Тема 2.3 Планирование процессов

Процессы и потоки. Состояния процессов и потоков.

Понятия: задание, процесс, планирование процесса. Состояния существования процесса. Диспетчеризация процесса. Блок состояния процесса. Алгоритм диспетчеризации. Способ выбора процесса для диспетчеризации. Понятие события. Блок состояния события. Механизм установления соответствия между процессом и событием.

Планировщик!!!!!!! Понятие вычислительного процесса и ресурса.

Понятие процесса является одним из основных в современных операционных системах. Дадим несколько определений процесса (process), отражающих различ­ные стороны этого важного понятия:

• Процесс — это абстракция, описывающая выполняющуюся программу.

• Процесс— исполнение последовательности действий в среде, включаю­щей собственно выполняющуюся программу, а также связанных с ней данных и состояний (открытых файлов, текущего каталога и т. п.).

• С точки зрения операционной системы, процесс — единица работы, заяв­ка на потребление системных ресурсов.

• Процесс — объект, которому выделяется процессор.

Первое упоминание о процессе появилось в 60-е годы XX века в операци­онной системе MULTICS.

Если говорить о соотношении между процессом и программой, то справед­ливы следующие два утверждения:

• программа — это часть состояния процесса. С этой точки зрения про­цесс — нечто большее, чем просто программа;

• программа может вызывать более чем один процесс для выполнения ра­боты. С этой точки зрения программа — нечто большее, чем процесс.

Определение концепции процесса преследует цель выработать механизмы распределения и управления ресурсами. Понятие ресурса, так же как и понятие процесса, является одним из основных при рассмотрении ОС.

2. Основная ф-ция ос: Повышение эффективности использования компьютера за счет рационального управления его ресурсами.

Р есурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы.

Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов могут их использовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (в течении некоторого интервала времени процессы используют ресурс попеременно), а могут быть неделимыми

Рис. 1. Классификация ресурсов

При разработке первых систем ресурсами считались процессорное время, память, каналы ввода/вывода и периферийные устройства. Однако сегодня понятие ресурса стало более универсальным и общим. Оно превратилось в некоторую абстрактную структуру с целым рядом атрибутов, характеризующих способы доступа к этой структуре и ее физическое представление в системе

Современная операционная система поддерживает мультипрограммирование (многопроцессность) и старается эффективно использовать ресурсы пу­тем организации к ним очередей запросов, составляемых тем или иным способом. Это требование достигается поддерживанием в памяти более одного процесса, ожидающего процессор, и более одного процесса, готового использовать другие ресурсы, как только последние станут доступными. Общая схема выделения ре­сурсов такова. При необходимости использовать какой-либо ресурс (оператив­ную память, устройство ввода/вывода, массив данник и т. п.) задача обращается к супервизору операционной системы — ее центральному управляющему моду­лю, посредством специальных вызовов, команд, директив и сообщает о своем тре­бовании. При этом указывается вид ресурса и, если надо, его объем (например, количество адресуемых ячеек оперативной памяти, количество дорожек или сек­торов на системном диске, устройство печати и объем выводимых данных и т. п.). Директива обращения к операционной системе передает ей управление, перево­дя процессор в привилегированный режим, если такой существует. Не все вычислительные комплексы имеют два (и более), режима работы: привилегированный (режим супервизора), пользова­тельский, режим эмуляции какого-нибудь другой компьютера и т. д.

Ресурс может быть выделен задаче, обратившейся к супервизору с соответствую­щим запросом, если:

• он свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому же ресурсу;

• текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использование ресурсов;

• ресурс используется задачей низшего приоритета и может быть временно отобран (разделяемый ресурс).

Получив запрос, операционная система либо удовлетворяет его и возвращает управление задаче, выдавшей данный запрос, либо, если ресурс занят, ставит за­дачу в очередь; к ресурсу, переводя его в состояние ожидания (блокируя). Оче­редь к ресурсу может быть организована несколькими способами, но чаще всего это осуществляется с помощью списковой структуры.

После окончания работы с ресурсом задача опять с помощью специального вы­зова супервизора (посредством соответствующей директивы) сообщает операционной системе об отказе от ресурса, или операционная система забирает ресурс сама, если управление возвращается супервизору после выполнения какой-либо системной функции.

Для каждого вновь созданного процесса ОС генерирует информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресурсах и о фактически выделенных ему ресурсах. Важнейшей задачей ОС является защита ресурсов, выделенных данному процессу, от остальных процессов.

Адресное пространство процесса – совокупность всех областей оперативной памяти, выделенных ОС данному процессу.

Во время выполнения процесса может быть многократно прервана и продолжена его работа. Чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо возобновить состояние его операционной среды, которое идентифицируется состоянием регистров, программы-счётчика, режимом работы процессора, информацией о незавершённых операциях ввода-вывода и т.д. Совокупность этих сведений называется контекстом процесса. В ОС нет однозначного соответствия между процессами и программами, т.е. один программный файл может породить несколько параллельно выполняемых процессов, а процесс в ходе выполнения может сменить программный файл и начать выполнять другую программу. Основные задачи подсистемы управления процессами:

1. Планирование выполнения процессов;

2. Создание, уничтожение, возобновление, приостановление выполнения процессов;

Основные состояния процесса (рис. 2):

• на процессоре — активное состояние, в котором процесс обладает всеми необходимыми ресурсами, в том числе самим процессором;

• готовность — процесс находится в очереди на выполнение;

• ожидание — процесс ожидает завершение события (например, освобож­дения ресурса);

• остановлен — процесс остановлен, как правило, в отладочном режиме;

• создание — выполнение действий, необходимых для создания процесса;

• завершение — выполнение действий, связанных с успешным завершением процесса;

• зомби — процесс закончен, но предок не принял его завершения.

Рис. 2. Основные состояния процесса

При создании процесса должны быть выполнены следующие действия:

• присвоение процессу уникального номера (ID);

• добавление процесса в список процессов, известных системе;

• определение начального приоритета;

• формирование блока управления процессом;

• выделение необходимых ресурсов.

За время своего существования процесс может неоднократно совершать переход из одного состояния в другое.

Процесс из состояния бездействия может перейти в состояние готовности в следующих случаях:

• по команде пользователя. Имеет место в тех диалоговых операционных системах, где программа может иметь статус задачи, а не просто быть исполняемым файлом.

• при выборе из очереди планировщиком (характерно для операционных сис­тем, работающих в пакетном режиме);

• по вызову из другой задачи (посредством обращения к супервизору один процесс может создать, инициировать, приостановить, остановить, уничто­жить другой процесс);

• по прерыванию от внешнего инициативного устройства (сигнал о свершении некоторого события может запускать соответствующую задачу);

• при наступлении запланированного времени запуска программы.

Последние два способа запуска задачи, при которых процесс из состояния без­действия переходит в состояние готовности, характерны для операционных сис­тем реального времени.

Процесс, который может исполняться, как только ему будет предоставлен про­цессор, находится в состоянии готовности. Считается, что такому процессу уже выделены все необходимые ресурсы за исключением процессора.

Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих при­чин:

• процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору пе­редает управление операционной системе и сообщает о своем завершении. В результате этих действий супервизор либо переводит его в список бездей­ствующих процессов (процесс переходит в пассивное состояние), либо уничто­жает (уничтожается, естественно, не сама программа, а именно задача, которая соответствовала исполнению некоторой программы). В состояние бездействия процесс может быть переведен принудительно: по команде оператора (действие этой и других команд оператора реализуется системным процессом, кото­рый «транслирует» команду в запрос к супервизору с требованием перевести указанный процесс в состояние бездействия), или путем обращения к супер­визору операционной системы из другой задачи с требованием остановить данный процесс;

• процесс переводится супервизором операционной системы в состояние готов­ности к исполнению в связи с появлением более приоритетной задачи или в связи с окончанием выделенного ему кванта времени;

• процесс блокируется (переводится в состояние ожидания) либо вследствие запроса операции ввода/вывода (которая должна быть выполнена прежде, чем он сможет продолжить исполнение), либо в силу невозможности предо­ставить ему ресурс, запрошенный в настоящий момент (причиной перевода в состояние ожидания может быть и отсутствие сегмента или страницы в слу­чае организации механизмов виртуальной памяти), а также по команде оператора на приостановку задачи или по требованию через су­первизор от другой задачи.

При наступлении соответствующего события (завершилась операция ввода/вы­вода, освободился затребованный ресурс, в оперативную память загружена необ­ходимая страница виртуальной памяти и т. д.) процесс деблокируется и перево­дится в состояние готовности к исполнению.

Таким образом, движущей силой, меняющей состояния процессов, являются со­бытия. Один из основных видов событий — это прерывания.

Для того чтобы операционная система могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится специальная информационная структура, называемая дескрип­тором процесса (описателем задачи, блоком управления задачей). В общем слу­чае дескриптор процесса содержит следующую информацию:

• идентификатор процесса (так называемый PID — process identificator);

• тип (или класс) процесса, который определяет для супервизора некоторые пра­вила предоставления ресурсов;

• приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ре­сурсы. В рамках одного класса процессов в первую очередь обслуживаются более приоритетные процессы;

• переменную состояния, которая определяет, в каком состоянии находится процесс (готов к работе, в состоянии выполнения, ожидание устройства вво­да/вывода и т. д.);

• защищенную область памяти (или адрес такой зоны), в которой хранятся те­кущие значения регистров процессора, если процесс прерывается, не закон­чив работы. Эта информация называется контекстом задачи;

• информацию о ресурсах, которыми процесс владеет и/или имеет право пользоваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных операциях ввода/вывода и т.п.)

• место (или его адрес) для организации общения с другими процессами;

• параметры времени запуска;

• в случае отсутствия системы управления файлами – адрес задачи на диске в ее исходном состоянии и адрес на диске, куда она выгружается из оперативной памяти, если ее вытесняет другая.

Процессы делятся на традиционные (имеющие один поток управления) и многопоточные (многонитевые). Поток (нить) управления (thread) — исполнение команд программы в естест­венном порядке.

Многопоточность в рамках одного процесса имеет существенные преимуще­ства. Переключение контекста между двумя потоками в одном процессе значительно проще, чем переключение контекста между двумя процессами. Все данные, за исключением стека исполнения и содержимого регистров процессора, разделяются между потоками. Таким образом, многопоточность предоставляет эффективный параллелизм.

Можно указать целые классы программ, где необходима многопоточность:

• операционные системы;

• сетевые серверы;

• встроенные системы;

• вычислительные программы.

Об использовании потоков

Как правило, технику явного распараллеливания не следует использовать при прикладном программировании. Нужно переложить заботу о распараллелива­нии на компиляторы, возможно помогая ему директивами. Однако системному программисту знание и умение применять нити в своих программах необходимо.

Многие операционные системы, ориентированные на рабочие станции и персональные компьютеры, начиная с середины 80-х годов XX века, включают поддержку многопоточности. Впервые стандарт на потоки появился в 1995 году. Это был стандарт IEEE POSIX 1003.1с-1995. Однако стандарт появился достаточно поздно, и некоторые компании успели выпустить свои версии многопоточных библиотек, существенно отличающихся от стандарта. Можно выделить следующие основные семейства потоков:

1. Потоки, поддерживающие стиль POSIX-стандарта. Это семейство состоит из трех подгрупп:

• "истинные" POSIX-потоки. Это потоки, базирующиеся на стандарте IEEE POSIX 1003.1с-1995 (также известного как ISO/IEC 9945-1:1996), являющегося частью стандарта ANSI/IEEE 1003.1;

• DCE-потоки, базирующиеся на ранней версии стандарта POSIX — 1003.1;

• Unix International потоки, также известные как Solaris-потоки. Они достаточно близки к стандарту и поддерживаются в операционных системах Solaris компании Sun Microsystems и UnixWare 2 компании SCO;

2. Потоки Microsoft. Это семейство состоит из двух подгрупп, причем обе разработаны в компании Microsoft:

• потоки WIN32, являющиеся стандартными для семейства операцион­ных систем Windows, включая Windows 2000, Windows 95, Windows 98, Windows ME и Windows СЕ;

• потоки OS/2, являющиеся стандартными для операционной системы OS/2 компании IBM.

3. Другие варианты потоков. Их не так много. Отдельного упоминания за­служивает лишь пакет С threads, имеющийся в операционной системе Маch.

Различные семейства предлагают различный синтаксис основных функций потоковых библиотек. Основными группами функций являются: функции создания потоков и функции синхронизации потоков (как правило, набор таких функций достаточно богат и разнообразен).

Контрольные вопросы: .В чем состоит принципиальное отличие состояний «ожидания» и «готовности» потока, ведь и в том и в другом он ожидает некоторого события? Мультипрограммные операционные системы принято разделять на системы реального времени, системы разделения времени, системы пакетной обработки. С другой стороны, алгоритмы планирования могут быть основаны на квантовании, относительных приоритетах, абсолютных приоритетах. Предложите для каждого из перечисленных типов ОС наиболее подходящий, по вашему мнению, тип алгоритма планирования. В какой очереди (ожидающих или готовых) скапливается большее число процессов: A) в интерактивных системах разделения времени; B) в системах пакетной обработки, решающих «счетные» задачи. Ответ: А — в очереди процессов, ожидающих ввода-вывода; В — в очереди готовых процессов. Что такое вектор прерываний?

Домашнее задание: 1. Конспект лекций 2. В ТЕТРАДИ ВЫПИСАТЬ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

Лекция 10 (2/20)

Проверка Д/З:

1). У 3 чел. Проверить конспекты 2). 3 чел. спросить по предыдущему (см. выше)

Алгоритмы планирования