Нити исполнения - раздел История, История эволюции вычислительных и операционных систем, основные функции, классических операционных систем в процессе эволюции Рассмотренные Выше Аспекты Логической Реализации Относятся К Средствам Связи,...
Рассмотренные выше аспекты логической реализации относятся к средствам связи, ориентированным на организацию взаимодействия различных процессов. Однако усилия, направленные на ускорение решения задач в рамках классических операционных систем, привели к появлению совершенно иных механизмов, к изменению самого понятия "процесс".
В свое время внедрение идеи мультипрограммирования позволило повысить пропускную способность компьютерных систем, т. е. уменьшить среднее время ожидания результатов работы процессов. Но любой отдельно взятый процесс в мультипрограммной системе никогда не может быть выполнен быстрее, чем при работе в однопрограммном режиме на том же вычислительном комплексе. Тем не менее, если алгоритм решения задачи обладает определенным внутренним параллелизмом, мы могли бы ускорить его работу, организовав взаимодействие нескольких процессов. Рассмотрим следующий пример. Пусть у нас есть следующая программа на псевдоязыке программирования:
Ввести массив
aВвести массив
bВвести массив
ca =
a +
bc =
a +
cВывести массив
c При выполнении такой программы в рамках одного процесса этот процесс четырежды будет блокироваться, ожидая окончания операций ввода-вывода. Но наш алгоритм обладает внутренним параллелизмом. Вычисление суммы массивов a + b можно было бы выполнять параллельно с ожиданием окончания операции ввода массива c.
Ввести массив
aОжидание окончания операции вводаВвести массив
bОжидание окончания операции вводаВвести массив
сОжидание окончания операции ввода
a =
a +
bc =
a +
cВывести массив
сОжидание окончания операции вывода
Такое совмещение операций по времени можно было бы реализовать, используя два взаимодействующих процесса. Для простоты будем полагать, что средством коммуникации между ними служит разделяемая память. Тогда наши процессы могут выглядеть следующим образом.
| Процесс 1
| | | Процесс 2
| |
|
|
|
|
|
|
| Ввести массив a
|
|
| Ожидание ввода массивов a и b
|
| Ожидание окончания операции ввода
|
|
|
| Ввести массив b
|
|
|
|
|
| Процесс 1
| | | Процесс 2
| |
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции ввода
|
|
|
| Ввести массив с
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции ввода
| a= a +b
|
|
| c = a + c
|
|
|
|
|
| Вывести массив с
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции вывода
|
|
|
Казалось бы, мы предложили конкретный способ ускорения решения задачи. Однако в действительности дело обстоит не так просто. Второй процесс должен быть создан, оба процесса должны сообщить операционной системе, что им необходима память, которую они могли бы разделить с другим процессом, и, наконец, нельзя забывать о переключении контекста. Поэтому реальное поведение процессов будет выглядеть примерно так.
| Процесс 1
| | | Процесс 2
| |
|
|
|
|
|
|
| Создать процесс 2
|
|
|
|
|
|
| Переключение контекста
|
|
|
|
|
|
| Выделение общей памяти
|
|
|
|
| Ожидание ввода a и b
|
|
| Переключение контекста
|
|
|
| Выделение общей памяти
|
|
|
|
| Ввести массив a
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции ввода
|
|
|
| Ввести массив b
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции ввода
|
|
|
| Ввести массив с
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции ввода
|
|
|
|
| Переключение контекста
|
|
|
|
|
|
| a= a +b
|
|
|
| Переключение контекста
|
|
|
| c = a + c
|
|
|
|
|
| Вывести массив с
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции вывода
|
|
|
Очевидно, что мы можем не только не выиграть во времени при решении задачи, но даже и проиграть, так как временные потери на создание процесса, выделение общей памяти и переключение контекста могут превысить выигрыш, полученный за счет совмещения операций.
Для того чтобы реализовать нашу идею, введем новую абстракцию внутри понятия "процесс" – нить исполнения или просто нить (в англоязычной литературе используется термин thread). Нити процесса разделяют его программный код, глобальные переменные и системные ресурсы, но каждая нить имеет собственный программный счетчик, свое содержимое регистров и свой стек. Теперь процесс представляется как совокупность взаимодействующих нитей и выделенных ему ресурсов. Процесс, содержащий всего одну нить исполнения, идентичен процессу в том смысле, который мы употребляли ранее. Для таких процессов мы в дальнейшем будем использовать термин "традиционный процесс". Иногда нити называют облегченными процессами или мини-процессами, так как во многих отношениях они подобны традиционным процессам. Нити, как и процессы, могут порождать нити-потомки, правда, только внутри своего процесса, и переходить из одного состояния в другое. Состояния нитей аналогичны состояниям традиционных процессов. Из состояния рождение процесс приходит содержащим всего одну нить исполнения. Другие нити процесса будут являться потомками этой нити-прародительницы. Мы можем считать, что процесс находится в состоянии готовность, если хотя бы одна из его нитей находится в состоянии готовность и ни одна из нитей не находится в состоянии исполнение. Мы можем считать, что процесс находится в состоянии исполнение, если одна из его нитей находится в состоянии исполнение. Процесс будет находиться в состоянии ожидание, если все его нити находятся в состоянии ожидание. Наконец, процесс находится в состоянии закончил исполнение, если все его нити находятся в состоянии закончила исполнение. Пока одна нить процесса заблокирована, другая нить того же процесса может выполняться. Нити разделяют процессор так же, как это делали традиционные процессы, в соответствии с рассмотренными алгоритмами планирования.
Поскольку нити одного процесса разделяют существенно больше ресурсов, чем различные процессы, то операции создания новой нити и переключения контекста между нитями одного процесса занимают значительно меньше времени, чем аналогичные операции для процессов в целом. Предложенная схема совмещения работы в терминах нитей одного процесса получает право на существование.
| Нить 1
| | | Нить 2
| |
|
|
|
|
|
|
| Создать нить 2
|
|
|
|
|
|
| Переключение контекста нитей
|
|
|
|
|
|
| Ожидание ввода a и b
|
|
| Переключение контекста нитей
|
|
|
| Ввести массив a
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции ввода
|
|
|
| Ввести массив b
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции ввода
|
|
|
| Ввести массив с
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции ввода
|
|
|
|
| Переключение контекста нитей
|
|
|
|
|
|
| a= a +b
|
|
|
| Переключение контекста нитей
|
|
|
| c = a + c
|
|
|
|
|
| Вывести массив с
|
|
|
|
|
| Ожидание окончания операции вывода
|
|
|
Различают операционные системы, поддерживающие нити на уровне ядра и на уровне библиотек. Все сказанное выше справедливо для операционных систем, поддерживающих нити на уровне ядра. В них планирование использования процессора происходит в терминах нитей, а управление памятью и другими системными ресурсами остается в терминах процессов. В операционных системах, поддерживающих нити на уровне библиотек пользователей, и планирование процессора, и управление системными ресурсами осуществляются в терминах процессов. Распределение использования процессора по нитям в рамках выделенного процессу временного интервала осуществляется средствами библиотеки. В подобных системах блокирование одной нити приводит к блокированию всего процесса, ибо ядро операционной системы не имеет представления о существовании нитей. По сути дела, в таких вычислительных системах просто имитируется наличие нитей исполнения.
Далее для простоты изложения будем использовать термин "процесс", хотя все сказанное будет относиться и к нитям исполнения.
Все темы данного раздела:
Системные вызовы
В любой операционной системе поддерживается механизм, который позволяет пользовательским программам обращаться к услугам ядра ОС. В операционных системах наиболее известной советской вычислительной
Прерывания
Прерывание (hardware interrupt) – это событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством. Посредством аппаратных прерываний аппаратура либо информирует центральный процессор о то
Исключительные ситуации
Исключительная ситуация (exception) – событие, возникающее в результате попытки выполнения программой команды, которая по каким-то причинам не может быть выполнена до конца. Примерами таких команд
Монолитное ядро
По сути дела, операционная система – это обычная программа, поэтому было бы логично и организовать ее так же, как устроено большинство программ, то есть составить из процедур и функций. В этом случ
Многоуровневые системы (Layered systems)
можно разбить всю вычислительную систему на ряд более мелких уровней с хорошо определенными связями между ними, так чтобы объекты уровня N могли вызывать только объекты уровня N-1. Нижним уровнем в
Виртуальные машины
Он работает с файлами, а не с магнитными головками и двигателем; он работает с огромной виртуальной, а не ограниченной реальной оперативной памятью; его мало волнует, единственный он на машине поль
Микроядерная архитектура
Современная тенденция в разработке операционных систем состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра. Речь идет о подходе к постр
Реализация многозадачности
По числу одновременно выполняемых задач операционные системы можно разделить на два класса:
· многозадачные (Unix, OS/2, Windows);
· однозадачные (например, MS-DOS).
Мног
Многопроцессорная обработка
Вплоть до недавнего времени вычислительные системы имели один центральный процессор. В результате требований к повышению производительности появились многопроцессорные системы, состоящие из двух и
Системы реального времени
В разряд многозадачных ОС, наряду с пакетными системами и системами разделения времени, включаются также системы реального времени, не упоминавшиеся до сих пор.
Они используются для управл
Понятие процесса
В системах пакетной обработки, используется понятие "задание" как совокупность программы, набора команд языка управления заданиями, необходимых для ее выполнения, и входных данных. В данн
Состояния процесса
Все, что выполняется в вычислительных системах, организовано как набор процессов. На однопроцессорной компьютерной системе в каждый момент времени может исполняться только один процесс. Для мультип
Process Control Block и контекст процесса
Для того чтобы операционная система могла выполнять операции над процессами, каждый процесс представляется в ней некоторой структурой данных. Эта структура содержит информацию, специфическую для да
Критерии планирования процессов и требования к алгоритмам
Для каждого уровня планирования процессов можно предложить много различных алгоритмов. Выбор конкретного алгоритма определяется классом задач, решаемых вычислительной системой, и целями, которых мы
Логическая организация механизма передачи информации
При рассмотрении любого из средств коммуникации нас будет интересовать не их физическая реализация (общая шина данных, прерывания, аппаратно разделяемая память и т. д.), а логическая, определяющая
Информационная валентность процессов и средств связи
Следующий важный вопрос – это вопрос об информационной валентности связи. Слово "валентность" здесь использовано по аналогии с химией. Сколько процессов может быть одновременно ассоцииров
Особенности передачи информации с помощью линий связи
Как уже говорилось выше, передача информации между процессами посредством линий связи является достаточно безопасной по сравнению с использованием разделяемой памяти и более информативной по сравне
Буферизация
Может ли линия связи сохранять информацию, переданную одним процессом, до ее получения другим процессом или помещения в промежуточный объект? Каков объем этой информации? Иными словами, речь идет о
Надежность средств связи
Одним из существенных вопросов при рассмотрении всех категорий средств связи является вопрос об их надежности. Мы будем называть способ коммуникации надежным, если при обмене данными выполняются че
Критическая секция
Важным понятием при изучении способов синхронизации процессов является понятие критической секции (critical section) программы. Критическая секция – это часть программы, исполнение которой может пр
Семафоры
Семафор представляет собой целую переменную, принимающую неотрицательные значения, доступ любого процесса к которой, за исключением момента ее инициализации, может осуществляться только чер
Мониторы
Мониторы представляют собой тип данных, который может быть внедрен в объектно-ориентированные языки программирования. Монитор обладает собственными переменными, определяющими его состояние. Значени
Сообщения
Для прямой и непрямой адресации достаточно двух примитивов, чтобы описать передачу сообщений по линии связи – send и receive. В случае прямой адресац
Условия возникновения тупиков. Основные направления борьбы с тупиками
Если запрашиваемый процессом ресурс недоступен, ОС переводит данный процесс в состояние ожидания. В случае когда требуемый ресурс удерживается другим ожидающим процессом, первый процесс не сможет с
Физическая организация памяти компьютера
Запоминающие устройства компьютера разделяют, как минимум, на два уровня: основную (главную, оперативную, физическую) и вторичную (внешнюю) память.
Основная память представляет собой упоря
Логическая память
Аппаратная организация памяти в виде линейного набора ячеек не соответствует представлениям программиста о том, как организовано хранение программ и данных. Большинство программ представляет собой
Связывание адресов
Итак логические и физические адресные пространства ни по организации, ни по размеру не соответствуют друг другу. Максимальный размер логического адресного пространства обычно определяется разряднос
Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти
Суть концепции виртуальной памяти:
В схемах виртуальной памяти у процесса создается иллюзия того, что вся необходимая ему информация имеется в основной памяти. Для этого занимаемая процесс
Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти
Необходимо отобразить большое виртуальное адресное пространство в физическое адресное пространство существенно меньшего размера. Пользовательский процесс или ОС должны иметь возможность осуществить
Страничная виртуальная память
Страничная виртуальная память и физическая память представляются состоящими из наборов блоков или страниц одинакового размера. Виртуальные адреса делятся на страницы, соответствующие
Сегментно-страничная организации виртуальной памяти
В схемах виртуальной памяти сегмент – это линейная последовательность адресов, начинающаяся с 0. При организации виртуальной памяти размер сегмента может быть
Ассоциативная память
Поиск номера кадра, соответствующего нужной странице, в многоуровневой таблице страниц требует нескольких обращений к основной памяти, поэтому занимает много времени. Решение проблемы ускоре
Исключительные ситуации при работе с памятью
Отображение виртуального адреса в физический осуществляется при помощи таблицы страниц. Для каждой виртуальной страницы запись в таблице страниц содержит номер соответствующего страничного кадра в
Стратегии управления страничной памятью
Стратегия выборки - в какой момент следует переписать страницу из вторичной памяти в первичную. Два варианта выборки - по запросу и с упреждением. Алгоритм выборки по запросу - загруз
Алгоритмы замещения страниц
ОС в соответствии с заложенными в нее критериями должна:
· найти некоторую занятую страницу основной памяти;
· переместить в случае надобности ее содержимое во внешнюю память;
Программная поддержка сегментной модели памяти процесса. Менеджер памяти
Реализация функций операционной системы, связанных с поддержкой памяти, - ведение таблиц страниц, трансляция адреса, обработка страничных ошибок, управление ассоциативной памятью и др. - тесно связ
Отдельные аспекты функционирования менеджера памяти
Корректная работа менеджера памяти помимо принципиальных вопросов, связанных с выбором абстрактной модели виртуальной памяти и ее аппаратной поддержкой, обеспечивается также множеством нюансов и ме
Последовательный файл
Простейший вариант - так называемый последовательный файл. То есть файл является последовательностью записей. Поскольку записи, как правило, однобайтовые, файл представляет собой неструктур
Файл прямого доступа
В реальной практике файлы хранятся на устройствах прямого (random) доступа, например на дисках, поэтому содержимое файла может быть разбросано по разным блокам диска, которые можно считывать в прои
Другие формы организации файлов
Известны как другие формы организации файла, так и другие способы доступа к ним, которые использовались в ранних ОС, а также применяются сегодня в больших мэйнфреймах (mainframe), ориентированных н
Общая структура файловой системы. Управление внешней памятью
Система хранения данных на дисках может быть структурирована следующим образом (см. рис. 12.1).
Нижний уровень - оборудование. Это в первую очередь магнитные диски с подви
Выделение непрерывной последовательностью блоков
Простейший способ - хранить каждый файл как непрерывную последовательность блоков диска. При непрерывном расположении файл характеризуется адресом и длиной (в блоках). Файл, стартующий с блока b, з
Связный список
Внешняя фрагментация - основная проблема рассмотренного выше метода - может быть устранена за счет представления файла в виде связного списка блоков диска. Запись в директории содержит указатель на
Индексные узлы
Наиболее распространенный метод выделения файлу блоков диска - связать с каждым файлом небольшую таблицу, называемую индексным узлом (i-node), которая перечисляет атрибуты и дисковые адреса блоков
Учет при помощи организации битового вектора
Часто список свободных блоков диска реализован в виде битового вектора (bit map или bit vector). Каждый блок представлен одним битом, принимающим значение 0 или 1, в зависимости от того, занят он и
Учет при помощи организации связного списка
Другой подход - связать в список все свободные блоки, размещая указатель на первый свободный блок в специально отведенном месте диска, попутно кэшируя в памяти эту информацию.
Подобная схе
Монтирование файловых систем. Связывание файлов
Как файл должен быть открыт перед использованием, так и файловая система, хранящаяся на разделе диска, должна быть смонтирована, чтобы стать доступной процессам системы.
Функция mount (мон
Кооперация процессов при работе с файлами
Когда различные пользователи работают вместе над проектом, они часто нуждаются в разделении файлов.
Разделяемый файл является разделяемым ресурсом. Как и в случае любого совместно использу
Надежность файловой системы
Файловая система- система хранения данных на дисках.
Реализация файловой системы связана с такими вопросами, как поддержка понятия логического блока диска, связывания имен
Производительность файловой системы. Кэширование
Файловая система- система хранения данных на дисках.
Реализация файловой системы связана с такими вопросами, как поддержка понятия логического блока диска, связывания имен
Кэширование
Кэш диска представляет собой буфер в оперативной памяти, содержащий ряд блоков диска (см. рис. 12.12). Если имеется запрос на чтение/запись блока диска, то сначала производится проверка на предмет
Оптимальное размещение информации на диске
Кэширование - не единственный способ увеличения производительности системы. Другая важная техника - сокращение количества движений считывающей головки диска за счет разумной страте
Современные архитектуры файловых систем
Современные ОС предоставляют пользователю возможность работать сразу с несколькими файловыми системами (Linux работает с Ext2fs, FAT и др.). Файловая система в традиционном понимании становится час
Структура контроллера устройства
Контроллеры устройств ввода-вывода весьма различны как по своему внутреннему строению, так и по исполнению (от одной микросхемы до специализированной вычислительной системы со своим процессором, па
Структура системы ввода-вывода
В области технического обеспечения удалось выделить несколько основных принципов взаимодействия внешних устройств с вычислительной системой, т. е. создать единый интерфейс для их подключения, возло
Строение жесткого диска и параметры планирования
Жесткий диск – набор круглых пластин, находящихся на одной оси и покрыты
Сетевые и распределенные операционные системы
Сетевая ОС – операционная система со встроенными возможностями для работы в компьютерных сетях. К таким возможностям можно отнести:
§ поддержку сетевого оборудования
Защитные механизмы операционных систем.
Идентификация - это процесс, в ходе которого выясняются права доступа, привилегии, свойства и характеристики пользователя на основании его имени, логина или какой-либо другой и
Новости и инфо для студентов