Способы организации взаимного исключения - раздел Образование, ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В Этом Разделе Речь Пойдет О Способах, Позволяющих Обеспечить Работу С Критич...
В этом разделе речь пойдет о способах, позволяющих обеспечить работу с критическими ресурсами, т.е. тот способ работы с разделяемым ресурсом, при котором в любой момент времени с ним может работать не более одного процесса, остальные процессы будут заблокированы. В настоящий момент известно множество механизмов, среди которых мы рассмотрим семафоры Дейкстры, мониторы Хоара и аппарат передачи сообщений.
Семафоры Дейкстры — это формальная модель организации доступа, предложенная голландским ученым Дейкстрой, которая основывается на следующей концепции. Имеется специальный тип данных — семафор. Переменная типа семафор может иметь целочисленные значения. Над этими переменными определены следующие операции: down(S) (или P(S)) и up(S) (или V(S)). Оригинальные обозначения P и V, данные Дейкстрой и получившие широкое распространение в литературе, являются сокращениями голландских слов proberen — проверить и verhogen — увеличить.
Операция down(S) проверяет значение семафора S, и если оно больше нуля, то уменьшает его на 1. Если же это не так, процесс блокируется, причем связанная с заблокированным процессом операция down считается незавершенной.
Операция up(S) увеличивает значение семафора на 1. При этом, если в системе присутствуют процессы, блокированные ранее при выполнении down на этом семафоре, один из них разблокировывается и завершает выполнение операции down, т.е. вновь уменьшает значение семафора. Выбор процесса никак не оговаривается.
При этом операции up и down являются атомарными (неделимыми), т.е. их выполнение не может быть прервано прерыванием.
Для иллюстрации рассмотренного механизма приведем следующий пример. Рассмотрим некий универсам. Вход в торговый зал магазина возможен лишь для посетителей, имеющих тележку. В магазине имеется N тележек. Итак, в начальный момент (когда магазин открывается) имеется N свободных тележек. Каждый очередной посетитель берет тележку и проходит в зал. Так продолжается, пока не появится N+1 посетитель, которому тележки уже не хватает. Он войти не может и ждет свободной тележки перед входом в торговый зал. Если приходят еще покупатели, то они также ожидают свободной тележки. Поскольку рассматриваемый формализм, как упоминалось выше, ничего не говорит о выборе очередного заблокированного процесса, то будем считать, что прибывающие в магазин покупатели не становятся в очередь, а стоят в неком «беспорядке» (толпой). Как только один из покупателей с тележкой покидает торговый зал, происходит операция up: появляется одна свободная тележка. Эту тележку берет один из ожидающих посетителей и проходит в торговый зал. Это означает, что один из заблокированных клиентов разблокировался и продолжил работу, остальные же продолжают ждать в заблокированном состоянии.
Если тележка была бы одна, то это было бы иллюстрацией организации доступа в режиме взаимного исключения, т.е. в любой момент времени в торговом зале может оказаться лишь один покупатель. Это пример т.н. двоичного семафора — семафора, максимальное значение которого равно 1. Этот тип семафоров обеспечивает взаимное исключение.
В приведенном ниже (Рис. 85) примере двоичного семафора рассмотрены два процесса, каждый из которых имеет критическую секцию. За счет использования двоичного семафора обеспечивается безопасная работа в критической секции любого из процессов, т.е. если один из них вошел в критическую секцию, то гарантируется, что второй при попытке также войти в свою критическую секцию будет блокирован до тех пор, пока первый не покинет оную.
Рис. 85. Пример двоичного семафора.
Заметим, что требование атомарности операций down и up накладывает ограничения на реализацию семафоров Дейкстры, и зачастую это сложная задача. Существуют программные реализации, но в них атомарность не всегда присутствует.
Мониторы Хоара — модель синхронизации, в которой, в частности, предпринята попытка обойти требование аппаратной поддержки атомарности упомянутых выше операций. Монитор является высокоуровневой конструкцией (можно говорить, что это конструкция уровня языка программирования), реализация которой поддерживается системой программирования (компилятором). Монитор — это специализированный модуль, включающий в себя некие процедуры и функции, а также данные, с которыми работают эти процедуры и функции. При этом данный модуль обладает следующими свойствами:
- данные монитора доступны только через процедуры и функции этого монитора;
- считается, что процесс занимает (или входит) монитор тогда, когда он начинает использовать одну из процедур или функций монитора;
- в любой момент времени внутри монитора может находиться не более одного процесса, остальные процессы в зависимости от используемой стратегии поведения либо получает отказ, либо блокируется, становясь в очередь.
Иллюстрацией монитора может служить кабина таксофонного аппарата.
Повторим, что монитор — это языковая конструкция с централизованным управлением (в отличие от семафоров, которые не обладают централизацией). Семафоры и мониторы являются средствами организации работы в основном в однопроцессорных системах либо многопроцессорных системах с общей памятью. В многопроцессорных системах с распределенной памятью эти средства не очень подходят. Для них в настоящий момент часто используется механизм передачи сообщений.
Механизм передачи сообщений основан на двух функциональных примитивах: send (отправить сообщение) и receive (принять сообщение). Данные операции можно разделить по трем критериям: синхронизация, адресация и длина сообщения[R15] .
Синхронизация. Операции посылки/приема сообщений могут быть блокирующими и неблокирующими. Рассмотрим различные комбинации.
Блокирующий send: процесс-отправитель будет блокирован до тех пор, пока посланное им сообщение не будет получено.
Блокирующий receive: процесс-получатель будет блокирован до тех пор, пока не будет получено соответствующее сообщение.
Соответственно, неблокирующие операции, как следует из названия, происходят без блокировок.
Итак, комбинируя различные операции send и receive, мы получаем 4 различных модели синхронизации. Отметим одно важное свойство аппарата сообщений, заключающееся в том, что в нем явно совмещены средства передачи информации и синхронизации, таким образом, механизм передачи сообщений можно использовать для достижения двух целей.
Адресация может быть прямой, когда указывается конкретный адрес получателя и/или отправителя (например, когда получатель ожидает сообщения от конкретного отправителя, игнорируя сообщения других отправителей), или косвенной. В случае косвенной адресации не указывается адрес получателя при отправке или отправителя при получении; сообщение «бросается» в некоторый общий пул, в котором могут быть реализованы различные стратегии доступа (FIFO, LIFO и т.д.). Этим пулом может выступать очередь сообщений (FIFO) или почтовый ящик, в котором может быть реализована любая модель доступа.
Итак, повторимся, что данный механизм совмещает два средства: средство передачи данных и синхронизации. Этот аппарат является базовым средством организации взаимодействия процессов в многопроцессорных системах с распределенной памятью.
Иллюстрацией данной модели может выступать модель MPI — интерфейсы передачи сообщений, на основе которых строятся почти все кластерные системы, т.е. системы с распределенной ОП, но точно также MPI может работать в системах с общей памятью.
Все темы данного раздела:
Основы архитектуры вычислительной системы
Современный компьютер и его программное обеспечение невозможно рассматривать в отдельности друг от друга. Рассматривая функционирование компьютера, мы всегда имеем в виду функционирование системы,
Структура ВС
Традиционным представлением структуры вычислительной системы является пирамида (Рис. 4). Каждый из уровней пирамиды определяет свой уровень абстракции свойств вычислительной системы. Основанием явл
Аппаратный уровень ВС
Итак, аппаратный уровень вычислительной системы определяется набором аппаратных компонентов и их характеристик, используемых вышестоящими уровнями иерархии и оказывающих влияние на эти уровни. С по
Управление физическими ресурсами ВС
Уровень управления физическими ресурсами — это первый уровень системного программного обеспечения вычислительной системы. Его назначение — систематизация и стандартизация правил пр
Системы программирования
Прежде[R3] чем начать рассматривать следующий уровень структурной организации вычислительных систем, обратимся к последовательности этапов, традиционно связываемых с разработкой и внедрением програ
Прикладные системы
Итак, мы переходим к вершине структурной организации вычислительных систем — к уровню прикладного программного обеспечения. Прикладная система — это програм
Основы компьютерной архитектуры
Изучение принципов структурной организации и функционирования основных компонентов операционной системы невозможно без рассмотрения основ архитектуры компьютера. Настоящая глава посвящена рассмотре
Структура, основные компоненты
Середина 40-х годов прошлого века может вправе считаться сроком зарождения современной вычислительной техники. С этой датой связана публикация американского математика венгерского происхождения Джо
Оперативное запоминающее устройство
Оперативное запоминающее устройство (RAM — Random-Access Memory) — это устройство хранения данных компьютера, в котором находится исполняемая в данный момент программа. ОЗУ еще называют основной па
Центральный процессор
Процессор, или центральный процессор (ЦП), компьютера обеспечивает последовательное выполнение машинных команд, составляющих программу, размещенну
Регистровая память
Регистровый файл (register file), или регистровая память, — совокупность устройств памяти процессора — т.н. регистров, предназначенных для временного хр
Устройство управления. Арифметико-логическое устройство
Устройство управления (control unit) — устройство, которое координирует выполнение команд программы процессором. Арифметико-логическое устройство (arithmetic/logic
КЭШ-память
Ключевой проблемой функционирования компьютеров является проблема несоответствия производительности центрального процессора и скорости доступа к информации, размещенной в оперативной памяти. Мы рас
Аппарат прерываний
Если мы обратим внимание на представленный выше рабочий цикл процессора, то увидим, что такая схема не предусматривает возможности обработки ошибочной ситуации, которая может возникнуть в системе в
Внешние устройства
Внешние[R6] устройства во многом определяют эксплуатационные характеристики как компьютера, так и вычислительной системы в целом. Размер экрана монитора, объем и производительность магнитных дисков
Внешние запоминающие устройства
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для организации хранения данных и программ. Обычно операции чтения или записи с ВЗУ происходят некоторыми порциями данных, которые называются
Модели синхронизации при обмене с внешними устройствами
Важной характеристикой, во многом определяющей эффективность функционирования вычислительной системы, является модель синхронизации, поддерживаемая аппаратурой компьютера при взаимодействии централ
Потоки данных. Организация управления внешними устройствами
При рассмотрении работы любого компьютера имеют место два потока информации. Первый поток — это управляющая информация, второй поток — это поток данных, над которыми осуществляется обработка в прог
Иерархия памяти
Рассматривая вычислительную систему, или компьютер, можно выстроить некоторую последовательность устройств, предназначенных для хранения информации в некотором ранжированном порядке, иерархии. Этот
Аппаратная поддержка операционной системы и систем программирования
Если[R7] мы обратим свое внимание на рассмотрение компьютеров первого поколения, то это были компьютеры (computer — вычислитель) в прямом смысле слова, т.е. производители первых компь
Требования к аппаратуре для поддержки мультипрограммного режима
Выше уже речь уже шла о мультипрограммном режиме, когда в обработке могут находиться две и более программы пользователей, и каждая из этих программ может находиться в одном из трех
Проблемы, возникающие при исполнении программ
Рассмотрим круг проблем, которые, так или иначе, возникают при исполнении программ.
Вложенные обращения к подпрограммам (Рис. 44). Несколько лет назад проводились исследов
Регистровые окна
Одно из более или менее новых решений, предназначенное для минимизации накладных расходов, связанных с обращениями к подпрограммам, основано на использовании в современных процессорах т.н.
Системный стек
Будем рассматривать системы, в которых имеется аппаратная поддержка стека. Это означает, что имеется регистр, который ссылается на вершину стека, и есть некоторый механизм, который поддерживает раб
Виртуальная память
Следующий аппарат компьютера, который также сильно связан с поддержкой программного обеспечения, — это аппарат виртуальной памяти. Что понимается под виртуальной памятью и в
Многомашинные, многопроцессорные ассоциации
В[R8] настоящее время одиночный компьютер можно сравнить с телефонным аппаратом без телефонной сети. Т.е., говоря об ЭВМ, мы подразумеваем машину в некотором окружении и взаимодействии с другими ма
Терминальные комплексы (ТК)
Терминальный комплекс — это многомашинная ассоциация, предназначенная для организации массового доступа удаленных и локальных пользователей к ресурсам некоторой вычислительной
Компьютерные сети
Развитие терминальных комплексов положило основу развития компьютерных сетей. И следующим шагом стала замена терминальных устройств компьютерами.
Компьютерная сеть — э
Основы архитектуры операционных систем
Этот раздел мы начнем с определения базовых понятий, среди которых очень важным для нас станет понятие операционной системы. Этот термин имеет различные толкования в разных изданиях, мы остановимся
Структура ОС
Существует множество взглядов, касающихся структуры операционной системы, и в этом разделе речь пойдет о некоторых из них.
Простейшая структурная организация основана на представлении опер
Логические функции ОС
Рассматривая ОС, ее функциональность можно представить в виде объединения некоторого фиксированного количества блоков функций. Состав этого набора варьирует от системы к системе, но в большинстве с
Типы операционных систем
Операционные системы можно классифицировать с точки зрения критериев эффективности и стратегий использования центрального процессора. Можно выделить три основных класса операционных систем:
Основные концепции
Выше уже встречалось понятие процесса и некоторые его определения. Итак, под процессом понимается совокупность машинных команд и данных, обрабатываем
Модели операционных систем
Ниже будем рассматривать некоторую модельную операционную систему. Будем считать, что этапы жизненного цикла процесса разделены на два блока. Первый блок — это размещение процесса,
Типы процессов
Рассматривая процесс в той или иной операционной системе, можно обнаружить, что встречается деление процессов на две категории: т.н. полновесные процессы и легков
Контекст процесса
Говоря о различных механизмах, происходящих в системе, часто затрагивался термин контекст процесса. Под контекстомпроцесса мы будем понимать совокупн
Процесс ОС Unix
Механизм управления и взаимодействия процессов в ОС Unix послужил во многом основой для развития операционных систем в целом, и логического блока управления процессами в частности. Во многом органи
Базовые средства управления процессами в ОС Unix
Рассмотрим[R12] теперь, что происходит при обращении к системному вызову fork(). При обращении процесса к данному системному вызову операционная система создает копию текущего процесса, т.е.
Жизненный цикл процесса. Состояния процесса
Рассмотрим обобщенную и несколько упрощенную схему жизненного цикла процессов в ОС Unix (Рис. 79). Можно выделить целую совокупность состояний, в которых может находиться процесс.
Формирование процессов 0 и 1
Все механизмы взаимодействия процессов в ОС Unix унифицированы и основываются на связке системных вызовов fork-exec. Абсолютно все процесс в ОС Unix создается по приведенной схеме, но сущест
Базовые средства реализации взаимодействия процессов в ОС Unix
Сразу[R16] необходимо отметить, что во всех иллюстрациях организаций взаимодействия процессов будем рассматривать полновесные процессы, т.е. те «классические» процессы, которые представляются в вид
Сигналы
В ОС Unix присутствует т.н. аппарат сигналов, позволяющий одним процессам оказывать воздействия на другие процессы. Сигналы могут рассматриваться как средство уведомления пр
Неименованные каналы
Неименованный[R17] канал (или программный канал) представляется в виде области памяти на внешнем запоминающем устройстве, управ
Именованные каналы
Файловая система ОС Unix поддерживает некоторую совокупность файлов различных типов. Файловая система рассматривает каталоги как файлы специального типа каталог, обычные файлы, с которым мы
Очередь сообщений IPC
Система предоставляет возможность создания некоторого функционально расширенного аналога канала, но главное отличие заключается в том, что сообщения в очереди сообщений IPC типизированы. Каждое соо
Массив семафоров IPC
Семафоры представляют собой одну из форм IPC и используются для организации синхронизации взаимодействующих процессов. Рассмотрение функций для работы с семафорами мы начнем традиционно с функции с
Основные концепции
Под[R27] файловой системой (ФС) мы будем понимать часть операционной системы, представляющую собой совокупность организованных наборов данных, хранящихся на внешних запомина
Структурная организация файлов
С точки зрения структурной организации файлов имеется целый спектр различных подходов. Существует некоторая установившаяся систематизация методов структурной организации файлов. Рассмотрим модели в
Атрибуты файлов
Каждый файл обладает фиксированным набором параметров, характеризующих свойства и состояния файла, причем и долговременное (стратегическое), и оперативное состояния. Совокупность этих параметров на
Основные правила работы с файлами. Типовые программные интерфейсы
Практически все файловые системы при организации работы с файлами действуют по схожим сценариям, которые в общем случае состоят из трех основных блоков действий.
Во-первых, это нач
Подходы в практической реализации файловой системы
Рассмотрим[R28] некоторые подходы в практической реализации файловой системы. Снова вернемся к понятию системного устройства — устройства, на котором, как считается аппарату
Модели реализации файлов
Первой тривиальной и самой эффективной с точки зрения минимизации накладных расходов является модель непрерывных файлов(Рис. 97). Данная модель подразумевает размещение каждого фай
Модели реализации каталогов
Существуют несколько подходов организации каталогов. Во-первых, каталог может представляться в виде таблицы, у которой в одной колонке находятся имена файлов, а в остальных — все атрибуты. Эта моде
Соответствие имени файла и его содержимого
Еще один момент, на который стоит обратить внимание при рассмотрении организации файловых систем, — это проблема соответствия между именем файла и содержимым этого файла.
Как отмечалось вы
Координация использования пространства внешней памяти
С точки зрения организации использования пространства внешней памяти файловой системой существует несколько аспектов, на которые необходимо обратить внимание. Первый момент связан с проблемой выбор
Квотирование пространства файловой системы
Как отмечалось выше, файловая система должна обеспечивать контроль использования двух видов системных ресурсов — это регистрация файлов в каталогах (т.е. контроль количества имен файлов, которое мо
Надежность файловой системы
Понятие надежности файловой системы включает в себя множество требований, среди которых, в первую очередь, можно выделить то, что системные данные файловой системы должны обладать избыточной информ
Проверка целостности файловой системы
Далее речь пойдет о моделях организации контроля и исправления ошибочных ситуаций, связанных с целостностью файловой системы. Обратим внимание, что будет рассматриваться целостность именно файловой
Организация файловой системы ОС Unix. Виды файлов. Права доступа
Файл ОС Unix — это специальным образом именованный набор данных, размещенных в файловой системе. Файлы ОС Unix могут быть разных типов:
- обычный файл
Логическая структура каталогов
Одной[R31] из характеристик ОС Unix является характеристика, кажущаяся на первый взгляд достаточно странной: система рекомендует размещать системную и пользовательскую информацию по некоторым прави
Работа с массивами номеров свободных блоков
Изначально номера всех свободных блоков файловой системы выстраиваются в единый связный список (Рис. 111), который размещается в нескольких блоках. Первый блок располагается в суперблоке (а значит,
Работа с массивом свободных индексных дескрипторов
Массив номеров свободных индексных дескрипторов — это массив фиксированного количества элементов. Изначально данный массив заполнен номерами свободных индексных дескрипторов.
Если происход
Индексные дескрипторы. Адресация блоков файла
Выше уже отмечалось, что индексный дескриптор (Рис. 112) является системной структурой данных, содержащей атрибуты файла, а также всю оперативную информацию об организации и
Файл-каталог
Каталог файловой системы версии System V — это файл специального типа, его содержимое так же, как и у регулярных файлов, находится в рабочем пространстве файловой системы и по
Достоинства и недостатки файловой системы модели System V
Среди достоинств рассматриваемой файловой системы стоит отметить, что данная система является иерархичной. Также надо отметить, что за счет использования системного кэширования опт
Стратегии размещения
Работа системы основывается на трех концепциях. Первой концепцией является оптимизация размещения каталога. При создании каталога система осуществляет поиск кластера, наиболее своб
Внутренняя организация блоков
Размер блока в файловой системе FFS может варьироваться в достаточно широком диапазоне: предельный размер блока — 64 Кбайт. Как отмечалось выше, проблема выбора оптимального размера блока достаточн
Выделение пространства для файла
Рассмотрим алгоритм выделения пространства для файлов на следующем примере. Будем считать, что блок файловой системы поделен на 4 фрагмента. Пускай в системе хранятся файлы petya.txt и vasya.txt (Р
Структура каталога FFS
Каталог файловой системы FFS позволяет использовать имена файлов, длиной до 255 символов (Рис. 120). Каталог состоит из записей переменной длины, состоящих из блоков, размером в 4[R33] байта. Начал
Блокировка доступа к содержимому файла
Организация файловой системы ОС Unix позволяет открывать и работать с одним и тем же файлом произвольному числу процессов. Более того, один и тот же файл может быть многократно открыт в рамках одно
Управление оперативной памятью
Будем[R35] говорить о функциях управления оперативной памятью в контексте решения следующих основных задач. Во-первых, это осуществление контроля использования ресурса, т.е. одной из функций операт
Одиночное непрерывное распределение
Данная модель распределения оперативной памяти (Рис. 121) является одной из самых простых и основывается на том, что все адресное пространство подразделяется на два компонента. В одной части памяти
Страничное распределение
Об этой модели распределения оперативной памяти уже шла речь ранее, но тогда перед нами стояла задача лишь ввести читателя в курс дела, в этом же разделе будут обсуждаться более подробно современны
Сегментное распределение
Недостатком страничного распределения памяти является то, что при реализации этой модели процессу выделяется единый диапазон виртуальных адресов: от нуля до некоторого предельного значения. С одной
Сегментно-страничное распределение
Естественным развитием рассмотренной модели сегментного распределения памяти стала модель сегментно-страничного распределения. Эта модель рассматривает виртуальный адрес, как номер сегмента и смеще
Архитектура организации управления внешними устройствами
Как[R36] отмечалось ранее, при организации взаимодействия работы процессора и внешних устройств различают два потока информации: поток управляющей информации (т.е. поток команд какому-либо устройст
Программное управление внешними устройствами
Рассмотрим архитектуру программного управления внешними устройствами, которую можно представить в виде некоторой иерархии (Рис. 135). В основании лежит аппаратура, а далее следуют
Планирование дисковых обменов
Рассмотрим различные стратегии организации планирования дисковых обменов. При этом преследуется цель проиллюстрировать то многообразие подходов к решению данной проблемы, которые имеют место в мире
RAID-системы. Уровни RAID
Аббревиатура RAID может раскрываться двумя способами. RAID — Redundant Array of Independent (Inexpensive) Disks, или избыточный массив независимых (недорогих) дисков. На сегодняшний день обе расшиф
Файлы устройств, драйверы
Как[R37] уже неоднократно упоминалось, одной из основных особенностей ОС Unix является концепция файлов: практически все, с чем работает система, представляется в виде файлов. Внешние устройства не
Системные таблицы драйверов устройств
Для регистрации драйверов в системе используются две системные таблицы: таблицы блок-ориентированных устройств — bdevsw, и таблица байт-ориентированных устройств — cdevsw
Ситуации, вызывающие обращение к функциям драйвера
Список ситуаций, при которых происходит обращение к функциям драйверов, четко детерминирован. Во-первых, это старт системы и инициализация устройств и драйверов. При старте системы она имеет перече
Включение, удаление драйверов из системы
Изначально Unix-системы предполагали, как и большинство систем, «жесткие» статические встраивание драйверов в код ядра. Это означало, что при добавлении нового драйвера или удалении существующего н
Организация обмена данными с файлами
В этом разделе мы рассмотрим механизм организации обмена данными с файлами, после чего станет понятным, что происходит в системе, когда один и тот же файл открывается в системе одновременно несколь
Буферизация при блок-ориентированном обмене
Одним из достоинств ОС Unix является организация многоуровневой буферизации при выполнении неэффективных действий[R40] . В частности, для организации блок-ориентированных обменов система использует
Борьба со сбоями
Так или иначе, но в ОС Unix есть ряд традиционных средств для минимизации ущерба при отказах. Во-первых, в системе может быть задан параметр, определяющий промежутки времени, через которые осуществ
Новости и инфо для студентов