Определение ОС. Функции ОС. Процессы и потоки. Классификация ОС. История развития

Операционная система (ОС) – комплекс системных программ, обеспечивающий оптимальное управление ресурсами вычислительной системы в соответствии с некоторым критерием эффективности.

Критерием эффективности ОС может быть, например, пропускная способность (число выполненных задач за единицу времени) или реактивность (время реакции на некоторое событие) системы.

Вычислительная система (ВС) – это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации.

l Файловая система – это часть ОС, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и/или процессами.

l В широком смысле понятие “ФС” включает:

l совокупность всех файлов на диске;

l наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;

l комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

3.2, 3.3 Файлы и их атрибуты. Каталоги.

Специальные файлы:

Специальные файлы – это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла.

Команды чтения/записи обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Так, например, клавиатура обычно рассматривается как текстовый файл, из которого компьютер получает данные в символьном формате.

Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.

Каталоги:

Каталоги – системные файлы, поддерживающие структуру файловой системы.

Каталог это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений (например, файлы, содержащие программы игр, или файлы, составляющие один программный пакет), а с другой стороны – это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих.

В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

Атрибуты файлов:

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики:

- информация о разрешенном доступе;

- пароль для доступа к файлу;

- владелец файла;

- создатель файла;

- флаги "только для чтения", "скрытый файл", "системный файл", "архивный файл", "двоичный/символьный", "временный" (удалить после завершения процесса), флаг блокировки;

- времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

- текущий размер файла;

- максимальный размер файла.

Структура каталогов:

Каталоги могут непосредственно содержать атрибуты файлов, как это сделано в файловой системе FAT16, или, как это реализовано в ОС UNIX, ссылаться на специальные индексные узлы (i-node), которые содержат атрибуты и информацию о размещении файлов.

3.4 Логическая организация ФС.

Разработана для быстрого выполнения стандартных файловых операций типа чтения, записи и поиска.

Поддерживает улучшенные операции восстановления файловой системы на очень больших жестких дисках.

Включает возможности безопасности, требуемые для файловых серверов и высококачественных персональных компьютеров в корпоративной среде.

6.2 Тома NTFS.

Каждый установленный бит возвращаемого значения соответствует существующему в системе логическому устройству. Например, если в системе существуют диски A:, C: и D:, то возвращаемое функцией значение равно 13(десятичное).

Функция DWORD GetLogicalDrivesStrings( DWORD cchBuffer, LPTSTR lpszBuffer) заполняет lpszBuffer информацией о корневом каталоге каждого логического диска в системе. В приведенном выше примере буфер будет заполнен символами: A:<null>C:<null>D:<null><null>

Параметр cchBuffer определяет длину буфера. Функция возвращает реальную длину буфера, необходимую для размещения всей информации.

В качестве параметра ей передается символическое имя корневого каталога (напр. A:), а возвращаемое значение может быть одно из следующих:

Для получения подробной информации о носителе используется функция GetVolumeInformation. Она заполняет параметры информацией об имени тома, названии файловой структуры, максимальной длине имени файла, дополнительных атрибутах тома, специфических для файловой структуры.

Функция GetDiskFreeSpace сообщает информацию о размерах сектора и кластера и о наличии свободных кластеров.

Создание и открытие файла:

HANDLE CreateFile (

Методы распределения памяти с использованием дискового пространства. Стратегии управления виртуальной памятью.

Классификация методов распределения памяти.

9.1 Методы распределения памяти с использованием дискового пространства.

Виртуальная память (ВП) – это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих выполнять программы, размер которых превосходит имеющуюся оперативную память.

Для этого менеджер ВП решает следующие задачи:

- размещает данные в запоминающих устройствах разного типа, например, часть программы в оперативной памяти, а часть на диске;

- перемещает по мере необходимости данные между запоминающими устройствами разного типа, например, подгружает нужную часть программы с диска в оперативную память (свопинг);

- преобразует виртуальные адреса в физические.

Физические и виртуальные адреса:

Суть концепции виртуальной памяти заключается в том, что адреса, к которым обращается выполняющийся процесс, отделяются от адресов, реально существующих в первичной памяти:

- адреса, на которые делает ссылки выполняющийся процесс, называются виртуальными адресами (ВА);

- адреса, которые существуют в первичной памяти, называются реальными (или физическими) адресами (ФА).

Для установления соответствия между ВА и ФА разработаны различные способы. Так, механизмы динамического преобразования адресов (DAT - Dynamic Address Translation) обеспечивают преобразование ВА в ФА время выполнения процесса.

Механизм отображения адресов:

Все подобные системы обладают общим свойством: смежные адреса виртуального адресного пространства процесса не обязательно будут смежными в реальной памяти, это свойство называют “искусственной смежностью”.

Способы организации виртуальной памяти:

- страничное распределение;

- сегментное распределение;

- сегментно-страничное распределение.

Страничное распределение.

Сегментное распределение.

Сегментно-страничное распределение.

Архитектура памяти MS Windows 2000. Менеджер ВП. Виртуальное АП. Средства защиты памяти. Страничное преобразование. Реализация свопинга в MS Windows 2000-2003.

Менеджер виртуальной памяти:

l управление виртуальными адресными пространствами процессов;

l разделение памяти между процессами;

l защита виртуальной памяти одного процесса от других процессов.

l Менеджер виртуальной памяти (VMM) является составной частью ядра ОС. Приложения не могут получить к нему прямой доступ.

l Для управления памятью прикладным программам предоставляются различные интерфейсы (API).

Virtual Memory API - набор функций, позволяющих приложению работать с виртуальным адресным пространством: назначать физические страницы блоку адресов и освобождать их, устанавливать атрибуты защиты.

Memory Mapped File API - набор функций, позволяющий работать с файлами, отображаемыми в память. Новый механизм, предоставляемый Win32 API для работы с файлами и взаимодействия процессов.

Heap Memory API - набор функций, позволяющих работать с динамически распределяемыми областями памяти (кучами).

Local, Global Memory API - набор функций работы с памятью, совместимых с 16-битной Windows. Следует избегать их использования.

CRT Memory API - функции стандартной библиотеки языка “С” периода исполнения (runtime).

Архитектура API управления памятью.

Архитектура памяти в MS Windows 2000-2003. Проецируемые файлы, назначение и использование. Функции Win32 API.

Проецируемые файлы.

Взаимодействие процессов через общую область данных

Объекты управления центральным процессором и объединения ресурсов в MS Windows 2000-2003. Атрибуты процессов и потоков. Классы приоритетов.

14.1, 14.2 Управление центральным процессором и объединение ресурсов.

Атрибуты процессов и потоков.

Объекты Windows .

Процессы.

Потоки.

Задание (job).

Процессы Windows не поддерживают в явном виде отношения родитель-потомок, поэтому начиная с Windows 2000 в модель процессов введено новое расширение – задания (jobs).

Задания предназначены в основном для того, чтобы группами процессов можно было оперировать и управлять как единым целым.

Задание позволяет устанавливать определенные атрибуты и накладывать ограничения на процесс или процессы, сопоставленные с заданием.

Квоты и лимиты для заданий:

Квоты (базовые и расширенные базовые ограничения):

- максимальное количество процессов;

- суммарное время центрального процессора (для каждого процесса и для задания в целом);

- максимальное количество используемой памяти (для каждого процесса и для задания в целом);

Базовые ограничения по пользовательскому интерфейсу;

Ограничения, связанные с защитой.

Волокна (fibers).

Общие принципы диспетчеризация (планирование загрузки) в MS Windows 2000-2003. Классы приоритетов. Относительные приоритеты. Динамическое изменение приоритетов.

15.1 Общие принципы диспетчеризация (планирование загрузки) в MS Windows 2000-2003.

Планирование загрузки однопроцессорной системы.

Граф состояний потоков в MS Windows 2000-2003. Поток простоя. Принципы адаптивного планирования.

Граф состояний потоков в MS Windows 2000-2003. Особенности планирования в многопроцессорных системах.

Граф состояний потоков в MS Windows 2000-2003. Особенности планирования в ОС MS Windows Vista и Server 2008.

Планирование загрузки процессорного времени в MS WINDOWS 2000-2003. Функции WIN 32 API создания и завершение процессов и потоков, управление потоками

Создание потока

HANDLE CreateThread (

PSECURITY_ATTRIBUTES psa,

SIZE_T cbStack,
PTHREAD_START_ROUTINE pfnStartAddr,

PVOID pvParam,

DWORD dwCreate,

PDWORD pdwThreadID

);

Параметры создания потока

Функция CreateRemoteThread

Приоритеты потоков

Функция ExitThread

Поток можно завершить принудительно, вызвав:

VOID ExitThread(DWORD dwExitCоde);

В параметр dwExitCode Вы помещаете значение, которое система рассматривает как код завершения потока.

Функция TerminateThread

Засыпание и переключение потоков

BOOL SwitchToThread();

Планирование загрузки процессорного времени в MS WINDOWS 2000-2003. Функции WIN 32 API создания и завершения потоков.

Управление потоками.

Флаг CREATE_SUSPENDED

Если поток создан с флагом CREATE_SUSPENDED, то после своего создания он остается в приостановленном состоянии. Вы можете настроить некоторые его свойства (например, приоритет, о котором мы поговорим позже). Закончив настройку, Вы должны разрешить выполнение потока. Для этого вызовите ResumeThread и пере дайте описатель потока, возвращенный функцией CreateThread.

DWORD ResumeThread(HANDLE hThread);

Выполнение потока можно приостановить не только при его создании с флагом CREATE_SUSPENDED, но и вызовом SuspendThread. Выполнение отдельного потока можно приостанавливать несколько раз. Если поток приостановлен 3 раза, то и возобновлен он должен быть тоже 3 раза — лишь тогда система выделит ему процессорное время.

DWORD SuspendThread(HANDLE hThread);

Критические секции и состязания. Семафоры, Мьютексы. Задача о читателях и писателях. Предотвращение критических ситуаций и средства синхронизации процессов

Возникновение гонок (состязаний)

Два процесса хотят получить доступ к общей памяти в одно и тоже время

Если процессу требуется вывести на печать файл, он помещает имя файла в специальный каталог спулера.

Другой процесс, “демон печати”, периодически проверяет наличие файлов, которые нужно печатать, печатает файл и удаляет его имя из каталога.

Представим, что каталог спулера состоит из большого числа сегментов, нумерованных 0,1, 2…, в каждом из которых может храниться имя файла. Также есть две совместно используемые переменные: out, указывающая на следующий файл для печати, и in, указывающая на следующий свободный сегмент.

Эти две переменные можно хранить в одном файле, доступном для всех процессов. Пусть в данный момент времени сегменты с 0 по 3 пусты (файлы уже напечатаны), а сегменты 4-6 заняты (файлы ждут печати).

Более или менее одновременно процессы A и B решают поставить файл в очередь на печать.

Возможна следующая ситуация:

1. Процесс A считывает значение (7) переменной in и сохраняет его в локальной переменной next_free_slot. После этого происходит прерывание по таймеру, и процессор переключается на процесс B. Процесс B, в свою очередь, считывает значение переменной in и сохраняет его (опять 7) в своей локальной переменной next_free_slot.

2. Теперь оба процесса считают, что следующий свободный сегмент – седьмой.

3. Процесс B сохраняет в каталоге спулера имя файла и заменяет значение in на 8, затем продолжает заниматься своими задачами, не связанными с печатью.

4. Наконец управление переходит к процессу A, и он начинает с того места, на котором остановился. Он обращается к переменной next_free_slot, считывает ее значение и записывает в седьмой сегмент имя файла (удаляя значение, записанное процессом B).

5. В результате файл процесса B не напечатается.

Критические секции

Важным понятием синхронизации потоков для решения проблемы состязаний является понятие «критической секции» программы.

Критическая секция – это часть программы, результат выполнения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к этой части программы, изменяются другими потоками в то время, когда выполнение этой части еще не завершено.

Во всех потоках, работающих с критическими данными, должна быть определена критическая секция.

В разных потоках критическая секция состоит в общем случае из разных последовательностей команд.

Самый простой и в то же время самый неэффективный способ обеспечения взаимного исключения состоит в том, что ОС позволяет потоку запрещать любые прерывания на время его нахождения в критической секции. Однако этот способ практически не применяется, так как опасно доверять управление системой пользовательскому потоку – он может надолго занять процессор, а при крахе потока в критической секции крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

Условия исключения гонок

Два процесса не должны одновременно находиться в критической секции

В программе не должно быть предположений о скорости или количестве процессоров

Процесс вне критической секции не может блокировать другие процессы

Должна быть невозможна ситуация, когда процесс вечно ждет попадания в критическую секцию

Взаимное исключение с использованием критических секций

Семафоры

Дийкстра (Dijkstra) предложил использовать переменные, которые могут принимать целые неотрицательные значения. Такие переменные, используемые для синхронизации вычислительных процессов, получили название семафоров.

Семафор - неотрицательная целая переменная S >= 0, которая может изменяться и проверяться только посредством двух примитивов:

V(S): переменная S увеличивается на 1 единым неделимым действием. К переменной S нет доступа другим потокам во время выполнения этой операции.

P(S): уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0 и невозможно уменьшить S, оставаясь в области целых неотрицательных значений, то в этом случае поток, вызывающий операцию Р, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также являются неделимой операцией.

Иллюстрация работы семафора

Данный пример демонстрирует использование семафора для ограничения доступа потоков к объекту синхронизации на основании их количества.

Создание семафора

HANDLE CreateSemaphore(

LPSECURITY_ATTRIBUTE psa,

LONG lInitialCount,

LONG lMaximumCount,

LPCTRTR pszName);

HANDLE OpenSemaphore(

DWORD fdwAccess,

BOOL bInheritHandle,

LPCTSTR pszName);

Параметр lMaximumCount сообщает системе максимальное состояние семафора.

Управление семафором

Поток получает доступ к ресурсу, вызывая одну из Wait-функций и передавая ей описатель семафора, который охраняет этот ресурс Wait-функция проверяет у семафора счетчик текущего числа ресурсов если его значение больше 0 (семафор свободен), уменьшает значение этого счетчика на 1, и вызывающий поток остается планируемым.

BOOL ReleaseSemaphore(

HANDLE hSem,

LONG lReleaseCount,

PLONG plPreviousCount);

Если Wait-функция определяет, что счетчик текущего числа ресурсов равен 0 (семафор занят), система переводит вызывающий поток в состояние ожидания Когда другой поток увеличит значение этого счетчика, система вспомнит о ждущем потоке и снова начнет выделять ему процессорное время (а он, захватив ресурс, уменьшит значение счетчика на 1).

Поток увеличивает значение счетчика текущего числа ресурсов, вызывая функцию ReleaseSemaphore.

Она просто складывает величину lReleaseCount со значением счетчика текущего числа ресурсов. Обычно в параметре lReleaseCount передают 1.

Функция возвращает исходное значение счетчика ресурсов в *plPreviousCount.

Мьютексы

Иногда используется упрощенная версия семафора – мьютекс (mutex, mutual exclusion – взаимное исключение). Иногда называют еще двоичным семафором.

Мьютекс – переменная, которая может находиться в одном из двух состояний: блокированном или неблокированном.

Если процесс хочет войти в критическую секцию – он вызывает примитив блокировки мьютекса.

Если мьютекс не заблокирован, то запрос выполняется и процесс попадает в критическую секцию.

Использование мьютекса

В рассмотренном примере, для того чтобы исключить коллизии при работе с разделяемой областью памяти, будем считать, что запись в буфер и считывание из буфера являются критическими секциями. Взаимное исключение будем обеспечивать с помощью двоичного семафора (мьютекса) b. Оба потока после проверки доступности буферов должны выполнить проверку доступности критической секции.

Создание мьютекса

HANDLE CreateMutex(

LPSECURITY_ATTRIBUTES psa,

BOOL fInitialOwner,

LPCTSTR pszName);

HANDLE OpenMutex(

DWORD fdwAccess,

BOOL fInheritHandle,

LPCTSTR pszName);

Параметр fInitialOwner определяет начальное состояние мьютекса:

Если в нем передается FALSE (что обычно и бывает), объект-мьютекс не принадлежит ни одному из потоков и поэтому находится в свободном состоянии. При этом его идентификатор потока и счетчик рекурсии равны 0

Если же в нем передается TRUE, идентификатор потока, принадлежащий мьютексу, приравнивается идентификатору вызывающего потока, а счетчик рекурсии получает значение 1. Поскольку теперь идентификатор потока отличен от 0, мьютекс изначально находится в занятом состоянии.

Управление мьютексом

Поток получает доступ к разделяемому ресурсу, вызывая одну из Wait-функций и передавая ей описатель мьютекса, который охраняет этот ресурс. Wait-функция проверяет у мьютекса идентификатор потока, если сго значение не равно 0, мьютекс свободен, в ином случае оно принимает значение идентификатора вызывающего потока, и этот поток остается планируемым.

Если Wait-функция определяет, что у мьютекса идентификатор потока не равен 0 (мьютекс занят), вызывающий поток переходит в состояние ожидания. Система за поминает это и, когда идентификатор обнуляется, записывает в него идентификатор ждущего потока, а счетчику рекурсии присваивает значение 1, после чего ждущий поток вновь становится планируемым.

Когда ожидание мьютекса потоком успешно завершается, последний получает монопольный доступ к защищенному ресурсу. Все остальные потоки, пытающиеся обратиться к этому ресурсу, переходят в состояние ожидания. Когда поток, занимающий ресурс, заканчивает с ним работать, он должен освободить мьютекс вызовом функции ReleaseMutex.

BOOL ReleaseMutex (HANDLE hMutex);

Задача о читателях и писателях

Рассмотрим использование семафоров на классическом примере взаимодействия двух выполняющихся в режиме мультипрограммирования потоков, один из которых пишет данные в буферный пул, а другой считывает их из буферного пула.

Пусть буферный пул состоит из N буферов, каждый из которых может содержать одну запись. В общем случае поток-писатель и поток-читатель могут иметь различные скорости и обращаться к буферному пулу с переменой интенсивностью. В один период скорость записи может превышать скорость чтения, в другой – наоборот.

Для правильной совместной работы поток-писатель должен приостанавливаться, когда все буферы оказываются занятыми, и активизироваться при освобождении хотя бы одного буфера. Напротив, поток-читатель должен приостанавливаться, когда все буферы пусты, и активизироваться при появлении хотя бы одной записи.

Введем два семафора: е – число пустых буферов, и f – число заполненных буферов, причем в исходном состоянии е =N, a f =0. Тогда работа потоков с общим буферным пулом может быть описана следующим образом.

Таким образом, семафоры позволяют эффективно решать задачу синхронизации Доступа к ресурсным пулам, таким, например, как набор идентичных в функциональном назначении внешних устройств (модемов, принтеров, портов), или набор областей памяти одинаковой величины, или информационных структур. Во всех этих и подобных им случаях с помощью семафоров можно организовать доступ к разделяемым ресурсам сразу нескольких потоков.

Критические секции и состязания. Семафоры , атомарные операции, CRITICAL_SECTION. Задача о читателях и писателях. Предотвращение критических ситуаций и средства синхронизации процессов

Возникновение гонок (состязаний)

Два процесса хотят получить доступ к общей памяти в одно и тоже время

Если процессу требуется вывести на печать файл, он помещает имя файла в специальный каталог спулера.

Другой процесс, “демон печати”, периодически проверяет наличие файлов, которые нужно печатать, печатает файл и удаляет его имя из каталога.

Представим, что каталог спулера состоит из большого числа сегментов, нумерованных 0,1, 2…, в каждом из которых может храниться имя файла. Также есть две совместно используемые переменные: out, указывающая на следующий файл для печати, и in, указывающая на следующий свободный сегмент.

Эти две переменные можно хранить в одном файле, доступном для всех процессов. Пусть в данный момент времени сегменты с 0 по 3 пусты (файлы уже напечатаны), а сегменты 4-6 заняты (файлы ждут печати).

Более или менее одновременно процессы A и B решают поставить файл в очередь на печать.

Возможна следующая ситуация:

1. Процесс A считывает значение (7) переменной in и сохраняет его в локальной переменной next_free_slot. После этого происходит прерывание по таймеру, и процессор переключается на процесс B. Процесс B, в свою очередь, считывает значение переменной in и сохраняет его (опять 7) в своей локальной переменной next_free_slot.

2. Теперь оба процесса считают, что следующий свободный сегмент – седьмой.

3. Процесс B сохраняет в каталоге спулера имя файла и заменяет значение in на 8, затем продолжает заниматься своими задачами, не связанными с печатью.

4. Наконец управление переходит к процессу A, и он начинает с того места, на котором остановился. Он обращается к переменной next_free_slot, считывает ее значение и записывает в седьмой сегмент имя файла (удаляя значение, записанное процессом B).

5. В результате файл процесса B не напечатается.

Критические секции

Важным понятием синхронизации потоков для решения проблемы состязаний является понятие «критической секции» программы.

Критическая секция – это часть программы, результат выполнения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к этой части программы, изменяются другими потоками в то время, когда выполнение этой части еще не завершено.

Во всех потоках, работающих с критическими данными, должна быть определена критическая секция.

В разных потоках критическая секция состоит в общем случае из разных последовательностей команд.

Самый простой и в то же время самый неэффективный способ обеспечения взаимного исключения состоит в том, что ОС позволяет потоку запрещать любые прерывания на время его нахождения в критической секции. Однако этот способ практически не применяется, так как опасно доверять управление системой пользовательскому потоку – он может надолго занять процессор, а при крахе потока в критической секции крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

Условия исключения гонок

Два процесса не должны одновременно находиться в критической секции

В программе не должно быть предположений о скорости или количестве процессоров

Процесс вне критической секции не может блокировать другие процессы

Должна быть невозможна ситуация, когда процесс вечно ждет попадания в критическую секцию

Взаимное исключение с использованием критических секций

Семафоры

Дийкстра (Dijkstra) предложил использовать переменные, которые могут принимать целые неотрицательные значения. Такие переменные, используемые для синхронизации вычислительных процессов, получили название семафоров.

Семафор - неотрицательная целая переменная S >= 0, которая может изменяться и проверяться только посредством двух примитивов:

V(S): переменная S увеличивается на 1 единым неделимым действием. К переменной S нет доступа другим потокам во время выполнения этой операции.

P(S): уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0 и невозможно уменьшить S, оставаясь в области целых неотрицательных значений, то в этом случае поток, вызывающий операцию Р, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также являются неделимой операцией.

Иллюстрация работы семафора

Данный пример демонстрирует использование семафора для ограничения доступа потоков к объекту синхронизации на основании их количества.

Создание семафора

HANDLE CreateSemaphore(

LPSECURITY_ATTRIBUTE psa,

LONG lInitialCount,

LONG lMaximumCount,

LPCTRTR pszName);

HANDLE OpenSemaphore(

DWORD fdwAccess,

BOOL bInheritHandle,

LPCTSTR pszName);

Параметр lMaximumCount сообщает системе максимальное состояние семафора.

Управление семафором

Поток получает доступ к ресурсу, вызывая одну из Wait-функций и передавая ей описатель семафора, который охраняет этот ресурс Wait-функция проверяет у семафора счетчик текущего числа ресурсов если его значение больше 0 (семафор свободен), уменьшает значение этого счетчика на 1, и вызывающий поток остается планируемым.

BOOL ReleaseSemaphore(

HANDLE hSem,

LONG lReleaseCount,

PLONG plPreviousCount);

Если Wait-функция определяет, что счетчик текущего числа ресурсов равен 0 (семафор занят), система переводит вызывающий поток в состояние ожидания Когда другой поток увеличит значение этого счетчика, система вспомнит о ждущем потоке и снова начнет выделять ему процессорное время (а он, захватив ресурс, уменьшит значение счетчика на 1).

Поток увеличивает значение счетчика текущего числа ресурсов, вызывая функцию ReleaseSemaphore.

Она просто складывает величину lReleaseCount со значением счетчика текущего числа ресурсов. Обычно в параметре lReleaseCount передают 1.

Функция возвращает исходное значение счетчика ресурсов в *plPreviousCount.

Атомы это очень простой и доступный путь IPC. Идея состоит в том, что процесс может поместить строку в таблицу атомов и эта строка будет видна другим процессам. Когда процесс помещает строку в таблицу атомов, он получает 32-х битное значение (атом), и это значение используется для доступа к строке. Система не различает регистр строки.

Набор атомов собирается в таблицу (atom table). Система обеспечивает несколько таблиц атомов для разных задач. По типу доступа их два типа:

Локальные (доступны только из приложения)

Глобальные (доступны из всех приложений)

Функции WIN 32 API для атомов

GlobalAddAtom

GlobalGetAtomName

GlobalFindAtom

GlobalDeleteAtom

Сообщение WM_COPYDATA

Отправитель:

COPYDATASTRUCT cds;

cds.cbData = (DWORD) nSize;

cds.lpData = (PVOID) pBuffer;

SendMessage (hWndTarget, WM_COPYDATA, (WPARAM) hWnd, (LPARAM) &cds);

Получатель:

PCOPYDATASTRUCT pcds = (PCOPYDATASTRUCT) lParam;

PBYTE pBuffer = (PBYTE) pcds -> lpData;

Критические секции

В составе API ОС Windows имеются специальные и эффективные функции для организации входа в критическую секцию и выхода из нее потоков одного процесса в режиме пользователя.

Они называются EnterCriticalSection и LeaveCriticalSection и имеют в качестве параметра предварительно проинициализированную структуру типа CRITICAL_SECTION.

Примерная схема программы может выглядеть следующим образом.

CRITICAL_SECTION cs;

DWORD WINAPI SecondThread()

{

InitializeCriticalSection(&cs); EnterCriticalSection(&cs);

//…критический участок кода LeaveCriticalSection(&cs);

}

Функции EnterCriticalSection и LeaveCriticalSection реализованы на основе атомарных Interlocked-функций.

Существенным является то, что в случае невозможности входа в критический участок поток переходит в состояние ожидания. Впоследствии, когда такая возможность появится, поток будет "разбужен" и сможет сделать попытку входа в критическую секцию.

Задача о читателях и писателях

Рассмотрим использование семафоров на классическом примере взаимодействия двух выполняющихся в режиме мультипрограммирования потоков, один из которых пишет данные в буферный пул, а другой считывает их из буферного пула.

Пусть буферный пул состоит из N буферов, каждый из которых может содержать одну запись. В общем случае поток-писатель и поток-читатель могут иметь различные скорости и обращаться к буферному пулу с переменой интенсивностью. В один период скорость записи может превышать скорость чтения, в другой – наоборот.

Для правильной совместной работы поток-писатель должен приостанавливаться, когда все буферы оказываются занятыми, и активизироваться при освобождении хотя бы одного буфера. Напротив, поток-читатель должен приостанавливаться, когда все буферы пусты, и активизироваться при появлении хотя бы одной записи.

Введем два семафора: е – число пустых буферов, и f – число заполненных буферов, причем в исходном состоянии е =N, a f =0. Тогда работа потоков с общим буферным пулом может быть описана следующим образом.

Таким образом, семафоры позволяют эффективно решать задачу синхронизации Доступа к ресурсным пулам, таким, например, как набор идентичных в функциональном назначении внешних устройств (модемов, принтеров, портов), или набор областей памяти одинаковой величины, или информационных структур. Во всех этих и подобных им случаях с помощью семафоров можно организовать доступ к разделяемым ресурсам сразу нескольких потоков.

Синхронизация потоков с использованием объектов ядра MS Windows 2000-2003. Основные принципы синхронизации. События. Семафоры. Функции WIN 32 API.

Синхронизация потоков с использованием объектов ядра Windows 2000

Простейшей формой связи потоков является синхронизация (synchronization).

Синхронизация означает способность потока добровольно приостанавливать свое исполнение и ожидать, пока не завершится выполнение некоторой операции другим потоком.

Все ОС, поддерживающие многозадачность или мультипроцессорную обработку, должны предоставлять потокам способ ожидания того, что другой поток что–либо сделает: например, освободит накопитель на магнитном диске или закончит запись в совместно используемый буфер памяти. ОС должна также дать потоку возможность сообщить другим потокам об окончании выполнения операции. Получив такое уведомление, ожидающий поток может продолжить выполнение.

Синхронизационные объекты и их состояния

1. процессы

2. потоки

3. задания

4. файлы

5. консольный ввод

6. уведомления об изменении файлов

7. события

8. ожидаемые таймеры

9. семафоры

10. мьютексы

Свободен Занят

Средства ожидания и сообщения реализованы в ядре Windows как часть объектной архитектуры.

Синхронизационные объекты (synchronization objects) – это объекты ядра, при помощи которых поток синхронизирует свое выполнение.

В любой момент времени синхронизационный объект находится в одном из двух состояний: свободен (signaled state) или занят.

Правила, по которым объект переходит в свободное или занятое состояние, зависят от типа этого объекта:

Объект-поток находится в состоянии «занят» все время существования, но устанавливается системой в состояние "свободен", когда его выполнение завершается. Аналогично, ядро устанавливает процесс в состояние "свободен", когда завершился его последний поток.

В противоположность этому, объект – таймер «срабатывает» через заданное время (по истечении этого времени ядро устанавливает объект – таймер в состояние "свободен").

События

События – самая примитивная разновидность объектов ядра.

События содержат счетчик числа пользователей (как и все объекты ядра) и две булевы переменные: одна сообщает тип данного объекта-события, другая – его состояние (свободен или занят).

События просто уведомляют об окончании какой-либо операции. Объекты-события бывают двух типов: со сбросом вручную (manual-reset events) и с автосбросом (auto-reset events). Разница в том, что первый вид события нужно применять если событие ждут несколько потоков. Только сброс вручную позволяет это сделать. Иначе первый же обработчик сбросит событие и другие потоки об этом не узнают.

Объекты-события обычно используют в том случае, когда какой-то поток выполняет инициализацию, а затем сигнализирует другому потоку, что тот может продолжить работу. Инициализирующий поток переводит объект "событие” в занятое состояние и приступает к своим операциям. Закончив, он сбрасывает событие в свободное состояние. Тогда другой поток, который ждал перехода события в свободное состояние, пробуждается и вновь становится планируемым.

Иллюстрация работы “события”

событие с ручным сбросом событие с автоматическим сбросом

Создание события

HANDLE CreateEvent(
LPSECURITY_ATTRIBUTES psa,

BOOL fManualReset,

BOOL fInitialState,

LPCTSTR pszName);

HANDLE OpenEvent(

DWORD fdwAccess,

BOOL fInhent,

LPCTSTR pszName);

Объект ядра “событие" создается функцией CreateEvent.

Параметр fManualReset (булева переменная) сообщает системе, хотите Вы создать событие со сбросом вручную (TRUE) или с автосбросом (FALSE).

Параметр fInitialState определяет начальное состояние события – свободное (TRUE) или занятое (FALSE). После того как система создает объект событие, CreateEvent возвращает описатель события, специфичный для конкретного процесса.

Потоки из других процессов могут получить доступ к этому объекту:

наследованием описателя с применением функции DuplicateHandle;

вызовом OpenEvent c передачей в параметре pszName имени, совпадающего с указанным в аналогичном параметре функции CreateEvent.

Управление событием

Перевод события в свободное состояние:

BOOL SetEvent (HANDLE hEvenеt);

Перевод события в занятое состояние:

BOOL ResetEvent (HANDLE hEvent);

Освобождение события и перевод его обратно в занятое состояние:

BOOL PulseEvent (HANDLE hEvent);

Особенности PulseEvent

Функция PulseEvent устанавливает событие и тут же переводит его обратно в сброшенное состояние.

Ее вызов равнозначен последовательному вызову SetEvent и ResetEvent. Если PulseEvent вызывается для события со сбросом вручную, то все потоки, ожидающие этот объект, получают управление.

При вызове PulseEvent для события с автосбросом пробуждается только один из ждущих потоков. А если ни один из потоков не ждет объект-событие, вызов функции не дает никакого эффекта.

Семафоры

Дийкстра (Dijkstra) предложил использовать переменные, которые могут принимать целые неотрицательные значения. Такие переменные, используемые для синхронизации вычислительных процессов, получили название семафоров.

Семафор - неотрицательная целая переменная S >= 0, которая может изменяться и проверяться только посредством двух примитивов:

V(S): переменная S увеличивается на 1 единым неделимым действием. К переменной S нет доступа другим потокам во время выполнения этой операции.

P(S): уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0 и невозможно уменьшить S, оставаясь в области целых неотрицательных значений, то в этом случае поток, вызывающий операцию Р, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также являются неделимой операцией.

Иллюстрация работы семафора

Данный пример демонстрирует использование семафора для ограничения доступа потоков к объекту синхронизации на основании их количества.

Создание семафора

HANDLE CreateSemaphore(

LPSECURITY_ATTRIBUTE psa,

LONG lInitialCount,

LONG lMaximumCount,

LPCTRTR pszName);

HANDLE OpenSemaphore(

DWORD fdwAccess,

BOOL bInheritHandle,

LPCTSTR pszName);

Параметр lMaximumCount сообщает системе максимальное состояние семафора.

Управление семафором

Поток получает доступ к ресурсу, вызывая одну из Wait-функций и передавая ей описатель семафора, который охраняет этот ресурс Wait-функция проверяет у семафора счетчик текущего числа ресурсов если его значение больше 0 (семафор свободен), уменьшает значение этого счетчика на 1, и вызывающий поток остается планируемым.

BOOL ReleaseSemaphore(

HANDLE hSem,

LONG lReleaseCount,

PLONG plPreviousCount);

Если Wait-функция определяет, что счетчик текущего числа ресурсов равен 0 (семафор занят), система переводит вызывающий поток в состояние ожидания Когда другой поток увеличит значение этого счетчика, система вспомнит о ждущем потоке и снова начнет выделять ему процессорное время (а он, захватив ресурс, уменьшит значение счетчика на 1).

Поток увеличивает значение счетчика текущего числа ресурсов, вызывая функцию ReleaseSemaphore.

Она просто складывает величину lReleaseCount со значением счетчика текущего числа ресурсов. Обычно в параметре lReleaseCount передают 1.

Функция возвращает исходное значение счетчика ресурсов в *plPreviousCount.

Синхронизация потоков с использованием объектов ядра MS Windows 2000-2003. Основные принципы синхронизации. Таймеры ожидания. Мьютексы. Функции WIN 32 API.

Синхронизация потоков с использованием объектов ядра Windows 2000

Простейшей формой связи потоков является синхронизация (synchronization).

Синхронизация означает способность потока добровольно приостанавливать свое исполнение и ожидать, пока не завершится выполнение некоторой операции другим потоком.

Все ОС, поддерживающие многозадачность или мультипроцессорную обработку, должны предоставлять потокам способ ожидания того, что другой поток что–либо сделает: например, освободит накопитель на магнитном диске или закончит запись в совместно используемый буфер памяти. ОС должна также дать потоку возможность сообщить другим потокам об окончании выполнения операции. Получив такое уведомление, ожидающий поток может продолжить выполнение.

Синхронизационные объекты и их состояния

1. процессы

2. потоки

3. задания

4. файлы

5. консольный ввод

6. уведомления об изменении файлов

7. события

8. ожидаемые таймеры

9. семафоры

10. мьютексы

Свободен Занят

Средства ожидания и сообщения реализованы в ядре Windows как часть объектной архитектуры.

Синхронизационные объекты (synchronization objects) – это объекты ядра, при помощи которых поток синхронизирует свое выполнение.

В любой момент времени синхронизационный объект находится в одном из двух состояний: свободен (signaled state) или занят.

Правила, по которым объект переходит в свободное или занятое состояние, зависят от типа этого объекта:

Объект-поток находится в состоянии «занят» все время существования, но устанавливается системой в состояние "свободен", когда его выполнение завершается. Аналогично, ядро устанавливает процесс в состояние "свободен", когда завершился его последний поток.

В противоположность этому, объект – таймер «срабатывает» через заданное время (по истечении этого времени ядро устанавливает объект – таймер в состояние "свободен").

Ожидающие таймеры

Ожидающие таймеры (waitable timers) – это объекты ядра, которые самостоятельно переходят в свободное состояние в определенное время или через регулярные промежутки времени.

Создание ожидающего таймера

HANDLE CreateWaitableTimer(

LPSECURITY_ATTRIBUTES psa,

BOOL fManualReset,

LPCTSTR pszName);

HANDLE OpenWaitableTimer(

DWORD dwDesiredAccess,

BOOL bInheritHandle,

LPCTSTR pszName);

По аналогии с событиями параметр fManualReset определяет тип ожидаемого тай мера: со сбросом вручную или с автосбросом. Когда освобождается таймер со сбросом вручную, возобновляется выполнение всех потоков, ожидавших этот объект, а когда в свободное состояние переходит таймер с автосбросом — лишь одного из потоков.

Объекты «ожидающий таймер» всегда создаются в занятом состоянии.

Управление ожидающим таймером

BOOL SetWaitableTimer(

HANDLE hTimer,

const LARGE_INTEGER *pDueTime,

LONG lPeriod,

LPTIMERAPCROUTINE pfnCompletionRoutine,

LPVOID pvArgToCompletionRoutine,

BOOI fResume);

BOOL CancelWaitableTimer (HANDLE hTimer);

Эта функция принимает несколько параметров, в которых легко запутаться. Очевидно, что hTimer определяет нужный таймер. Следующие два параметра (pDuеТimе и lPeriod) используются совместно, первый из них задает, когда таймер должен сработать в первый раз, второй определяет, насколько часто это должно происходить в дальнейшем.

Обычно нужно, чтобы таймер сработал только раз – через определенное (абсолютное или относительное) время перешел в свободное состояние и уже больше никогда не срабатывал Для этого достаточно передать 0 в параметре lPeriod Затем можно либо вызвать CloseHandle, чтобы закрыть таймер, либо перенастроить таймер повторным вызовом SetWaitableTimer с другими параметрами.

Параметр Resume полезен на компьютерах с поддержкой режима сна. Обычно в нем передают FALSE, и в приведенных ранее фрагментах кода я тоже делал так. Но если Вы, скажем, пишете программу-планировщик, которая позволяет устанавливать таймеры для напоминания о запланированных встречах, то должны передавать в этом параметре TRUE Когда таймер сработает, машина выйдет из режима сна (если она находилась в нем), и пробудятся потоки, ожидавшие этот таймер. Далее программа сможет проиграть какой-нибудь WAV-файл и вывести окно с напоминанием о предстоящей встрече.

Функция CancelWaitableTimer принимает описатель таймера и отменяет его (тай мер), после чего тот уже никогда не сработает, — если только Вы не переустановите его повторным вызовом SetWaitableTimer. Кстати, если Вам понадобится перенастроить таймер, то вызывать CancelWaitableTimer перед повторным обращением к SetWaitableTimer не требуется; каждый вызов SetWaitableTimer автоматически отменяет предыдущие настройки перед установкой новых.

Мьютексы

Иногда используется упрощенная версия семафора – мьютекс (mutex, mutual exclusion – взаимное исключение). Иногда называют еще двоичным семафором.

Мьютекс – переменная, которая может находиться в одном из двух состояний: блокированном или неблокированном.

Если процесс хочет войти в критическую секцию – он вызывает примитив блокировки мьютекса.

Если мьютекс не заблокирован, то запрос выполняется и процесс попадает в критическую секцию.

Использование мьютекса

В рассмотренном примере, для того чтобы исключить коллизии при работе с разделяемой областью памяти, будем считать, что запись в буфер и считывание из буфера являются критическими секциями. Взаимное исключение будем обеспечивать с помощью двоичного семафора (мьютекса) b. Оба потока после проверки доступности буферов должны выполнить проверку доступности критической секции.

Создание мьютекса

HANDLE CreateMutex(

LPSECURITY_ATTRIBUTES psa,

BOOL fInitialOwner,

LPCTSTR pszName);

HANDLE OpenMutex(

DWORD fdwAccess,

BOOL fInheritHandle,

LPCTSTR pszName);

Параметр fInitialOwner определяет начальное состояние мьютекса:

Если в нем передается FALSE (что обычно и бывает), объект-мьютекс не принадлежит ни одному из потоков и поэтому находится в свободном состоянии. При этом его идентификатор потока и счетчик рекурсии равны 0

Если же в нем передается TRUE, идентификатор потока, принадлежащий мьютексу, приравнивается идентификатору вызывающего потока, а счетчик рекурсии получает значение 1. Поскольку теперь идентификатор потока отличен от 0, мьютекс изначально находится в занятом состоянии.

Управление мьютексом

Поток получает доступ к разделяемому ресурсу, вызывая одну из Wait-функций и передавая ей описатель мьютекса, который охраняет этот ресурс. Wait-функция проверяет у мьютекса идентификатор потока, если сго значение не равно 0, мьютекс свободен, в ином случае оно принимает значение идентификатора вызывающего потока, и этот поток остается планируемым.

Если Wait-функция определяет, что у мьютекса идентификатор потока не равен 0 (мьютекс занят), вызывающий поток переходит в состояние ожидания. Система за поминает это и, когда идентификатор обнуляется, записывает в него идентификатор ждущего потока, а счетчику рекурсии присваивает значение 1, после чего ждущий поток вновь становится планируемым.

Когда ожидание мьютекса потоком успешно завершается, последний получает монопольный доступ к защищенному ресурсу. Все остальные потоки, пытающиеся обратиться к этому ресурсу, переходят в состояние ожидания. Когда поток, занимающий ресурс, заканчивает с ним работать, он должен освободить мьютекс вызовом функции ReleaseMutex.

BOOL ReleaseMutex (HANDLE hMutex);

Межпроцессорное взаимодействие. Передача информации в MS Windows 2000-2003. Анонимные каналы. Почтовые ящики. Функции WIN 32 API.

Межпроцессорное взаимодействие. Передача информации в MS Windows 2000-2003. Именованные каналы. Почтовые ящики. Функции WIN 32 API.