Понятия вычислительного процесса и ресурса

Понятие «вычислительный процесс» (или просто — «процесс») является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Последовательный процесс (иногда называемый «задачей») — это выполнение отдельной программы с ее данными на последовательном процессоре. В концепции, которая получила распространение в 70-е годы, задача – это совокупность связанных между собой и образующих единое целое программных модулей и данных, требующая ресурсов вычислительной системы. В последующие годы задачей стали называть единицу работы, для выполнения которой предоставляется центральный процессор. Процесс может включать в себя несколько задач. В качестве примеров можно назвать следующие процессы (задачи): выполнение прикладных программ пользователей, утилит и других системных обрабатываю­щих программ. Процессами могут быть редактирование какого-либо текста, трансляция исходной программы, ее компоновка, исполнение. Причем трансля­ция какой-нибудь исходной программы является одним процессом, а трансля­ция следующей исходной программы — другим процессом, поскольку, хотя транслятор как объединение программных модулей здесь выступает как одна и та же программа, но данные, которые он обрабатывает, являются разными.

Определение концепции процесса преследует цель выработать механизмы распре­деления и управления ресурсами. Понятие ресурса, так же как и понятие процесса,

является, пожалуй, основным при рассмотрении операционных систем. Термин ресурс обычно применяется по отношению к повторно используемым, относи­тельно стабильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, ис­пользуются и освобождаются процессами в период их активности. Другими сло­вами, ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы.

Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов могут их исполь­зовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (в те­чение некоторого интервала времени процессы используют ресурс поперемен­но), а могут быть и неделимыми (рис. 1.1).

При разработке первых систем ресурсами считались процессорное время, память, каналы ввода/вывода и периферийные устройства. Однако очень скоро понятие ресурса стало гораздо более универсальным и общим. Различного рода программные и информационные ресурсы также могут быть определены для сис­темы как объекты, которые могут разделяться и распределяться, и доступ к кото­рым необходимо соответствующим образом контролировать. В настоящее время понятие ресурса превратилось в абстрактную структуру с целым рядом атрибу­тов, характеризующих способы доступа к этой структуре и ее физическое пред­ставление в системе. Более того, помимо системных ресурсов, о которых мы сейчас говорили, как ресурс стали толковать и такие объекты, как сообщения и синхросигналы, которыми обмениваются задачи.

В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного завершения предыдущей. Поскольку эти первые вычислительные системы были построены в соответствии с принципами, изложенными в извест­ной работе Яноша Джон фон Неймана, все подсистемы и устройства компьютера управлялись исключительно центральным процессором. Центральный процессор осуществлял и выполнение вычислений, и управление операциями ввода/выво­да данных. Соответственно, пока осуществлялся обмен данными между опера­тивной памятью и внешними устройствами, процессор не мог выполнять вычис­ления. Введение в состав вычислительной машины специальных контроллеров позволило совместить во времени (распараллелить) операции вывода получен­ных данных и последующие вычисления на центральном процессоре. Однако все равно процессор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь завершения очередной операции ввода/вывода. Поэтому было предложено организовать так называемый мультипрограммный (мультизадачный) режим работы вычислитель­ной системы. Суть его заключается в том, что пока одна программа (один вычис­лительный процесс) ожидает завершения очередной операции ввода/вывода, другая программа (а точнее, другая задача) может быть поставлена на решение.

Благодаря совмещению во времени выполнения двух программ общее время выполнения двух задач получается меньше, чем если бы мы выпол­няли их по очереди (запуск одной только после полного завершения другой). Однако, время выполнения каждой задачи в общем слу­чае становится больше, чем если бы мы выполняли каждую из них как единст­венную.

При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем если бы он выполнялся в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожида­ние освобождения ресурса).

Как мы уже отмечали, операционная система поддерживает мультипрограмми­рование (многопроцессность) и старается эффективно использовать ресурсы пу­тем организации к ним очередей запросов, составляемых тем или иным способом. Это требование достигается поддерживанием в памяти более одного процесса, ожидающего процессор, и более одного процесса, готового использовать другие ресурсы, как только последние станут доступными. Общая схема выделения ре­сурсов такова. При необходимости использовать какой-либо ресурс (оператив­ную память, устройство ввода/вывода, массив данных и т. п.) задача обращается к супервизору операционной системы — ее центральному управляющему моду­лю, который может состоять из нескольких модулей, например: супервизор вво­да/вывода, супервизор прерываний, супервизор программ, диспетчер задач и т. д. — посредством специальных вызовов (команд, директив) и сообщает о своем тре­бовании. При этом указывается вид ресурса и, если надо, его объем (например, количество адресуемых ячеек оперативной памяти, количество дорожек или сек­торов на системном диске, устройство печати и объем выводимых данных и т. п.).

Директива обращения к операционной системе передает ей управление, перево­дя процессор в привилегированный режим работы, если такой существует. Не все вычислительные комплексы имеют два (и более) режима работы: привилегированный (режим супервизора), пользова­тельский, режим эмуляции какого-нибудь другого компьютера и т. д.

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

• он свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому же ресурсу;
• текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использо­вание ресурсов;
• ресурс используется задачей низшего приоритета и может быть временно ото­бран (разделяемый ресурс).

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

После окончания работы с ресурсом задача опять с помощью специального вы­зова супервизора (посредством соответствующей директивы) сообщает операци­онной системе об отказе от ресурса, или операционная система забирает ресурс сама, если управление возвращается супервизору после выполнения какой-либо системной функции. Супервизор операционной системы, получив управление по этому обращению, освобождает ресурс и проверяет, имеется ли очередь к освободившемуся ресурсу. Если очередь есть — в зависимости от принятой дисци­плины обслуживания (правила обслуживания) и приоритетов заявок он выводит из состояния ожидания задачу, ждущую ресурс, и переводит ее в состояние го­товности к выполнению. После этого управление либо передается данной задаче, либо возвращается той, которая только что освободила ресурс.

При выдаче запроса на ресурс задача может указать, хочет ли она владеть ресур­сом монопольно или допускает совместное использование с другими задачами. Например, с файлом можно работать монопольно, а можно и совместно с други­ми задачами.

Если в системе имеется некоторая совокупность ресурсов, то управлять их ис­пользованием можно на основе определенной стратегии. Стратегия подразуме­вает четкую формулировку целей, следуя которым можно добиться эффективно­го распределения ресурсов.

При организации управления ресурсами всегда требуется принять решение о том, что в данной ситуации выгоднее: быстро обслуживать отдельные наиболее важ­ные запросы, предоставлять всем процессам равные возможности, либо обслу­живать максимально возможное количество процессов и наиболее полно исполь­зовать ресурсы.