессов ядра может совмещаться с архитектурой

иерархии абстрактных машин: каждый уровень иерархии обеспечивается

своим набором процессов ядра. Промежуточным случаем является подход,

характерный, например, для ОС Unix: обращение процесса к ОС вызывает

переключение контекста на ядро, но не переключение процессов, то есть

модули ядра выполняются в контексте вызвавшего их процесса. В тех ОС,

в которых отношения между процессами строятся по схеме "предок–

потомок", иерархия может непосредственно отображаться в "родственных

отношениях" процессов. Что касается процедурной архитектуры, то такие

отношения в ней естественным образом отображается на вложенности

вызовов процедур.

Оформление модулей ОС непосредственно связано с проблемой

управления ресурсами, особенно ресурсами разделяемыми. В случае

процедурного оформления управление каждым видом (классом) ресурса

выполняется отдельной процедурой-монитором. Монитор является

процедурой, используемой всеми функционирующими в системе

процессами, и процедура эта всегда выполняется в контексте вызвавшего

ее процесса. Структура монитора предотвращает конфликты при

одновременном обращении к нему двух или более процессов. При

оформлении модулей ОС в виде процессов ядра каждый ресурс

обслуживается своим процессом-менеджером. Доступ к ресурсу из любого

другого процесса выполняется через обращение к менеджеру и

переключение в контекст менеджера.

Еще один важный вопрос организация взаимодействия между

модулями, и здесь можно выделить две модели [19]: интерфейс процедур и

интерфейс сообщений. Интерфейс процедур подразумевает

непосредственное обращение вызывающего модуля к вызываемому,

подобное обращению к подпрограмме в языках программирования.

Обращение может быть либо, действительно, обращением к процедуре

(команда CALL), либо сводиться к прерыванию и переключению

процессов. Модель интерфейса процедур синхронная, то есть как и при

вызове подпрограммы, выполнение вызывающего модуля

приостанавливается до получения результата вызова. Эта модель может

быть построена как на базе процедурных модулей ОС, так и на базе

модулей-процессов. Другая модель обеспечивает взаимодействие

процессов через единый системный механизм очередей. Процесс-клиент (в

этой модели модули ОС должны быть именно процессами) оформляет

свой запрос в виде сообщения и отправляет его процессу-серверу.

Процесс-сервер получает сообщение из своей входной очереди, выполняет

содержащийся в сообщении запрос и отправляет результат в виде

сообщения процессу-клиенту. Процесс-клиент после отправки своего

сообщения может либо продолжать выполняться, либо ожидать прихода

ответного сообщения. Взаимодействие процессов, таким образом,

происходит асинхронно.

Подходы, которые выбирают в современных ОС, в значительной

степени определяются их назначением. Однопользовательские ОС

стремятся в максимальной степени повысить быстродействие выполнения

приложений. Хотя в сверхвысоком быстродействии зачастую нет

функциональной необходимости, оно является существенным фактором в

конкурентной борьбе. Поэтому в таких ОС проявляется тенденция к

предельной минимизации числа переключений процессов и к выполнению

системных вызовов в контексте процесса пользователя. Отсюда –

процедурная форма модулей ядра, мониторное управление ресурсами,

процедурная модель взаимодействия. С другой стороны,

многопользовательские ОС, как правило, представляют модули ядра в виде

процессов-менеджеров ресурсов и для взаимодействия между ними

предпочтение отдается модели сообщений. Это обеспечивает значительно

лучшую защиту ресурсов, особенно в среде с высоким уровнем

мультипрограммирования.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Один из авторов заявляет, что не может дать определения ОС,

но сразу узнает ОС, если ее увидит. В чем, по-вашему, состоит

ошибочность такого утверждения?

2. Прокомментируйте примечания 1-3 к определению ОС,

данному в разделе 1.1. Покажите их отображения на реальные ОС.

3. Дайте определение пакетному и интерактивному режимам

функционирования ОС. Какой из режимов представляется вам более

полезным?

4. В чем сходство работы многопользовательской интерактивной

ОС с ОС-сервером? В чем их различия?

5. Каковы достоинства и недостатки изоляции пользователя от

реальных ресурсов?

6. Назовите основные состояния процесса в системе и

охарактеризуйте переходы между ними. Какие состояния вы считаете

необязательными?

7. Почему ОС, называемые объектно-ориентированными,

правильнее называть объектно-базированными?

8. Назовите общие черты архитектурных концепций микроядра,

виртуальной машины и иерархической ОС. В чем различия между ними?

9. В чем достоинства архитектуры микроядра? Почему

разработчики стремятся минимизировать объем микроядра?

10. Сравните способы обращения процесса к ОС: через вызов

процедур и через прерывания. В чем достоинства и недостатки этих

способов?

ГЛАВА 2. ПЛАНИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

В предыдущей главе мы определили три уровня планирования,

теперь остановимся более подробно на стратегиях или дисциплинах

планирования. Многие дисциплины применимы на любых уровнях

планирования, но мы сосредоточимся, прежде всего, на планировании

краткосрочном или планировании процессорного времени. Процессорное

время является ключевым ресурсом любой вычислительной системы и

наличие или отсутствие этого ресурса в распоряжении процесса отличает

активное состояние процесса от остальных его состояний. Дисциплины

распределения этого ресурса в значительной степени определяют

эффективность функционирования всей системы в целом.

2.1. Дисциплины планирования – требования, показатели,

классификация

В общем случае планирование (на любом уровне) может быть

представлено как система массового обслуживания, показанная на рисунке

2.1. Применительно к планированию процессорного времени компоненты

этой системы могут быть интерпретированы следующим образом: заявкой

является процесс, обслуживающим прибором – центральный процессор

(ЦП), очередь заявок – это очередь готовых процессов. Процессы-заявки

поступают в очередь, при освобождении ЦП один процесс выбирается из

очереди и обслуживается в ЦП. Обслуживание может быть прервано по

следующим причинам:

• выполнение процесса завершилось;

• процесс запросил выполнение операции, требующей ожидания

какого-либо другого ресурса;

• выполнение прервано системой.

Рисунок2.1 Представление планирования процессов в виде системы массового

обслуживания

Первые два случая с точки зрения системы массового обслуживания

одинаковы: в любом случае процесс выходит из данной системы. Если

процесс не завершился, то после получения запрошенного ресурса процесс

вновь поступит во входную очередь. В случае прерывания процесса по

инициативе системы прерванный (вытесненный) процесс поступает во

входную очередь сразу же. Порядок обслуживания входной очереди,

очередность выбора из нее заявок на обслуживания и составляет

дисциплину или стратегию планирования. Методы теории массового

обслуживания применяются для аналитического моделирования процесса

планирования, хотя формальному анализу поддаются только простейшие

дисциплины (см., например, [16]).

Для оценки эффективности функционирования данной системы

массового обслуживания могут быть применены количественные

показатели. Обозначим через t – процессорное время, необходимое

процессу для выполнения (будем его называть длительностью процесса).

Обозначим через T – общее время пребывания процесса в системе. Эту

величину – интервал между моментом ввода процесса в систему и

моментом получения результатов – также называют иногда временем

реакции процесса. Наряду с временем реакции могут быть полезны также

и другие показатели.

Потерянное время

M = T - t;

определяет время, в течение которого процесс находился в системе, но не

выполнялся.

Отношение реактивности

R = t / T;

показывает долю процессорного времени (времени выполнения) или долю

потерянного времени в общем времени реакции.

Штрафное отношение

P = T / t;

показывает, во сколько раз общее время выполнения процесса превышает

необходимое процессорное время.

Средние значения величин T, M, R и P могут служить

количественными показателями эффективности. Реальные системы, как

правило, ориентированы на конкретные характеристики процессов, в

частности, на определенные диапазоны значений t, поэтому указанные

показатели удобно рассматривать как функции длительности процесcа:

T(t), M(t), R(t), P(t).

К дисциплине планирования в общем случае может применяться

широкий спектр требований, наиболее существенные из которых

следующие:

• дисциплина должна быть справедливой – она не должна давать

преимуществ одним процессам за счет других и ни в коем случае не

должна допускать бесконечного откладывания процессов;

• дисциплина должна обеспечивать максимальную пропускную

способность системы – выполнение максимального количества единиц

работы (процессов) в единицу времени;

• дисциплина должна обеспечивать приемлемое время реакции для

интерактивных пользователей;

• дисциплина должна обеспечивать гарантированное время реакции для

процессов реального времени;

• дисциплина должна быть предсказуемой – дисперсия времен

выполнения процессов, обладающих одинаковыми характеристиками,

должна быть минимальной;

• дисциплина должна учитывать внешние приоритеты, присваиваемые

процессам пользователями и/или администратором системы;

• накладные расходы по реализации дисциплины (затраты процессорного

времени и других ресурсов) должны быть минимизированы;

• дисциплина должна учитывать комплексное использование ресурсов

вычислительной системы, обеспечивая высокую загрузку системы в

целом и рациональное использование ключевых ресурсов.

Очевидно, что выполнение всех перечисленных требований в

одинаковой степени невозможно, так как некоторые из них противоречат

друг другу. В конкретных системах те или иные требования выдвигаются

на передний план – в зависимости от задач системы и характеристик

выполняемых в ней процессов, возможно и выдвижение на первый план

новых требований, не упомянутых в нашем списке.

В большинстве случаев рассмотрение оценок эффективности

планирования процессорного времени производится при условии одного

существенного допущения: не принимаются во внимание другие уровни

планирования. Выполнение реального процесса состоит из выполнения

программы в ЦП и операций ввода-вывода. Последние, во-первых,

занимают значительно больше времени (но не времени процессорного), во-

вторых, могут включать в себя ожидание ресурсов ввода-вывода. Реальные

процессы могут быть классифицированы как вычислительные или

обменные. Первые состоят в основном из вычислений в ЦП, вторые –

содержат большое количество обращений к вводу-выводу. Оценки

эффективности планирования процессорного времени выполняются в

предположении, что все процессы относятся к вычислительному типу.

Обменные процессы могут быть приведены к этой модели путем

представления каждой последовательности процессорных команд между

двумя операциями ввода-вывода как отдельного процесса

вычислительного типа. Для систем, требующих комплексного

сбалансированного управления ресурсами, стратегия затем расширяется

учетом факторов, определяемых другими ресурсами.

С точки зрения реализации дисциплины планирования

подразделяются, прежде всего, на дисциплины вытесняющие (preemptive)

и невытесняющие (non-preemptive), иначе – кооперативные (cooperative).

Для первых возможно прерывание активного процесса и лишение его

ресурса ЦП по инициативе планировщика, для вторых – нет. Дисциплины

с вытеснением выполняют более частые переключения процессов,

следовательно, имеют большие накладные расходы. Но в большинстве

случаев только дисциплины с вытеснением могут обеспечить требуемые

показатели справедливости обслуживания.

Другие размерности классификации дисциплин связаны со

способами определения и реализации приоритетов процессов. Различают

приоритеты:

• внешние или внутренние – первые назначаются администратором

системы или пользователем, вторые определяются самой системой по

характеристикам процесса;

• статические или динамические – первые определяются при

поступлении процесса в систему и не изменяются впоследствии, вторые

перевычисляются планировщиком периодически или/и при событиях,

влияющих на планирование процессов;

• абсолютные или относительные – в абсолютных к выполнению

допускается только процессы, имеющие наивысший приоритет, в

относительных допускается планирование на выполнение и

низкоприоритетных процессов.

Еще одной важной с точки зрения реализации характеристикой

дисциплины планирования является объем априорной информации о

процессе, необходимой планировщику. Если дисциплина не учитывает

использование других ресурсов, кроме ЦП, то такой информацией может

быть длительность процесса, так как показатели эффективности являются

функциями именно этого аргумента. Если дисциплина использует

комплексные приоритеты, то может появиться необходимость и в другой

априорной информации. При наличии априорной информации появляется

возможность более эффективной реализации, но обязанность подготовки

такой информации возлагается на пользователя-владельца процесса, что

снижает удобства применения системы. Для процессов, не являющихся

чисто счетными, информация, логически эквивалентная априорной, может

быть получена методами экстраполяции: на основании предшествовавшего

поведения процесса делается предположение о его последующем

поведении, например, так, как описано ниже.

Пусть процесс использовал S единиц времени ЦП до перехода в

ожидание ввода-вывода. Тогда прогноз на следующий интервал времени

ЦП, который понадобится процессу, может быть сделан так:

E' = W1 * E + W2 * S,

где E – прогноз, сделанный на предыдущем интервале для текущего

интервала, W1 и W2 – весовые коэффициенты, подбираемые так, что

W1 + W2 = 1.

При изменении соотношения весовых коэффициентов в сторону

увеличения W2 прогноз становится более реактивным (более

чувствительным к изменению поведения процесса), в обратную сторону –

более инерционным.

2.2. Базовые дисциплины планирования

Ниже приводятся описания некоторых базовых дисциплин

планирования. Эти дисциплины достаточно просты в реализации и хорошо

исследованы методами как аналитического (например, [16]), так и

имитационного (например, [36]) моделирования. Мы называем их

базовыми, поскольку в реальных системах они служат основой для

построения более сложных и гибких модификаций и комбинаций, для

которых аналитические модели построить, как правило, невозможно.

FCFS (first come – first serve; первым пришел – первым

обслуживается) – простейшая дисциплина, работа которой понятна из ее

названия. Это дисциплина без вытеснения, то есть процесс, выбранный для

выполнения на ЦП, не прерывается, пока не завершится (или не перейдет в

состояние ожидания по собственной инициативе). Как дисциплина без

вытеснения FCFS обеспечивает минимум накладных расходов. Среднее

потерянное время при применении этой дисциплины не зависит от

длительности процесса, но штрафное отношение при равном потерянном

времени будет большим для коротких процессов. Поэтому дисциплина

FCFS считается лучшей для длинных процессов. Существенным

достоинством этой дисциплины наряду с ее простотой является то

обстоятельство, что FCFS гарантирует отсутствие бесконечного