Современные архитектуры файловых систем кратко

Обновлено: 04.07.2024

Файловые системы имеют многоуровневую структуру, на верхнем уровне которой находится переключатель файловых систем, преобразующий пользовательские запросы в формат, воспринимаемый конкретной системой.

Каждый компонент следующего уровня представлен в виде драйвера, поддерживающего определенную организацию ФС. Каждый драйвер регистрируется у переключателя, передавая ему таблицу точек входа (возможное обращение к ФС).

Файловые системы Windows

Выделяются два типа драйверов ФС:

1. Локальная FSD (File System Driver), управляющая дисками, подключенными непосредственно к компьютеру. Например, FAT, NTFS, CDFS.

2. Сетевые FSD, позволяющая обращаться в дисковым томам удаленного компьютера.

Локальный FSD должен зарегистрироваться у диспетчера ввода\вывода. При первом обращении к тому диспетчер ввода\вывода, вызывается драйвер для распознавания – анализа загрузочного сектора тома и метаданных ФС для проверки её целостности.

Приложения (множество) > Диспетчер в/в ßà Драйвер ФС ßà Драйвера устройств >Логический том (раздел)

Все поддерживаемые Windows файловые системы резервируют первый сектор тома как загрузочный. В нем содержаться данные, идентифицирующие файловый формат системы тома и расположение метаданных.

Лекция 8

Файловая система FAT

Чтобы уменьшить общее количество единиц хранения используется объединение смежных секторов диска - Cluster. Его размер – степень двойки и определяется размером тома при форматировании диска.

Первый сектор жесткого диска (сектор 1, дорожка 0) содержит Master Boot Record- программа, помещаемая в ОС во время загрузки. Физический диск может быть разбит на части (разделы или томы). Таблица разделов диска Partition Table располагается в конце первого сектора и содержит 4 элемента, описывающие разделы диска

Смещение	Размер	Содержимое
+0	Признак активного раздела 0 – не активный, 80h активный
+1	Номер стороны для начального сектора раздела
+2	Номер сектора и дорожки (первых) (формат INT 13h)
+4	Код файловой системы
+5	Номер стороны для последнего сектора раздела
+6	Номер сектора и дорожки (послед) (формат INT 13h)
+8	Относительный номер начала раздела
+16	Размер раздела в секторах

Для вычисления относительного номера сектора используется формула

RelSet = (Cyl * Sect * Head) + (Head * Sect) + Sect

Cyl – номер дорожки

Sect – номер сектора на дорожке

Head – номер головки

Как правило, разделы начинаются с четных номеров дорожек, за исключением первого.

Структура разделов под FAT выглядит следующим образом:

Загрузочный сектор Параметры BIOS

FAT

FAT (копия)

Корневой каталог

Область файлов

FAT - File Allocation Table – таблица размещения файлов.

Записи в таблицы FAT определяют цепочки размещения файлов и каталогов, где отдельные звенья – это указатели на следующий кластер данного файла. Элемент каталога хранит начальный кластер файла.

File1

File2

File3

…

FFFF

…

2 3 4 5 6 7 8 9

Элементы каталога

FAT32 использует 32х разрядные идентификаторы кластеров, но резервируют старшие 4 бита как раз на эти ссылки. Эффективный размер – 28.

Максимальный размер файла – 4Гб.

Файловая система NTFS

Использует 64х разрядные номера кластеров.

Первые 16 секторов раздела NTFS распределены под загрузочную запись и код загрузки. Дубликат сектора загрузочной записи находит в логическом центре диска. Для хранения данных о файлах используется главная таблица файлов MFT – Master File Table.

Раздел NTFS делится на две части:

1. Главный служебный файл файловой системы $MFT не подлежит дефрагментации и содержится на специально отведенных первых 12% процентах диска (MFT-зоне).

2. Обычное пространство для хранения файлов.

Свободное место диска включается в себя незаполненные куски MFT зоны. Кластеры раздела имеют сквозную нумерацию от его начала до конца, это называется LCN – Logical Cluster Number.

Файл NTFS – это набор атрибутов. Структура MFT

· $MFTMirr – зеркало MFT

· $logFile – журнал транзакций, в котором регистрируются все операции, влияющие на структуру тома.

· $Volume – файл тома, содержит имя тома, версию NFTS и бит исправности.

· $AttrDef – таблица определения атрибутов, она задает типы атрибутов, поддерживаемые на томе.

· . –корневой каталог

· $BitMap – это файл битовой карты, содержащей схему распределения пространства на томе.

· $Boot – загрузочный файл с кодом начального загрузчика ОС

· $BadClus – файл плохих кластеров, поврежденных кластеров

· $Quota – содержит данные квот-пользователей.

· $UpCase – таблица трансляции символов кодировки UNICODE верхнего регистра.

· Далее – обычные файлы

Файл на томе идентифицируется 64разрядным значением (файловой ссылкой):

Номер последовательности	Номер файла
От 63 до 48	От 47 до 0

Номер файла соответствует позиции его файловой записи в MFT – 1. Номер последовательности увеличивается каждый раз, когда данная позиция в MFT используется повторно. Файл может описываться несколькими файловыми записями при нехватке места под его атрибуты. В этом случае первая запись называется основной, остальные – дополнительными.

NTFS получает адрес файла на диске из объектов файлов.

Лекция 9

Файловые системы UNIX

Традиционная ФС s5

Поддерживает логическую организацию файлов в виде последовательности байт. Различают обычные файлы, каталоги и специальные файлы. Имеет иерархическую структуру, каталог верхнего уровня всегда располагается на системном устройстве и называется root.

Для связи иерархии файлов, расположенных на разных носителях, используется вмонтирование и исполняется системным вызовом mount.

Используется три типа имени файлов – краткое, полное, относительное.

Привилегии доступа к файлу делятся на три категории: владелец, член группы владельца и все остальные. Так же в системе существует привилегированный пользователь , имеющий полные права доступа ко всем файлам системы.

Определенно три вида доступа к файлу – чтение, запись и выполнение. В общем случае файл может располагаться в несмежных блоках дисковой памяти и задается последовательностью блоков из 13ти элементов.

Вся информация о файле (кроме его символьного имени) хранится в специальной системной таблице – индексном дескрипторе inode-файлов. Индексные дескрипторы последовательно пронумерованы и хранятся в отдельной области файловой системы. Номер индексного дескриптора является уникальным именем файла. В дескрипторе ведется учет ссылок на этот файл из всех каталогов. Когда количество ссылок 0, дескриптор уничтожается.

В области индексных дескрипторов они упорядочены по номерам.

Порядок открытия файлов

1. Проверяется, существует ли файл и, если нет, то можно ли его создать.

2. Проверяются права доступа.

3. Если с файлом уже не ведется работа, то его индексный дескриптор копируется в ОП.

4. В области ядра создается структура типа File, отображающая текущее состояние и операции обмена данными с файлом.

5. Делается отметка в контексте процесса, совершившего системный вызов на операцию с данным файлом.

Возникает логичный вопрос: что такое файловая система и в чем ее предназначение? В данной статье дадим ответы на основные вопросы касательно наиболее распространенных ФС.

Что такое файловая система

Обычно вся информация записывается, хранится и обрабатывается на различных цифровых носителях в виде файлов. Далее, в зависимости от типа файла, кодируется в виде знакомых расширений – *exe, *doc, *pdf и т.д., происходит их открытие и обработка в соответствующем программном обеспечении. Мало кто задумывается, каким образом происходит хранение и обработка цифрового массива в целом на соответствующем носителе.

Операционная система воспринимает физический диск хранения информации как набор кластеров размером 512 байт и больше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги, которые также являются файлами, содержащими список других файлов в этом каталоге. Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Запись файлов большого объема приводит к необходимости фрагментации, когда файлы не сохраняются как целые единицы, а делятся на фрагменты. Каждый фрагмент записывается в отдельные кластеры, состоящие из ячеек (размер ячейки составляет один байт). Информация о всех фрагментах, как части одного файла, хранится в файловой системе.

Файловая система связывает носитель информации (хранилище) с прикладным программным обеспечением, организуя доступ к конкретным файлам при помощи функционала взаимодействия программ A PI. Программа, при обращении к файлу, располагает данными только о его имени, размере и атрибутах. Всю остальную информацию, касающуюся типа носителя, на котором записан файл, и структуры хранения данных, она получает от драйвера файловой системы.

Основные функции файловых систем

Файловая система отвечает за оптимальное логическое распределение информационных данных на конкретном физическом носителе. Драйвер ФС организует взаимодействие между хранилищем, операционной системой и прикладным программным обеспечением. Правильный выбор файловой системы для конкретных пользовательских задач влияет на скорость обработки данных, принципы распределения и другие функциональные возможности, необходимые для стабильной работы любых компьютерных систем. Иными словами, это совокупность условий и правил, определяющих способ организации файлов на носителях информации.

Основными функциями файловой системы являются:

размещение и упорядочивание на носителе данных в виде файлов;
определение максимально поддерживаемого объема данных на носителе информации;
создание, чтение и удаление файлов;
назначение и изменение атрибутов файлов (размер, время создания и изменения, владелец и создатель файла, доступен только для чтения, скрытый файл, временный файл, архивный, исполняемый, максимальная длина имени файла и т.п.);
определение структуры файла;
поиск файлов;
организация каталогов для логической организации файлов;
защита файлов при системном сбое;
защита файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого.

Задачи файловой системы

Функционал файловой системы нацелен на решение следующих задач:

присвоение имен файлам;
программный интерфейс работы с файлами для приложений;
отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
поддержка устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
содержание параметров файла, необходимых для правильного взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

Вся информация о файлах хранится в особых областях раздела (томах). Структура справочников зависит от типа файловой системы. Справочник файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы уникальных файлов и дополнительную информацию о них с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела.

Операционные системы и типы файловых систем

В случае с Windows все выглядит достаточно просто: NTFS на всех дисковых разделах и FAT32 (или NTFS) на флешках. Если установлен NAS (сервер для хранения данных на файловом уровне), и в нем используется какая-то другая файловая система, то практически никто не обращает на это внимания. К нему просто подключаются по сети и качают файлы.

На мобильных гаджетах с ОС Android чаще всего установлена ФС версии ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Владельцы продукции Apple зачастую вообще не имеют представления, какая файловая система используется на их устройствах – HFS+, HFSX, APFS, WTFS или другая. Для них существуют лишь красивые значки папок и файлов в графическом интерфейсе.

Рассмотрим более подробно виды файловых систем в зависимости от их предпочтительного использования с определенной операционной системой.

Файловые системы Windows

Исходный код файловой системы, получившей название FAT, был разработан по личной договоренности владельца Microsoft Билла Гейтса с первым наемным сотрудником компании Марком Макдональдом в 1977 году. Основной задачей FAT была работа с данными в операционной системе Microsoft 8080/Z80 на базе платформы MDOS/MIDAS. Файловая система FAT претерпела несколько модификаций – FAT12, FAT16 и, наконец, FAT32, которая используется сейчас в большинстве внешних накопителей. Основным отличием каждой версии является преодоление ограниченного объема доступной для хранения информации. В дальнейшем были разработаны еще две более совершенные системы обработки и хранения данных – NTFS и ReFS.

FAT (таблица распределения файлов)

Числа в FAT12, FAT16 и FAT32 обозначают количество бит, используемых для перечисления блока файловой системы. FAT32 является фактическим стандартом и устанавливается на большинстве видов сменных носителей по умолчанию. Одной из особенностей этой версии ФС является возможность применения не только на современных моделях компьютеров, но и в устаревших устройствах и консолях, снабженных разъемом USB.

Пространство FAT32 логически разделено на три сопредельные области:

зарезервированный сектор для служебных структур;
табличная форма указателей;
непосредственная зона записи содержимого файлов.

К недостатком стандарта FAT32 относится ограничение размера файлов на диске до 4 Гб и всего раздела в пределах 8 Тб. По этой причине данная файловая система чаще всего используется в USB-накопителях и других внешних носителях информации. Для установки последней версии ОС Microsoft Windows 10 на внутреннем носителе потребуется более продвинутая файловая система.

С целью устранения ограничений, присущих FAT32, корпорация Microsoft разработала обновленную версию файловой системы exFAT (расширенная таблица размещения файлов). Новая ФС очень схожа со своим предшественником, но позволяет пользователям хранить файлы намного большего размера, чем четыре гигабайта. В exFAT значительно снижено число перезаписей секторов, ответственных за непосредственное хранение информации. Функция очень важна для твердотельных накопителей ввиду необратимого изнашивания ячеек после определенного количества операций записи. Продукт exFAT совместим с операционными системами Mac, Android и Windows. Для Linux понадобится вспомогательное программное обеспечение.

NTFS (файловая система новой технологии)

ReFS (Resilient File System)

Последняя разработка Microsoft, доступная для серверов Windows 8 и 10. Архитектура файловой системы в основном организована в виде B + -tree. Файловая система ReFS обладает высокой отказоустойчивостью благодаря реализации новых функций:

Copy-on-Write (CoW) – никакие метаданные не изменяются без копирования;
данные записываются на новое дисковое пространство, а не поверх существующих файлов;
при модификации метаданных новая копия хранится в свободном дисковом пространстве, затем система создает ссылку из старых метаданных на новую версию.

Все это позволяет повысить надежность хранения файлов, обеспечивает быстрое и легкое восстановление данных.

Файловые системы macOS

Для операционной системы macOS компания Apple использует собственные разработки файловых систем:

HFS+, которая является усовершенствованной версией HFS, ранее применяемой на компьютерах Macintosh, и ее более соверешенный аналог APFS. Стандарт HFS+ используется во всех устройствах под управлением продуктов Apple, включая компьютеры Mac, iPod, а также Apple X Server.
Кластерная файловая система Apple Xsan, созданная из файловых систем StorNext и CentraVision, используется в расширенных серверных продуктах. Эта файловая система хранит файлы и папки, информацию Finder о просмотре каталогов, положениях окна и т.д.

Файловые системы Linux

В отличие от ОС Windows и macOS, ограничивающих выбор файловой системы предустановленными вариантами, Linux предоставляет возможность использования нескольких ФС, каждая из которых оптимизирована для решения определенных задач. Файловые системы в Linux используются не только для работы с файлами на диске, но и для хранения данных в оперативной памяти или доступа к конфигурации ядра во время работы системы. Все они включены в ядро и могут использоваться в качестве корневой файловой системы.

Основные файловые системы, используемые в дистрибутивах Linux:

Ext2, Ext3, Ext4 или Extended Filesystem – стандартная файловая система, первоначально разработанная еще для Minix. Содержит максимальное количество функций и является наиболее стабильной в связи с редкими изменениями кодовой базы. Начиная с ext3 в системе используется функция журналирования. Сегодня версия ext4 присутствует во всех дистрибутивах Linux.

JFS или Journaled File System разработана в IBM в качестве альтернативы для файловых систем ext. Сейчас она используется там, где необходима высокая стабильность и минимальное потребление ресурсов (в первую очередь в многопроцессорных компьютерах). В журнале хранятся только метаданные, что позволяет восстанавливать старые версии файлов после сбоев.

ReiserFS также разработана в качестве альтернативы ext3, поддерживает только Linux. Динамический размер блока позволяет упаковывать несколько небольших файлов в один блок, что предотвращает фрагментацию и улучшает работу с небольшими файлами. Недостатком является риск потери данных при отключении энергии.

XFS рассчитана на файлы большого размера, поддерживает диски до 2 терабайт. Преимуществом системы является высокая скорость работы с большими файлами, отложенное выделение места, увеличение разделов на лету, незначительный размер служебной информации. К недостаткам относится невозможность уменьшения размера, сложность восстановления данных и риск потери файлов при аварийном отключении питания.

Btrfs или B-Tree File System легко администрируется, обладает высокой отказоустойчивостью и производительностью. Используется как файловая система по умолчанию в OpenSUSE и SUSE Linux.

Другие ФС, такие как NTFS, FAT, HFS, могут использоваться в Linux, но корневая файловая система на них не устанавливается, поскольку они для этого не предназначены.

Дополнительные файловые системы

В операционных системах семейства Unix BSD (созданы на базе Linux) и Sun Solaris чаще всего используются различные версии ФС UFS (Unix File System), известной также под названием FFS (Fast File System). В современных компьютерных технологиях данные файловые системы могут быть заменены на альтернативные: ZFS для Solaris, JFS и ее производные для Unix.

Кластерные файловые системы включают поддержку распределенных хранилищ, расширяемость и модульность. К ним относятся:

Практический пример использования файловых систем

Владельцы мобильных гаджетов для хранения большого объема информации используют дополнительные твердотельные накопители microSD (HC), по умолчанию отформатированные в стандарте FAT32. Это является основным препятствием для установки на них приложений и переноса данных из внутренней памяти. Чтобы решить эту проблему, необходимо создать на карточке раздел с ext3 или ext4. На него можно перенести все файловые атрибуты (включая владельца и права доступа), чтобы любое приложение могло работать так, словно запустилось из внутренней памяти.

Операционная система Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела. С этой задачей легко справится Linux, который можно запустить, например, в виртуальной среде. Второй вариант - использование специальной утилиты для работы с логической разметкой, такой как MiniTool Partition Wizard Free . Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Андроид Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариантов.

Флешки и карты памяти быстро умирают как раз из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов. Гораздо лучше использовать на флеш-картах NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Небольшие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Благодаря индексации на NTFS поиск выполняется быстрее. Аналогичных примеров оптимизации работы с различными накопителями за счет правильного использования возможностей файловых систем существует множество.

Надеюсь, краткий обзор основных ФС поможет решить практические задачи в части правильного выбора и настройки ваших компьютерных устройств в повседневной практике.

Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В новом понимании файловая система состоит из многих составляющих, в число которых входят и файловые системы в традиционном понимании.

Новая файловая система имеет многоуровневую структуру (рисунок 7), на верхнем уровне которой располагается так называемый переключатель файловых систем (в Windows 95, например, такой переключатель называется устанавливаемым диспетчером файловой системы - installable filesystem manager, IFS). Он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конкретной файловой системой, к которой обращается это приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат, воспринимаемый следующим уровнем - уровнем файловых систем.

Рис. 8. Архитектура современной файловой системы

Каждый компонент уровня файловых систем выполнен в виде драйвера соответствующей файловой системы и поддерживает определенную организацию файловой системы. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу файловой системы. Приложение не может обращаться к нему напрямую. Драйвер файловой системы может быть написан в виде реентерабельного кода, что позволяет сразу нескольким приложениям выполнять операции с файлами. Каждый драйвер файловой системы в процессе собственной инициализации регистрируется у переключателя, передавая ему таблицу точек входа, которые будут использоваться при последующих обращениях к файловой системе.

Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода-вывода, образующей следующий слой файловой системы новой архитектуры. Подсистема ввода вывода - это составная часть файловой системы, которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы. Обычно эти модули представляют собой драйверы портов, которые непосредственно занимаются работой с аппаратными средствами. Кроме этого подсистема ввода-вывода обеспечивает некоторый сервис драйверам файловой системы, что позволяет им осуществлять запросы к конкретным устройствам. Подсистема ввода-вывода должна постоянно присутствовать в памяти и организовывать совместную работу иерархии драйверов устройств. В эту иерархию могут входить драйверы устройств определенного типа (драйверы жестких дисков или накопителей на лентах), драйверы, поддерживаемые поставщиками (такие драйверы перехватывают запросы к блочным устройствам и могут частично изменить поведение существующего драйвера этого устройства, например, зашифровать данные), драйверы портов, которые управляют конкретными адаптерами.

Большое число уровней архитектуры файловой системы обеспечивает авторам драйверов устройств большую гибкость - драйвер может получить управление на любом этапе выполнения запроса - от вызова приложением функции, которая занимается работой с файлами, до того момента, когда работающий на самом низком уровне драйвер устройства начинает просматривать регистры контроллера. Многоуровневый механизм работы файловой системы реализован посредством цепочек вызова.

В ходе инициализации драйвер устройства может добавить себя к цепочке вызова некоторого устройства, определив при этом уровень последующего обращения. Подсистема ввода-вывода помещает адрес целевой функции в цепочку вызова устройства, используя заданный уровень для того, чтобы должным образом упорядочить цепочку. По мере выполнения запроса, подсистема ввода-вывода последовательно вызывает все функции, ранее помещенные в цепочку вызова.

Внесенная в цепочку вызова процедура драйвера может решить передать запрос дальше - в измененном или в неизмененном виде - на следующий уровень, или, если это возможно, процедура может удовлетворить запрос, не передавая его дальше по цепочке.

Рис. 8. Архитектура современной файловой системы

Современные ОС предоставляют пользователю возможность работать сразу с несколькими ФС. ФС в традиционном понимании становится частью более общей многоуровневой структуры:

На верхнем уровне располагается т.наз. диспетчер файловых систем (например, в Windows 95 этот компонент называется installable filesystem manager). Он связывает запросы прикладной программы с конкретной файловой системой.

Каждая файловая система (иногда говорят — драйвер файловой системы) на этапе инициализации регистрируется у диспетчера, сообщая ему точки входа, для последующих обращений к данной файловой системе.

Та же идея поддержки нескольких ФС в рамках одной ОС может быть реализована по-другому, например, исходя из концепции виртуальной файловой системы. Виртуальная файловая система (vfs) представляет собой независимый от реализации уровень и опирается на реальные файловые системы (s5fs, UFS, FAT, NFS, FFS, Ext2fs). При этом возникают структуры данных виртуальной файловой системы типа виртуальных индексных узлов vnode, которые обобщают индексные узлы конкретных систем.

11) Алгоритмы планирования в операционных системах.

Когда компьютер работает в многозадачном режиме, на нем могут быть активными несколько процессов, пытающихся одновременно получить доступ к процессору. Эта ситуация возникает, когда два и более процессов находятся в состоянии готовности. Если доступен только один процессор, необходимо выбирать между процессами. Отвечающая за это часть операционной системы называется планировщиком, а используемый алгоритм — алгоритмом планирования.

Невытесняющее планирование используется, например, в MS Windows 3.1. При таком режиме планирования процесс занимает столько процессорного времени, сколько ему необходимо. При этом переключение процессов возникает только при желании самого исполняющегося процесса передать управление. При невытесняющем планировании возникает проблема возможности полного захвата процессора одним процессом, который вследствие каких-либо причин (например, из-за ошибки в программе) зацикливается и не может передать управление другому процессу.

Вытесняющее планирование обычно используется в системах разделения времени. В этом режиме планирования процесс может быть приостановлен в любой момент исполнения.

Алгоритмы планирования.

1. First-Come, First-Served(FCFS -первым пришел, первым обслужен). Представим себе, что процессы, находящиеся в состоянии готовность, выстроены в очередь. Когда процесс переходит в состояние готовность, он помещается в конец этой очереди. Выбор нового процесса для исполнения осуществляется из начала очереди с удалением оттуда ссылки на него. Очередь подобного типа имеет в программировании специальное наименование – FIFO, сокращение от First In, First Out (первым вошел, первым вышел).

Такой алгоритм выбора процесса осуществляет невытесняющее планирование. Процесс занимает столько процессорного времени, сколько ему необходимо. После этого для выполнения выбирается новый процесс из начала очереди.

Преимуществом алгоритма FCFS является легкость его реализации, но в то же время он имеет и много недостатков. Если у нас есть процесс с длительным временем исполнения, то короткие процессы, перешедшие в состояние готовность после длительного процесса, будут очень долго ждать начала выполнения. Поэтому алгоритм FCFS практически неприменим для систем разделения времени – слишком большим получается среднее время отклика в интерактивных процессах.

2. Round Robin (RR).Модификацией алгоритма FCFS является алгоритм, получивший название Round Robin (Round Robin – это вид детской карусели). По сути дела, это тот же самый алгоритм, только реализованный в режиме вытесняющего планирования. Можно представить себе все множество готовых процессов организованным циклически – процессы сидят на карусели. Карусель вращается так, что каждый процесс находится около процессора небольшой фиксированный квант времени, обычно 10 – 100 миллисекунд. Пока процесс находится рядом с процессором, он получает процессор в свое распоряжение и может исполняться.

На производительность алгоритма RR сильно влияет величина кванта времени. При очень больших величинах кванта времени, когда каждый процесс успевает завершиться до возникновения прерывания по времени, алгоритм RR вырождается в алгоритм FCFS. При очень малых величинах создается иллюзия того, что каждый из n процессов работает на собственном виртуальном процессоре с производительностью ~ 1/n от производительности реального процессора.

Реализуется такой алгоритм так же, как и предыдущий, с помощью организации процессов, находящихся в состоянии готовность, в очередь FIFO. Планировщик выбирает для очередного исполнения процесс, расположенный в начале очереди, и устанавливает таймер для генерации прерывания по истечении определенного кванта времени. При выполнении процесса возможны два варианта:

- Время непрерывного использования процессора, необходимое процессу, меньше или равно продолжительности кванта времени. Тогда процесс по своей воле освобождает процессор до истечения кванта времени, на исполнение поступает новый процесс из начала очереди, и таймер начинает отсчет кванта заново.

- Продолжительность остатка текущего времени исполнения процесса больше, чем квант времени. Тогда по истечении этого кванта процесс прерывается таймером и помещается в конец очереди процессов, готовых к исполнению, а процессор выделяется для использования процессу, находящемуся в ее начале.

3. Приоритетное планирование. При приоритетном планировании каждому процессу присваивается определенное числовое значение – приоритет, в соответствии с которым ему выделяется процессор. Процессы с одинаковыми приоритетами планируются в порядке FCFS.

Планирование с использованием приоритетов может быть как вытесняющим, так и невытесняющим. При вытесняющем планировании процесс с более высоким приоритетом, появившийся в очереди готовых процессов, вытесняет исполняющийся процесс с более низким приоритетом. В случае невытесняющего планирования он просто становится в начало очереди готовых процессов.

Главная проблема приоритетного планирования заключается в том, что при ненадлежащем выборе механизма назначения и изменения приоритетов низкоприоритетные процессы могут не запускаться неопределенно долгое время. Решение этой проблемы может быть достигнуто с помощью увеличения со временем значения приоритета процесса, находящегося в состоянии готовность.

4. Алгоритм SJF (Shortest-Job-First) представляет собой частный случай приоритетного планирования. Для алгоритма SJF в качестве приоритета выступает оценка продолжительности выполнения процесса. Чем меньше значение этой оценки, тем более высокий приоритет имеет процесс.

5. Многоуровневые очереди (Multilevel Queue). Для систем, в которых процессы могут быть легко рассортированы по разным группам, был разработан другой класс алгоритмов планирования. Для каждой группы процессов создается своя очередь процессов, находящихся в состоянии готовность. Этим очередям приписываются фиксированные приоритеты. Например, приоритет очереди системных процессов устанавливается выше, чем приоритет очередей пользовательских процессов. А приоритет очереди процессов, запущенных студентами, ниже, чем для очереди процессов, запущенных преподавателями. Это значит, что ни один пользовательский процесс не будет выбран для исполнения, пока есть хоть один готовый системный процесс, и ни один студенческий процесс не получит в свое распоряжение процессор, если есть процессы преподавателей, готовые к исполнению. Внутри этих очередей для планирования могут применяться самые разные алгоритмы. Так, например, для больших счетных процессов, не требующих взаимодействия с пользователем (фоновых процессов), может использоваться алгоритм FCFS, а для интерактивных процессов – алгоритм RR.

Подобный подход, получивший название многоуровневых очередей, повышает гибкость планирования: для процессов с различными характеристиками применяется наиболее подходящий им алгоритм.

Языки программирования и методы трансляции:

11) Алгоритмы планирования в операционных системах.

Алгоритмы планирования.

Читайте также: