Ответы1

20.

Многозада́чность (англ. multitasking) — свойство операционной системы или среды выполнения обеспечивать возможность параллельной (или псевдопараллельной) обработки нескольких процессов. Истинная многозадачность операционной системы возможна только в распределённых вычислительных системах.

Существует 2 типа многозадачности[1]:

Процессная многозадачность (основанная на процессах — одновременно выполняющихся программах). Здесь программа — наименьший элемент управляемого кода, которым может управлять планировщик операционной системы. Более известна большинству пользователей (работа в текстовом редакторе и прослушивание музыки).

Поточная многозадачность (основанная на потоках). Наименьший элемент управляемого кода — поток (одна программа может выполнять 2 и более задачи одновременно).

Многопоточность — специализированная форма многозадачности

Разделение времени и многозадачность

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ. Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких, как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие, как массивные вычисления) — в пакетном режиме.

Реальный масштаб времени

Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») — синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.

Включение функции реального масштаба времени в ОС позволило создавать системы, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и (или) в режиме разделения времени).

Такие операционные системы получили название Операционные системы с планированием в реальном масштабе времени или сокращенно ОСРВ.

21.

Многоразовые операции

Одноразовые операции приводят к изменению количества процессов, находящихся под управлением операционной системы, и всегда связаны с выделением или освобождением определенных ресурсов. Многоразовые операции, напротив, не приводят к изменению количества процессов в операционной системе и не обязаны быть связанными с выделением или освобождением ресурсов.

В этом разделе мы кратко опишем действия, которые производит операционная система при выполнении многоразовых операций над процессами. Более подробно эти действия будут рассмотрены далее в соответствующих лекциях.

Запуск процесса. Из числа процессов, находящихся в состоянии готовность, операционная система выбирает один процесс для последующего исполнения. Критерии и алгоритмы такого выбора будут подробно рассмотрены в лекции 3 – "Планирование процессов ". Для избранного процесса операционная система обеспечивает наличие в оперативной памяти информации, необходимой для его дальнейшего выполнения. То, как она это делает, будет в деталях описано в лекциях 8-10. Далее состояние процесса изменяется на исполнение , восстанавливаются значения регистров для данного процесса и управление передается команде, на которую указывает счетчик команд процесса. Все данные, необходимые для восстановления контекста, извлекаются из PCB процесса, над которым совершается операция.

Приостановка процесса. Работа процесса, находящегося в состоянии исполнение, приостанавливается в результате какого-либо прерывания. Процессор автоматически сохраняет счетчик команд и, возможно, один или несколько регистров в стеке исполняемого процесса, а затем передает управление по специальному адресу обработки данного прерывания. На этом деятельность hardware по обработке прерывания завершается. По указанному адресу обычно располагается одна из частей операционной системы. Она сохраняет динамическую часть системного и регистрового контекстов процесса в его PCB, переводит процесс в состояние готовность и приступает к обработке прерывания, то есть к выполнению определенных действий, связанных с возникшим прерыванием.

Блокирование процесса. Процесс блокируется, когда он не может продолжать работу, не дождавшись возникновения какого-либо события в вычислительной системе. Для этого он обращается к операционной системе с помощью определенного системного вызова. Операционная система обрабатывает системный вызов (инициализирует операцию ввода-вывода, добавляет процесс в очередь процессов, дожидающихся освобождения устройства или возникновения события, и т. д.) и, при необходимости сохранив нужную часть контекста процесса в его PCB, переводит процесс из состояния исполнение в состояние ожидание . Подробнее эта операция будет рассматриваться в лекции 13.

Разблокирование процесса. После возникновения в системе какого-либо события операционной системе нужно точно определить, какое именно событие произошло. Затем операционная система проверяет, находился ли некоторый процесс в состоянии ожидание для данного события, и если находился, переводит его в состояние готовность, выполняя необходимые действия, связанные с наступлением события (инициализация операции ввода-вывода для очередного ожидающего процесса и т. п.). Эта операция, как и операция блокирования, будет подробно описана в лекции 13.

Переключение контекста

До сих пор мы рассматривали операции над процессами изолированно, независимо друг от друга. В действительности же деятельность мультипрограммной операционной системы состоит из цепочек операций, выполняемых над различными процессами, и сопровождается переключением процессора с одного процесса на другой.

Давайте для примера упрощенно рассмотрим, как в реальности может протекать операция разблокирования процесса, ожидающего ввода-вывода (см. рис. 2.5). При исполнении процессором некоторого процесса (на рисунке – процесс 1) возникает прерывание от устройства ввода-вывода, сигнализирующее об окончании операций на устройстве. Над выполняющимся процессом производится операция приостановки. Далее операционная система разблокирует процесс, инициировавший запрос на ввод-вывод (на рисунке – процесс 2) и осуществляет запуск приостановленного или нового процесса, выбранного при выполнении планирования (на рисунке был выбран разблокированный процесс ). Как мы видим, в результате обработки информации об окончании операции ввода-вывода возможна смена процесса, находящегося в состоянии исполнение.

22.

Потоки и процессы — это связанные понятия в вычислительной технике. Оба представляют из себя последовательность инструкций, которые должны выполняться в определенном порядке. Инструкции в отдельных потоках или процессах, однако, могут выполняться параллельно.

Процессы существуют в операционной системе и соответствуют тому, что пользователи видят как программы или приложения. Поток, с другой стороны, существует внутри процесса. По этой причине потоки иногда называются "облегченные процессы". Каждый процесс состоит из одного или более потоков.

Существование нескольких процессов позволяет компьютеру "одновременно" выполнять несколько задач. Существование нескольких потоков позволяет процессу разделять работу для параллельного выполнения. На многопроцессорном компьютере процессы или потоки могут работать на разных процессорах. Это позволяет выполнять реально параллельную работу.

Абсолютно параллельная обработка не всегда возможна. Потоки иногда должны синхронизироваться. Один поток может ожидать результата другого потока, или одному потоку может понадобиться монопольный доступ к ресурсу, который используется другим потоком. Проблемы синхронизации являются распространенной причиной ошибок в многопоточных приложениях. Иногда поток может закончиться, ожидая ресурс, который никогда не будет доступен. Это кончается состоянием, которое называется взаимоблокировка.

Отладчик Visual Studio предоставляет мощные, но простые в использовании средства отладки потоков и процессов.

23.

UNIX является многозадачной операционной системой. Это означает, что одновременно может быть запущена более чем одна программа. Каждая программа, работающая в некоторый момент времени, называется процессом. Каждая команда, которую вы запускаете, порождает хотя бы один процесс. Есть несколько системных процессов, запущенных все время и поддерживающих функциональность системы.

Организация планирования процессов так, чтобы за счет их переключения создавалась иллюзия одновременной работы нескольких процессов - одна из основных задач любой многопользовательской и многозадачной операционной системы.

Данные, связанные с процессом, также являются частью образа процесса. Некоторые из них хранятся в регистрах, обычно представленных регистрами процессора. Кроме того, существуют динамические области хранения данных (куча), выделяемые процессом по ходу работы при необходимости.

Еще у процесса есть стек, содержащийся в памяти и используемый для хранения локальных переменных программы и передачи параметров. Когда процесс выполняет обращение к функции или подпрограмме, в стек отправляется новый фрейм. Одной из частей каждого фрейма является указатель на базу предыдущего фрейма, который позволяет легко вернуться из вызова функции. При этом важно знать местоположение текущего фрейма и вершину стека.

Во время исполнения или в ожидании "своего часа" процессы содержатся в виртуальной памяти со страничной организацией. Часть этой виртуальной памяти сопоставляется с физической. Часть физической памяти резервируется для ядра операционной системы. Пользователи могут получить доступ только к оставшейся для процессов памяти. При необходимости, страницы памяти процессов откачиваются из физической памяти на диск, в область подкачки. При обращении к странице в виртуальной памяти, если она не находится в физической памяти, происходит ее подкачка с диска.

Атрибуты процесса

PID – Идентификатор процесса

PPID (ключ j в ps) – Идентификатор родительского процесса

TTY (столбец TT в ps) – Контрольный (управляющий) терминал

RUID, EUID (ключи alw в ps) – Реальный и эффективный (действующий) UID

RGID, EGID (ключи alw в ps) – Реальный и эффективный (действующий) GID

Демонами в мире Unix традиционно называются процессы, которые не взаимодействуют с пользователем напрямую. У процесса-демона нет управляющего терминала и нет, соответственно, пользовательского интерфейса. Для управления демонами приходится использовать другие программы. Само название «демоны» возникло благодаря тому, что многие процессы этого типа большую часть времени проводят в ожидании какого-то события. Когда это событие наступает, демон активизируется (выпрыгивает, как чертик из табакерки), выполняет свою работу и снова засыпает в ожидании события. Следует отметить, что многие демоны, такие как, например, Web-сервер или сервер баз данных, могут отбирать на себя практически все процессорное время и другие ресурсы системы. Такие демоны гораздо больше работают, чем спят.

24.

Планирование процессов в ОС UNIX System V

В системе UNIX System V Release 4 реализована вытесняющая многозадачность, основанная на использовании приоритетов и квантования.

Все процессы разбиты на несколько групп, называемых классами приоритетов. Каждая группа имеет свои характеристики планирования процессов.

Созданный процесс наследует характеристики планирования процесса-родителя, которые включают класс приоритета и величину приоритета в этом классе. Процесс остается в данном классе до тех пор, пока не будет выполнен системный вызов, изменяющий его класс.

В UNIX System V Release 4 возможно включение новых классов приоритетов при инсталляции системы. В настоящее время имеется три приоритетных класса: класс реального времени, класс системных процессов и класс процессов разделения времени. В отличие от ранних версий UNIX приоритетность (привилегии) процесса тем выше, чем больше число, выражающее приоритет. На рисунке 5.2 показаны диапазоны изменения приоритетов для разных классов. Значения приоритетов определяются для разных классов по разному.

Процессы системного класса используют стратегию фиксированных приоритетов. Системный класс зарезервирован для процессов ядра. Уровень приоритета процессу назначается ядром и никогда не изменяется. Заметим, что пользовательский процесс, перешедший в системную фазу, не переходит при этом в системный класс приоритетов.

Процессы реального времени также используют стратегию фиксированных приоритетов, но пользователь может их изменять. Так как при наличии готовых к выполнению процессов реального времени другие процессы не рассматриваются, то процессы реального времени надо тщательно проектировать, чтобы они не захватывали процессор на слишком долгое время. Характеристики планирования процессов реального времени включают две величины: уровень глобального приоритета и квант времени. Для каждого уровня приоритета имеется по умолчанию своя величина кванта времени. Процессу разрешается захватывать процессор на указанный квант времени, а по его истечении планировщик снимает процесс с выполнения.

Команды управления расписаниями задач

Управление приоритетами процессов

Максимальный приоритет процессов каждого пользователягруппы устанавливает администратор. Если при выполнении задания образуются несколько порожденных процессов, то все они имеют одинаковый приоритет равный родительскому. В этом случае все процессы получают ресурсы равными долями(простойрежим разделения времени). При необходимости выделения наиболее важных родительских процессов порожденным второстепенным можно понизить приоритет с помощью команды:

nice [-k] имя_программы— выполнение программы, указанной в строке, с пониженным приоритетом.

-k— коэффициент понижения приоритета(k = 1;...10; по умолчаниюk = 10).

Чем больше число, тем ниже приоритет.

Наибольший приоритет (и наименьшее значение nice) — −20. 19, либо 20 — наименьший приоритет, но это, с другой стороны, самые вежливые процессы.

25.

Помимо первоначального выделения памяти процессам при их создании ОС должна также заниматься динамическим распределением памяти, то есть выполнять запросы приложений на выделение им дополнительной памяти во время выполнения. После того как приложение перестает нуждаться в дополнительной памяти, оно может возвратить ее системе. Выделение памяти случайной длины в случайные моменты времени из общего пула памяти приводит к фрагментации и, вследствие этого, к неэффективному ее использованию. Дефрагментация памяти тоже является функцией операционной системы.

Во время работы операционной системы ей часто приходится создавать новые служебные информационные структуры, такие как описатели процессов и потоков, различные таблицы распределения ресурсов, буферы, используемые процессами для обмена данными, синхронизирующие объекты и т. п. Все эти системные объекты требуют памяти»» В некоторых ОС заранее (во время установки) резервируется некоторый фиксированный объем памяти для системных нужд. В других же ОС используется более гибкий подход, при котором память для системных целей выделяется динамически. В таком случае разные подсистемы ОС при создании своих таблиц, объектов, структур и т. п. обращаются к подсистеме управления памятью с запросами.

Защита памяти — это еще одна важная задача операционной системы, которая состоит в том, чтобы не позволить выполняемому процессу записывать или читать данные из памяти, назначенной другому процессу. Эта функция, как правило, реализуется программными модулями ОС в тесном взаимодействии с аппаратными средствами.

Функции ОС по управлению памятью

Под памятью (memory) здесь подразумевается оперативная память компьютера. В отличие от памяти жесткого диска, которую называют внешней памятью (storage), оперативной памяти для сохранения информации требуется постоянное электропитание.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Особая роль памяти объясняется тем, что процессор может выполнять инструкции протравы только в том случае, если они находятся в памяти. Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы.

В ранних ОС управление памятью сводилось просто к загрузке программы и ее данных из некоторого внешнего накопителя (перфоленты, магнитной ленты или магнитного диска) в память. С появлением мультипрограммирования перед ОС были поставлены новые задачи, связанные с распределением имеющейся памяти между несколькими одновременно выполняющимися программами.

Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе являются:

--отслеживание свободной и занятой памяти;

--выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов;

--вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и --возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;

--настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Организация и управление памятью.

Оперативная:

Под организацией понимается:

1) сколько приложений одновременно будут запущены.

2) как память записывается и перезаписывается.

3) обязательно ли требование непрерывности.

4) как память распределяется между процессами, можно ли перемещать программы в памяти (защита памяти), можно ли дробить, можно ли организовать временное перемещение из ОП на жесткий диск и обратно (свопинг).

26.

Одна из функций управления памятью отображение информации в память. Отображение обычно понимается как преобразование адресных пространств.

Адреса, с которыми имеет дело менеджер памяти, бывают логические (виртуальные для систем с виртуальной памятью) и физические.

Пользовательская программа не видит реальных физических адресов, а имеет дело с логическими адресами, которые являются результатом трансляции символьных имен программы. Логические адреса обычно образуются на этапе создания загрузочного модуля (линковки программы).

Набор адресов, сгенерированный программой, называют логическим (виртуальным) адресным пространством, которому соответствует физическое адресное пространство.

Максимальный размер логического адресного пространства обычно определяется разрядностью процессора (например, 2**32) и в современных системах значительно превышает размер физического адресного пространства.

Связывание логического адреса, порожденного оператором программы, с физическим должно быть осуществлено до начала выполнения оператора или в момент его выполнения.

Обычно программа проходит нескольких шагов:

--текст на алгоритмическом языке,

--объектный модуль,

--загрузочный модуль,

--бинарный образ в памяти.

Используемые программой адреса в каждом конкретном случае могут быть представлены различными способами. Например, адреса в исходных текстах обычно символические. Компилятор связывает эти символические адреса с перемещаемыми адресами (такими как n байт от начала модуля). Загрузчик или линкер, в свою очередь, связывают эти перемещаемые адреса с виртуальными адресами. Каждое связывание - отображение одного адресного пространства в другое.

Привязка инструкций и данных к памяти в принципе может быть, таким образом, сделана на следующих шагах:

Этап компиляции (Compile time). Когда на стадии компиляции известно точное место размещения процесса в памяти, тогда генерируются абсолютные адреса. Если стартовый адрес программы меняется, необходимо перекомпилировать код. В качестве примера можно привести .com программы MS-DOS, которые связывают ее с физическими адресами на стадии компиляции.

Этап загрузки (Load time). Если на стадии компиляции не известно где процесс будет размещен в памяти, компилятор генерирует перемещаемый код. В этом случае окончательное связывание откладывается до момента загрузки. Если стартовый адрес меняется, нужно всего лишь перезагрузить код с учетом измененной величины.

Этап выполнения (Execution time). Если процесс может быть перемещен во время выполнения из одного сегмента памяти в другой, связывание откладывается до времени выполнения. Здесь желательно специализированное оборудование, например регистры перемещения. Их значение прибавляется к каждому адресу, сгенерированному процессом. Например, MS-DOS использует четыре таких (сегментных) регистра.

Управление памятью

Термин "память" используется для обозначения любого устройства, способного хранить информацию. Здесь будем иметь в виду оперативную память компьютера (ОЗУ). Управление памятью – одна из основных задач ОС, и занимается им менеджер памяти, который входит в состав ядра ОС.

Существует понятие физической оперативной памяти, с которой собственно и работает процессор, извлекая из неё команды и данные и помещая в неё результаты вычислений. Физическая память представляет собой упорядоченное множество пронумерованных ячеек. Количество ячеек физической памяти ограничено и фиксировано. С другой стороны, программист обращается к памяти с помощью некоторого набора логических имён, которые, как правило, являются символьными и для которых отсутствует отношение порядка. Имена переменных и входных точек программных модулей составляют пространство имён (см. схему).

Системное программное обеспечение должно связать каждое указанное пользователем имя с физической ячейкой памяти, т.е. осуществить отображение пространства имён на физическую память компьютера.

Существуют разные схемы такого отображения. В общем случае это отображение осуществляется в два этапа – сначала системой программирования, затем операционной системой. Между этими этапами обращения к памяти имеют форму виртуального или логического адреса. Множество всех допустимых значений виртуального адреса для некоторой программы определяет её виртуальное адресное пространство или виртуальную память.

Появление виртуальной памяти (ВП) стало одним из главных усовершенствований архитектуры компьютеров. Она была впервые реализована в 1959 г. на компьютере "Атлас" в Манчестерском университете и приобрела популярность только спустя десятилетие.

Система программирования осуществляет трансляцию и компоновку программы, используя библиотечные программные модули. В результате полученные виртуальные адреса могут иметь двоичную или символьно-двоичную форму. Для тех программных модулей, адреса которых пока не могут быть определены и имеют по-прежнему символьную форму, окончательная привязка их к физическим ячейкам будет осуществлена на этапе загрузки программы в память перед её непосредственным выполнением.

27.

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой в широком смысле понимается совокупность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам - протоколам. В узком смысле сетевая ОС - это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.

В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить несколько частей (рисунок 1.1):

Средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, планирования и диспетчеризации процессов, управления процессорами в мультипроцессорных машинах, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС.

Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование - серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; ведение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам.

Средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования - клиентская часть ОС (редиректор). Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо.

Коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., то есть является средством транспортировки сообщений.

Понятие сетевой службы и сетевого сервиса

В технической литературе англоязычный термин «server» обычно переводится как «служба», «сервис» или «услуга». Часто эти термины используются как синонимы. В тоже время обычно различают термин «служба»: с одной стороны, и термин «сервис» и «услуга» - с другой. Под службой понимается сетевой компонент, который реализует некоторый набор услуг, который предоставляется данной службой. Таким образом, сервис – это интерфейс между потребителем услуг (например, пользователем) и поставщиком услуг (службой). Реализация сетевых служб реализуется программными средствами, причём все сетевые службы соответствуют архитектуре «клиент-сервер». Пара модулей сетевой операционной системы «клиент-сервер» обеспечивает доступ пользователей к определённому типу ресурсов, например к файлам. В этом случае говорят, что пользователь имеет дело с файловой службой. Обычно сетевая ОС поддерживает несколько видов сетевых служб: файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удалённого доступа и т.д.