Какие действия по управлению процессами выполняет ос кратко

Обновлено: 30.06.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Процесс – программа в стадии выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство: список адресов от минимума до максимума, который процесс может прочесть и в которые он может писать. Адресное пространство: сама программа, данные к ней, ее стек.

Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, указатель стека и др. + вся необходимая информация для запуска программы, кроме регистров.

В период своего существования процесс проходит через ряд дискретных состояний:

- выполняется, если в данный момент времени ему выделен ЦП

- готов, если он мог бы сразу использовать ЦП, предоставленный в его распоряжение

- блокирован, если он ожидает появление какого-либо события

Когда в систему поступает некоторое задание, она создает соответствующие процессы, которые затем устанавливаются в конец списка готовых процессов. Этот процесс постепенно продвигается к головной части списка по мере завершения выполнения предыдущих процессов. Когда процесс окажется первым в списке готовых и когда освобождается ЦП, этому процессу выделяется ЦП, и говорят что происходит смена состояния процессов (переходит из состояния готовности в состояние выполнения). Чтобы предотвратить либо случайный, либо умышленный монопольный захват ресурсов компьютера каким-то одним процессом, ОС устанавливает в специальном аппаратном таймере прерываний временной интервал, в течении которого любому процессу разрешается занимать ЦП. Если процесс добровольно не освобождает ЦП в течение указанного временного интервала, таймер вырабатывает сигнал прерывания, по которому управление будет передано ОС. После этого ОС переведет ранее выполнявшийся процесс в состояние готовности, а первый процесс списка готовых – в состояние выполнения.

Представителем процесса в ОС является блок управления процессом (дескриптор процесса). Это структура данных, содержащая: идентификатор процесса, приоритет процесса, состояние, указатели памяти, указатели выделенных ресурсов. Область сохранения регистров.

Когда ОС переключает ЦП с процесса на процесс, она использует области сохранения регистров, предусмотренные в блоке управления процессом, чтобы запомнить ? информацию, необходимую для рестарта каждого процесса, необходимую при следующем обращении процесса к ЦП.

Процесс (задача) – абстракция, описывающая выполняющуюся в рамках ОС программу. Для ОС процесс – единица работы, которая потребляет системные ресурсы.

Задачи, решаемые подсистемой управления процессами:

Планирование процессов - распределение процессорного времени: что, сколько, и когда выполняется;
Создание и уничтожение процессов - ОС обеспечивает старты, выделяет ресурсы, обеспечивает уничтожение, освобождение ресурсов и т.д.
Обеспечение процессов системными ресурсами (памятью, различными устройствами)
Поддержка взаимодействия между процессами (обеспечение межпроцессорного взаимодействия)

С понятием управления процессами в ОС связаны следующие технологии:

Содержание

Состояния процесса в ОС

Состояние процесса в ходе жизненного цикла в ОС

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе.

В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ - несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно "вытеснен" из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени. В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.

Информация о процессе:

Режим работы процессора.
Информация об открытых файлах.
Регистры.
Состояние внешних устройств.
Операции ввода – вывода.

Информационные структуры описывающие процессы

Существует две информационные структуры по-разному описывающие процессы - контекст процесса и дескриптор процесса.

Контекст процесса

Контекст процесса содержит информацию о внутреннем состоянии процесса, а также отражает состояние аппаратуры в момент прерывания процесса и включает параметры операционной среды. Содержит часть информации необходимой для возобновления выполнения процесса с прерванного места.

В состав контекста процесса входит:

содержимое регистров процессора (включает счётчик команд, т.е. на каком этапе находится процесс);
размещение кодового сегмента;
информацию об открытых данным процессом файлах;
информацию о работах с внешними устройствами (+ коды ошибок выполненных процессором, системных вызовов, незавершенных операциях ввода-вывода).

Дескриптор процесса

Дескриптор процесса – это информационная структура, которая описывает внешнюю структуру (информацию) процессе (нужна планировщику для выполнения процесса, а так же нужна ядру в течение всего жизненного цикла процесса)

В состав дескриптора входят:

Идентификатор процесса;
Состояние процесса.
Информация о привилегированности процесса.
Информация о расположении кодового сегмента.

Дескрипторы присутствуют в качестве элементов списка. Для того, чтобы ОС выбирала процессы надо иметь идентификаторы процессов и т.д., т.е. дескрипторы. Дескрипторы отдельных процессов объединены в список, образующих таблицу процессов. Память для таблицы процессов отводиться динамически в области ядра. На основании соседних в таблице процессов ОС осуществляет планирование и синхронизацию процессов. Потоки образуют очереди готовых и ожидающих потоков путём объединения в списки дескрипторов отдельных потоков. Такая организация очередей позволяет легко их переупорядочить, включать и исключать процессы, переводить процессы из одного состояния в другое.

Алгоритмы планирования процессов в ОС

Задача планирования процессов состоит из трех действий:

Определение момента времени для смены, выполняемого в данный момент, процесса.
Выбор того процесса из очереди готовности, которому будет передано управление.
Переключение контекста (переключение между процессами).

Первые два действия выполняются на программном уровне (специально написанный код) и относятся к планированию, третье – на аппаратном уровне и относится к диспетчеризации.

Создание процесса

Создание процесса:

ОС создает контекст и дескриптор процесса.
Загрузка кодового сегмента в оперативную память.
Дескриптор помещается в очередь процессов, находящихся в готовности.

С этого момента можно считать, что процесс стартовал.

Разберём подробно вопрос создания процесса. Когда запускается приложение, Операционная Система создаёт две информационные структуры: контекст и дескриптор (идентификатор и т.д.). Кодовый элемент грузится в оперативную память (информацию о нём заносится в контекст). Затем дескриптор процесса включается в очередь процессов; далее планировщик решает, что процесс должен быть выполнен, а дескриптор процесса находится в очереди готовых процессов. Прежде прервать выполнение процесса, ОС вначале сохраняет его контекст, чтобы в последствие использовать эту инструкцию для последовательного возобновления. Затем контекст обновляется (переключение контекста) и активный контекст получает информацию о новом процессе. Далее процессу выделяются ресурсы, процессорное время и т.д. При удалении процесса: уничтожается дескриптор и удаляется контекст. Новый процесс может получить дескриптор с тем же номером.

Алгоритмы планирования процессов

В зависимости от того, какие критерии накладываются, алгоритмы планирования могут основываться на:

Алгоритмы, основанные на квантовании времени

Алгоритмы, основанные на квантовании времени – любому процессу на выполнение отводится определенный квант времени (несколько милисекунд). Переключение активного процесса происходит если:

Истек срок времени, выделенного на выполнение процесса.
Процесс завершился.
Процесс перешел в состояние ожидания.

По истечении выделенного времени планировщик ставит другой процесс. Если до истечения времени процесс находится в режиме ожидания, запускается другой процесс. Кванты времени выделенные процессами, могут быть для разных процессов одинаковыми или различными. Кванты, выделяемые одному процессу могут быть фиксированной величины, а могут и изменяться в разные периоды жизни процесса. Некоторые из процессов используют полученные кванты времени не полностью из-за необходимости выполнить операции ввода-вывода. Тогда возникает ситуация, когда процессы с интенсивными обращениями к вводу-выводу используют только небольшую часть выделенного им процессорного времени. В качестве компенсации за не полностью использованные кванты, процессы получают привилегии при последующем обслуживании (создают две очереди готовых процессов, прежде всего просматривается вторая очередь; если она пуста, квант выделяется процессу из первой очереди)

Выбор новых процессов может быть построен по принципам:

Алгоритмы, основанные на приоритетах

Приоритет – число, характеризующее степень привилегированности процесса (обычно выражается числом). В каждой ОС это число трактуется по своему, оно может быть фиксированным или изменяться. В случае если изменяется, то называется динамическим (начальное значение устанавливает администратор) в отличие от неизменяемых, фиксированных приоритетов. Чем выше приоритет, тем выше привелегия, тем меньше времени проводит поток в очереди.

Существует 2 разновидности таких алгоритмов:

Использующие относительные приоритеты.
Использующие абсолютные приоритеты.

Алгоритмы планирования с относительными приоритетами – активный процесс выполняется пока не завершится или не перейдет в состояние ожидания.

Алгоритмы планирования с абсолютными приоритетами – смена процесса происходит в тот момент, когда в системе появляется процесс, приоритет которого выше приоритета выполняемого процесса.

Реально используются смешанные схемы планирования.

Вытесняющий и невытесняющий алгоритмы планирования

Существует два основных типа процедур планирования процессов - вытесняющие (preemptive) и невытесняющие (non-preemptive).

Non-preemptive multitasking - невытесняющая многозадачность - это способ планирования процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление планировщику операционной системы для того, чтобы тот выбрал из очереди другой, готовый к выполнению процесс.

Preemptive multitasking - вытесняющая многозадачность - это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается планировщиком операционной системы, а не самой активной задачей.

Понятия preemptive и non-preemptive иногда отождествляются с понятиями приоритетных и бесприоритетных дисциплин, что совершенно неверно, а также с понятиями абсолютных и относительных приоритетов, что неверно отчасти. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность - это более широкие понятия, чем типы приоритетности. Приоритеты задач могут как использоваться, так и не использоваться и при вытесняющих, и при невытесняющих способах планирования. Так в случае использования приоритетов дисциплина относительных приоритетов может быть отнесена к классу систем с невытесняющей многозадачностью, а дисциплина абсолютных приоритетов - к классу систем с вытесняющей многозадачностью. А бесприоритетная дисциплина планирования, основанная на выделении равных квантов времени для всех задач, относится к вытесняющим алгоритмам.

Основным различием между preemptive и non-preemptive вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования задач. При вытесняющей многозадачности механизм планирования задач целиком сосредоточен в операционной системе, и программист пишет свое приложение, не заботясь о том, что оно будет выполняться параллельно с другими задачами. При этом операционная система выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения активной задачи, запоминает ее контекст, выбирает из очереди готовых задач следующую и запускает ее на выполнение, загружая ее контекст.

При невытесняющей многозадачности механизм планирования распределен между системой и прикладными программами. Прикладная программа, получив управление от операционной системы, сама определяет момент завершения своей очередной итерации и передает управление ОС с помощью какого-либо системного вызова, а ОС формирует очереди задач и выбирает в соответствии с некоторым алгоритмом (например, с учетом приоритетов) следующую задачу на выполнение. Такой механизм создает проблемы, как для пользователей, так и для разработчиков.

Для пользователей это означает, что управление системой теряется на произвольный период времени, который определяется приложением (а не пользователем). Если приложение тратит слишком много времени на выполнение какой-либо работы, например, на форматирование диска, пользователь не может переключиться с этой задачи на другую задачу, например, на текстовый редактор, в то время как форматирование продолжалось бы в фоновом режиме. Эта ситуация нежелательна, так как пользователи обычно не хотят долго ждать, когда машина завершит свою задачу.

Поэтому разработчики приложений для non-preemptive операционной среды, возлагая на себя функции планировщика, должны создавать приложения так, чтобы они выполняли свои задачи небольшими частями. Например, программа форматирования может отформатировать одну дорожку дискеты и вернуть управление системе. После выполнения других задач система возвратит управление программе форматирования, чтобы та отформатировала следующую дорожку. Подобный метод разделения времени между задачами работает, но он существенно затрудняет разработку программ и предъявляет повышенные требования к квалификации программиста. Программист должен обеспечить "дружественное" отношение своей программы к другим выполняемым одновременно с ней программам, достаточно часто отдавая им управление. Крайним проявлением "недружественности" приложения является его зависание, которое приводит к общему краху системы. В системах с вытесняющей многозадачностью такие ситуации, как правило, исключены, так как центральный планирующий механизм снимет зависшую задачу с выполнения.

Однако распределение функций планировщика между системой и приложениями не всегда является недостатком, а при определенных условиях может быть и преимуществом, потому что дает возможность разработчику приложений самому проектировать алгоритм планирования, наиболее подходящий для данного фиксированного набора задач. Так как разработчик сам определяет в программе момент времени отдачи управления, то при этом исключаются нерациональные прерывания программ в "неудобные" для них моменты времени. Кроме того, легко разрешаются проблемы совместного использования данных: задача во время каждой итерации использует их монопольно и уверена, что на протяжении этого периода никто другой не изменит эти данные. Существенным преимуществом non-preemptive систем является более высокая скорость переключения с задачи на задачу.

Однако почти во всех современных операционных системах, ориентированных на высокопроизводительное выполнение приложений (UNIX, Windows NT, OS/2), реализована вытесняющая многозадачность. Вытесняющую многозадачность часто называют истинной многозадачностью.

Синхронизация процессов в ОС

Проблема синхронизации процессов

Рассмотрим пример: в системе два прикладных процесса, которые будут работать с очередью печати.

Аннотация: В лекции рассматриваются: архитектура ОС и ее функциональность; управление процессами как основная функция ОС; обзор базовых механизмов синхронизации процессов - семафоров и мониторов.

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

В данной и следующей лекциях рассмотрена архитектура ОС. Будут рассмотрены следующие вопросы:

Компоненты системы
Сервисы (службы) системы
Системные вызовы
Системные программы
Структура системы
Виртуальные машины
Проектирование и реализация системы
Генерация системы.

Основные компоненты ОС

Операционная система – весьма сложная по архитектуре программная система, в которой можно выделить следующие основные компоненты:

Управление процессами
Управление основной памятью
Управление файлами
Управление системой ввода-вывода
Управление внешней памятью
Поддержка сетей (networking)
Система защиты (protection)
Система поддержки командного интерпретатора .
Графическая оболочка.

Рассмотрим эти компоненты подробнее.

Управление процессами. Процесс – это программа пользователя в ходе ее выполнения в компьютерной системе. ОС управляет работой процессов, их распределением по процессорам и ядрам системы, порядком их выполнения и размещения в памяти, их синхронизацией при параллельном решении частей одной и той же задачи разными процессами.

Управление основной памятью.Основная (оперативная) память может рассматриваться как большой массив . Операционная система распределяет ресурсы памяти между процессами, выделяет память по запросу, освобождает ее при явном запросе или по окончании процесса, хранит списки занятой и свободной памяти в системе.

Управление файлами. Файл – это логическая единица размещения информации на внешнем устройстве, например, на диске. ОС организует работу пользовательских программ с файлами, создает файлы, выполняет их открытие и закрытие и операции над ними (чтение и запись ), хранит ссылки на файлы в директориях (папках) и обеспечивает их поиск по символьным именам.

Управление системой ввода-вывода.Как уже отмечалось, в компьютерной системе имеется большое число внешних устройств (принтеры, сканеры, устройства управления компакт-дисками и др.), управляемых специальными контроллерами (спецпроцессорами) и драйверами – низкоуровневыми программами управления устройствами, выполняемыми в привилегированном режиме. ОС управляет всеми этими аппаратными и программными компонентами , обеспечивая надежность работы внешних устройств , эффективность их использования, диагностику и реконфигурацию в случае их сбоев и отказов. Для этого ОС хранит и использует таблицу состояния устройств (см. "Архитектура компьютерной системы" ).

Управление внешней памятью.Как уже говорилось, внешняя (вторичная) память – это расширение оперативной памяти процессора более медленными, но более емкими и постоянно хранящими информацию видами памяти (диски, ленты и др.). При управлении внешней памятью ОС решает задачи, аналогичные задачам управления основной памятью, - выделение памяти по запросу, освобождение памяти , хранение списков свободной и занятой памяти и др. ОС поддерживает также использование ассоциативной памяти (кэш-памяти) для оптимизации обращения ко внешней памяти.

Система защиты.Согласно современным принципам надежных и безопасных вычислений (см. "Понятие операционной системы (ОС), цели ее работы. Классификация компьютерных систем" ), при работе ОС должны быть обеспечены надежность и безопасность , т.е. защита от внешних атак, конфиденциальность личной и корпоративной информации, диагностика и исправления ошибок и неисправностей и др. ОС обеспечивает защиту компонент компьютерной системы, данных и программ, поддерживает фильтрацию сетевых пакетов , обнаружение и предотвращение внешних атак, хранит информацию обо всех действиях над системными структурами, полезную для анализа атак и борьбы с ними.

Система поддержки командного интерпретатора.Любая операционная система поддерживает командный язык (или набор командных языков ), состоящих из пользовательских команд, выполняемых с пользовательского терминала (из пользовательской консоли). Типичные команды – это получение информации об окружении, установка и смена текущей рабочей директории, пересылка файлов, компиляция и выполнение программ, получение информации о состоянии системы и выполнении своих процессов и др. В системе Windows для выполнения команд по традиции используется окно пользовательской консоли MS DOS (MS DOS Prompt ), в системе Linux – специальное окно " Терминал " (Start / System Tools / Terminal ). Наиболее мощные командные процессоры имеются в системах типа UNIX ( UNIX , Solaris, Linux и др.). Их командные языки позволяют писать скрипты – командные файлы, содержащие часто используемые последовательности команд ОС. В UNIX это наиболее удобно. Можно назвать такие командные языки UNIX , как sh (Bourne Shell), csh (C shell), ksh (Korn shell), bash.Каждый UNIX -программист имеет свой излюбленный командный язык и привыкает постоянно использовать скрипты и длинные нетривиальные последовательности команд, которые он выполняет с терминала. Что касается Windows , сравнительно недавно в ней появился мощный командный интерпретатор PowerShell,который и рекомендуется к использованию. Кроме того, для Windows имеется система CygWin,позволяющая выполнять команды и командные файлы UNIX в среде Windows . Типичная последовательность команд в стиле UNIX : ps –a | grep saf , которая выводит в стандартный вывод информацию об активных процессах , причем только принадлежащих пользователю saf.Вертикальная черта (p1 | p2) обозначает операцию конвейер (pipe),позволяющую использовать стандартный вывод процесса p1 как стандартный ввод процесса p2, что и используется операцией grep ( фильтрация строк , содержащих заданную последовательность). Подробнее о UNIX (Linux) можно прочитать в книге [ 16 ] .

Графическая оболочка – подсистема ОС, реализующая графический пользовательский интерфейс пользователей и системных администраторов с операционной системой. Разумеется, использование одного лишь командного языка и системных вызовов неудобно, поэтому простой и наглядный графический пользовательский интерфейс с ОС необходим. Имеется много известных графических оболочек для операционных систем, причем их возможности очень похожи друг на друга - настолько, что подчас не вполне понятно, какая именно ОС используется. Среди графических оболочек, используемых в системах типа UNIX , можно назвать CDE , KDE, GNOME. ОС Windows и MacOS имеют собственные, весьма удобные графические оболочки.

Управление процессами

Процесс (process) - это пользовательская программа при ее исполнении в компьютерной системе. Для выполнения процесса требуется ряд ресурсов, включая время процессора, память , файлы, устройства ввода-вывода , сетевые устройства и др.

В классической схеме UNIX , при создании процесса для него создается новое пространство виртуальной памяти, т.е. таблица страниц для отображения виртуальных адресов в физические, своя для каждого нового процесса. При этом расходуются значительные ресурсы. Если учесть, что в UNIX каждая команда пользователя (например, ls – вывод содержимого текущей директории ) запускается как отдельный процесс, то становится понятным, насколько "дорога" операция создания процесса в классическом смысле. Поэтому еще в 1980-х гг. появилась концепция облегченного процесса (lightweight process) – выполняемого в том же пространстве виртуальной памяти, что и процесс-родитель. При создании нового облегченного процесса ОС создает для него только стек – системный резидентный массив в памяти, предназначенный для поддержки выполнения процедур процесса и хранящий их локальные данные и связующую информацию между ними.

ОС отвечает за следующие действия, связанные с управлением процессами:

Создание и удаление процессов. При создании процесса необходимо создать в памяти соответствующие системные структуры (таблицу страниц, стек и др.). При удалении процесса память , занимаемая ими, освобождается, а также выполняется закрытие всех файлов и освобождение всех других ресурсов, которые использовал процесс, если последний не сделал этого явно.

Приостановка и возобновление процессов. Выполнение процесса приостанавливается при выполнении синхронного ввода-вывода , а также системного вызова или команды (типа suspend ). Сразу отметим, что использовать подобные операции явной приостановки процессов следует с осторожностью, так как приостанавливаемый процесс может находиться в своей критической секции – выполнять обработку общего ресурса, к которому каждому процессу предоставляется монопольный доступ , так что при его приостановке возникает ситуация тупика (deadlock ) – приостановленный процесс не может освободить ресурс , а конкурирующий процесс не может его получить. При приостановке процесса ОС сохраняет состояние его выполнения, а при возобновлении – восстанавливает.

Синхронизация процессов. Процессы работают параллельно и при этом конкурируют за общие ресурсы, а также должны в некоторые моменты вычислений ожидать наступления некоторых событий. Для предотвращения возможных конфликтов и несогласованностей, например, race condition - несогласованного доступа к общим данным, при котором один процесс читает старые данные, а другой их в этот же момент обновляет, - ОС предоставляет средства синхронизации (например, семафоры и мониторы, рассмотренные в следующем разделе).

Семафоры.В 1966 г. в работе [ 17 ] проф. Эдсгер Дейкстра предложил новый способ синхронизации процессов , ставший классическим, - семафоры.

Двоичный семафор (binary semaphore) – переменная S, которая может находиться в двух состояниях: "открыт" и "закрыт"; над S определены две операции ( "семафорные скобки"): P(S) – закрыть, V(S) – открыть. При попытке закрыть уже закрытый семафор происходит прерывание , и ОС добавляет текущий процесс в очередь к закрытому семафору. Операция V(S) активизирует первый стоящий в очереди к S процесс, который успешно завершает операцию P(S). Если семафор S уже открыт, операция V(S) не имеет никакого эффекта.

Таким образом, если предположить, что аппаратура и ОС поддерживают подобную концепцию семафора, то она является удобным инструментом для синхронизации по ресурсам. Назовем критической секцией код, который может выполняться несколькими процессами параллельно и осуществляет доступ к некоторому общему для всех процессов ресурсу – глобальной области памяти, общему файлу и т.д. Обозначим код критической секции critical_section.Если допустить, что данный код может выполняться параллельно в нескольких процессах напрямую, то может возникнуть уже известная нам ситуация race condition ( конкуренция за общие данные): один процесс может изменять ресурс , а второй в этот момент считывать его (некорректное) состояние, либо два процесса одновременно будут пытаться изменять один и тот же ресурс , что приведет к нарушению его целостности. Таким образом, для критических секций необходимо решить задачу взаимного исключения (mutual exclusion) – в каждый момент времени не более чем один из параллельных процессов может выполнять критическую секцию . С помощью семафоров Дейкстры эта задача решается легко и изящно: код критической секции должен иметь вид

P(S); critical_section; V(S);

В самом деле, предположим, что несколько процессов выполняют данный код. Первый из них, который начал выполнять операцию P(S), закрывает семафор S и получает доступ к критической секции . Все остальные процессы, которые пытаются выполнить операцию P(S) над закрытым семафором S, прерываются и попадают в очередь к закрытому семафору. Когда первый процесс закончил работу с ресурсом, он открывает семафор S операцией V(S) для первого процесса из очереди, который, выполнив P(S), вновь закрывает семафор, и т.д.

Очень важное свойство операций P и V в следующем: они атомарны (atomic) для других процессов, т.е. если процесс начал выполнять операцию P(S) или V(S), то никакой другой процесс до ее завершения не может также начать выполнять аналогичную операцию.

Подведем итог: для синхронизации процессов по общему ресурсу необходимы взаимное исключение выполнения критических секций и атомарность операций синхронизации.

Однако следует заметить, что использование семафоров – далеко не идеальный способ синхронизации, с точки зрения надежности. При их неаккуратном использовании возможна ситуация тупика (взаимной блокировки, deadlock ), при которой образуется цепочка процессов, бесконечно ждущих друг друга. Простейший способ создать deadlock – использовать два семафора S1 и S2, так, что первый параллельный процесс пытается выполнить код P(S1); P(S2),а второй – код P(S2); P(S1).Очевидно, что при любом соотношении времен выполнения операций будут закрыты оба семафора, на которых и будут "висеть" оба процесса, не в состоянии двинуться дальше. Как же избежать подобных ситуаций? Ведь ни компилятор , ни операционная система не подскажут программисту правильный способ использования семафоров. Очень легко также "забыть" вызов V(S) и, тем самым, сделать общий ресурс "навеки" недоступным для других процессов. Один из способов решения этой задачи заключается в том, чтобы использовать специальные инструменты и технологии, автоматически обеспечивающие "правильную" последовательность применения операций над семафорами. Один из таких инструментов – аспектно-ориентированное программирование [ 19 ] .

Мониторы – еще один, более надежный способ синхронизации, предложенный в 1974 г. одним из классиков компьютерных наук профессором Чарльзом Хоаром [ 18 ] .

Монитор – многовходовый модуль M, в котором определены общие для процессов данные D (скрытые) и (абстрактные) операции P1, … PN над этими данными (в виде процедур).

В каждый момент не более чем один из параллельных процессов может вызвать какую-либо из операций: M.Pi (X, Y, …)

Вызов каждой операции монитора – атомарен (как и операции над семафором).

Монитор – еще один удобный механизм синхронизации процессов по ресурсам. Он более надежен, чем семафоры, поскольку вызов операции монитора автоматически обеспечивает разблокировку ресурса после завершения вызова.

Мониторы включены Ч. Хоаром в разработанный им язык Concurrent Pascal для параллельного программирования и разработки операционных систем.

Подробнее о семафорах и мониторах – в специальных разделах курса, посвященных управлению процессами и синхронизации процессов .

Под управлением процессами понимаются процедуры ОС, обеспечивающие запуск системных и прикладных программ, их выполнение и завершение.

В однозадачных ОС управление процессами решает следующие задачи:

· загрузка программы в память, подготовка ее к запуску и запуск на выполнение;

· выполнение системных вызовов процесса;

· обработка ошибок, возникших в ходе выполнения;

· нормальное завершение процесса;

· прекращение процесса в случае ошибки или вмешательства пользователя.

Все эти задачи решаются сравнительно просто.

В многозадачном режиме добавляются значительно более серьезные задачи:

· эффективная реализация параллельного выполнения процессов на единственном процессоре, переключение процессора между процессами;

· выбор очередного процесса для выполнения с учетом заданных приоритетов процессов и статистики использования процессора;

· исключение возможности несанкционированного вмешательства одного процесса в выполнение другого;

· предотвращение или устранение тупиковых ситуаций, возникающих при конкуренции процессов за системные ресурсы;

· обеспечение синхронизации процессов и обмена данными между ними.

Реализация многозадачного режима

Понятия процесса и ресурса

Еще один важный момент в определении – упоминание данных. В многозадачных системах зачастую одна и та же программа может запускаться несколько раз (например, можно несколько раз открыть текстовый редактор Notepad для разных файлов). Это означает, что несколько процессов могут использовать одну и ту же программу, но с разными данными.

Синхронный параллелизм предполагает наличие общей тактовой последовательности, управляющей шагами выполнения параллельно работающих процессов. Синхронная организация используется в некоторых типах многопроцессорных вычислительных систем.

При асинхронном параллелизме никакого общего такта нет. Процессы выполняются независимо друг от друга, при этом не делается никаких предположений об их сравнительной скорости, о соотношении времени выполнения различных фрагментов программ и т.п. Сопоставить продвижение разных процессов можно только в явно заданных точках программы процессов, называемых точками синхронизации. Синхронизация обычно означает ожидание одним процессом какого-либо события, связанного с другим процессом. Например, после разветвления выполнения на две параллельные ветви и выполнения ветвями определенных задач может понадобиться свести ветви воедино: та ветвь, которая закончила свое выполнение раньше, должна дождаться завершения другой ветви. Другой пример: процесс, выполняющий обработку введенных строк, может ждать, пока другой процесс не прочтет очередную строку из файла или с клавиатуры.

Точка синхронизации может быть связана также с обменом данными между процессами. Когда процесс-приемник завершает прием данных, то можно быть, по крайней мере, уверенным, что процесс-источник достиг того места в программе, где он должен был передать данные.

В дальнейшем всюду будет рассматриваться только асинхронный параллелизм, поскольку он характерен для работы ОС.

Другим основополагающим понятием, тесно связанным с управлением процессами, является понятие ресурса. Под ресурсом понимается любой аппаратный или программный объект, который может понадобиться для работы процессов и доступ к которому может при этом вызвать конкуренцию процессов. Говоря упрощенно, ресурс – это нечто дефицитное в вычислительной системе. К важнейшим ресурсам любой системы относятся процессор (точнее сказать, процессорное время), основная память, периферийные устройства, файлы. В зависимости от конкретной ОС, к дефицитным ресурсам могут относиться места в таблице процессов или в таблице открытых файлов, буферы кэша, блоки в файле подкачки и другие системные структуры данных.

Если два процесса никак не связаны логикой своей работы, то никакой синхронизации или обмена данными между ними нет, однако такие процессы все же могут оказывать косвенное влияние друг на друга вследствие конкуренции за ресурсы. Многозадачная ОС управляет доступом процессов к ресурсам. В некоторых случаях система временно закрепляет ресурс за одним процессом, отказывая другим процессам в доступе или заставляя их ждать освобождения ресурса. В других случаях оказывается возможным совместный доступ нескольких процессов к одному ресурсу.

Читайте также: