ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Лекция 6 (ЧАСТЬ 2) материал подобран Румянцевой Галиной Николаевной (доцент кафедры ВСИ) Основной источник лекции: Гордеев, А. В. Операционные системы : Учебник для вузов. 2 -е изд. / А. В. Гордеев. – СПб. : Питер, 2009. – 416 с. 1
§ 2. 7. Процессы и задачи Понятия мультипрограммного и мультизадачного режимов работы достаточно близки, это все-таки не одно и то же. Мультипрограммный режим предполагает, что операционная система организует параллельное выполнение нескольких вычислительных процессов на одном компьютере. Вычислительный процесс может, в принципе, никак не зависеть от другого вычислительного процесса. Разве что они могут задержать выполнение друга из-за. необходимости поочередно разделять ресурсы или сильно задерживать выполнение друга при владении неразделяемым ресурсом. У них может не быть ни общих файлов, ни общих переменных. Они вообще могут принадлежать разным пользователям. Просто эти процессы, с позиций внешнего наблюдателя, выполняются на одном и том же компьютере в одно и то же время. Хотя могут выполняться и в разное время, и на разных компьютерах, главное — это то, что мультипрограммный режим обеспечивает для этих процессов их независимость. Каждому процессу операционная система выделяет затребованные ресурсы, он выполняется как бы на отдельной виртуальной машине. Средства защиты системы должны обеспечить невмешательство одного вычислительного процесса в другой вычислительный процесс. И если такую защиту обеспечить невозможно, то система не может считаться надежной. Немало методов и конкретных способов было придумано разработчиками для обеспечения надежных вычислений и предотвращения возможности намеренно или по ошибке повлиять на результаты вычислений в другом процессе. 2
Процессы и задачи Однако существует и другая потребность: не разделить вычислительные процессы друг от друга, а наоборот совместить их, обеспечить возможность тесного взаимодействия между осуществляемыми вычислениями. Например, результаты вычислений одного вычислительного процесса могут требоваться для начала или продолжения работы другого. Существует огромное количество ситуаций, когда необходимо обеспечить активное взаимодействие между выполняющимися вычислительными процессами. Если нет. возможности получить доступ к переменным другого процесса, ибо операционная система построена надежно и защищает адресные пространства одного вычислительного процесса от вмешательства другого вычислительного процесса, то возникают очень серьезные препятствия на пути передачи каких бы то ни было данных между процессами. Термин мультизадачный режим работы стали применять для случаев, когда необходимо обеспечить взаимодействие между вычислениями. Мультизадачный режим означает, что операционная система позволяет организовать параллельное выполнение вычислений, и имеются специальные механизмы для передачи данных, синхросигналов, каких-либо сообщений между этими взаимодействующими вычислениями. Это можно сделать за счет того, что такие вычисления не должны системой изолироваться друг от друга. Операционная система не должна для них в обязательном порядке задействовать все механизмы защиты вычислений от невмешательства друг в друга. При мультизадачном режиме разработчик программы должен позаботиться о разделении ресурсов между его задачами. Операционная система будет всего лишь разделять процессорное время между задачами. 3
Процессы и задачи Понятие процесса было введено для реализации идей мультипрограммирования. Термин задача тоже, к сожалению, в большинстве случаев применялся для того же. В свое время различали термины «мультизадачность» и «мультипрограммирование» , но потом они стали заменять друга, и это вносило немалую путаницу. Таким образом, для реализации мультизадачности в ее исходном толковании. необходимо было ввести соответствующую сущность. Такой сущностью стали легковесные (thin) процессы, или, как их теперь преимущественно называют, потоки вьтолнения нити, или треды (threads). Когда говорят о процессах (process), то тем самым хотят отметить, что операционная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы — файлы, окна, семафоры и т. д. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы вычислительной системы, конкурируют друг с другом за доступ к ресурсам. В общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принадлежать даже разным пользователям, разделяющим одну вычислительную систему. Поток выполнения (thread) не следует путать с потоком данных (stream). Другими словами, в случае процессов операционная система считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно операционная система берет на себя роль арбитра в спорах конкурирующих процессов за ресурсы. Она же и обеспечивает защиту выполняющихся вычислений. 4
Процессы и задачи Однако желательно иметь еще и возможность задействовать внутренний параллелизм, который может быть в самих процессах. Внутренний параллелизм встречается достаточно часто и позволяет ускорить вычисления. Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего исполнения достаточно длительное использование центрального процессора. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. . Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при работе с графическими редакторами при обработке больших изображений с высокой степенью детализации. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (легковесных процессов, потоков выполнения, или задач), которые могут выполняться параллельно с другими подпроцессами (потоками, задачами), то у пользователя появляется возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса). Легковесными процессы называют потому, что операционная система не должна для них организовывать полноценную виртуальную машину, то есть эти задачи, прежде всего, не имеют своих собственных ресурсов, а развиваются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, выделенными ОС данному процессу. Единственное, что они имеют свое — это процессорный ресурс. В однопроцессорной системе потоки выполнения (задачи) разделяют между собой процессорное время так же, как это делают обычные процессы, а в мультипроцессорной системе они могут выполняться одновременно, если не встречают конкуренции из-за обращения к иным ресурсам. 5
Процессы и задачи Главное, что обеспечивает многопоточность — это возможность параллельно выполнять несколько видов операций в одной прикладной программе. Параллельные вычисления (а следовательно, и более эффективное использование ресурсов центрального процессора, и меньшее суммарное время выполнения задач) гораздо удобнее реализовать не на уровне процессов, но на уровне задач (потоков, тредов). И программа, разработанная с использованием механизма потоков, представляемая как некоторое множество задач в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет параллельного. функционирования ее отдельных частей. Особенно это выгодно при наличии нескольких процессоров, ибо каждая задача может выполняться на отдельном процессоре. Например, если электронная таблица, текстовый процессор или графический редактор были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа, слияние нескольких документов или преобразование изображения и одновременно продолжать заполнять таблицу, открывать для редактирования следующий документ, изменять другое изображение. Особенно эффективно можно использовать многопоточность для выполнения распределенных приложений. Например, многопоточный сервер может параллельно выполнять запросы сразу нескольких клиентов. Как известно, операционная система OS/2 была одной из первых систем, используемых в персональных компьютерах, которая поддерживала многопоточность. В середине 90 -х годов для этой операционной системы было создано большое количество приложений, в которых наличие механизмов многопоточной обработки реально приводило к существенному повышению скорости вычислений. Для систем Windows, с которыми мы все имеем дело, ярко выраженной многопоточностью обладают такие продукты, как SQL Server, Oracle. И хотя те же Word, Excel, Internet Explorer также при своей работе образуют потоки, явного параллелизма в этих программах почти не поддерживается. Поэтому при увеличении числа процессоров в компьютере такие программы не начинают выполняться быстрее. 6
Процессы и задачи Итак, сущность «поток выполнения» была введена для того, чтобы именно с помощью этих единиц распределять процессорное время между возможными работами. Сущность «процесс» предполагает, что при диспетчеризации нужно учитывать все ресурсы, закрепленные за ним. При манипулировании задачами-потоками можно менять только контекст задачи, если мы переключаемся с одной задачи на другую в рамках одного процесса. Все остальные вычислительные ресурсы при этом не затрагиваются. Каждый процесс всегда состоит, по крайней мере, из одного потока выполнения, и только если. имеется внутренний параллелизм, программист может «расщепить» один поток на несколько параллельных. Потребность в потоках возникла еще в однопроцессорных вычислительных системах, поскольку они позволяли организовать вычисления более эффективно. Для использования достоинств многопроцессорных систем с общей памятью потоки уже просто необходимы, так как позволяют не только реально ускорить выполнение тех задач, которые допускают их естественное распараллеливание, но и загрузить процессорные элементы работой, с тем чтобы они не простаивали. Заметим, однако, что желательно, чтобы можно было свести к минимуму взаимодействие потоков между собой, ибо ускорение от одновременного выполнения параллельных потоков может быть сведено к минимуму из-за задержек синхронизации и обмена данными. Каждый поток выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Потоки, как и процессы, могут порождать потоки-потомки, поскольку любой процесс состоит по крайней мере из одного потока. Подобно традиционным процессам (то есть процессам, состоящим из одного потока), каждый поток может находиться в одном из активных состояний. Пока один поток заблокирован (или просто находится в очереди готовых к исполнению задач), другой поток того же процесса может выполняться. Потоки разделяют процессорное время так же, как это делают 7 обычные процессы, в соответствии с различными вариантами диспетчеризации.
Процессы и задачи Как уже упоминалось, иногда потоки выполнения называют легковесными процессами. Как мы уже знаем, все потоки имеют одно и то же виртуальное адресное пространство своего процесса. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к каждому виртуальному адресу, один поток может использовать стек другого потока. Между потоками нет полной защиты, потому что, во-первых, это невозможно, а во-вторых, не нужно. Все потоки одного. процесса всегда решают общую задачу одного пользователя, и механизм потоков используется здесь для более быстрого решения задачи путем ее распараллеливания. При этом программисту очень важно получить в свое распоряжение удобные средства организации взаимодействия частей одной программы. Повторим, что кроме разделения адресного пространства, все потоки разделяют также набор открытых файлов, устройства, выделенные процессу, имеют одни и те же наборы сигналов, семафоры и т. п. А что у потоков является их собственным? Собственными являются программный счетчик, стек, рабочие регистры процессора, потоки-потомки, состояние. Вследствие того, что потоки, относящиеся к одному процессу, выполняются в одном и том же виртуальном адресном пространстве, между ними легко организовать тесное взаимодействие, в отличие от процессов, для которых нужны специальные механизмы обмена сообщениями и данными. Более того, программист, создающий многопоточное приложение, может заранее продумать работу множества потоков процесса таким образом, чтобы они могли взаимодействовать наиболее выгодным способом, а не конкурировать за ресурсы тогда, когда этого можно избежать. 8
Процессы и задачи Для того чтобы можно было эффективно организовать параллельное выполнение рассмотренных сущностей (процессов и потоков), в архитектуру современных процессоров включены средства для работы со специальной информационной структурой, описывающей ту или иную сущность. Для этого уже на уровне архитектуры микропроцессора используется понятие задача (task). Оно как бы объединяет в себе и обычный процесс, и поток выполнения (тред). Это понятие и поддерживаемая для него на уровне аппаратуры информационная структура позволяют в дальнейшем при разработке. операционной системы строить соответствующие дескрипторы как для задач, так и для процессов. И отличаться эти дескрипторы будут прежде всего тем, что дескриптор задачи может хранить только контекст приостановленного вычислительного процесса, тогда как дескриптор процесса должен содержать поля, описывающие тем или иным способом ресурсы, выделенные этому процессу. Для хранения контекста задачи в микропроцессорах с архитектурой 132 имеется специальный сегмент состояния задачи (Task State Segment, TSS). A для отображения информации о процессе используется уже иная информационная структура, однако она включает в себя TSS. Другими словами, сегмент состояния задачи, подробно рассматриваемый в разделе «Адресация в 32 -разрядных микропроцессорах i 80 x 86 при работе в защищенном режиме» главы 4, используется как основа для дескриптора процесса. Таким образом, дескриптор процесса больше по размеру, чем TSS, и включает в себя такие традиционные поля, как идентификатор процесса, его имя, тип, приоритет и проч. Каждый поток (в случае использования так называемой «плоской» модели памяти) может быть оформлен в виде самостоятельного сегмента, что приводит к тому, что простая (не многопоточная) программа будет иметь всего один сегмент кода в виртуальном адресном пространстве. 9
Процессы и задачи Теперь, если вернуться к уже упомянутому файлу CONFIG. SYS, в котором для операционной системы OS/2 указываются наиболее важные параметры, определяющие ее работу, стоит заметить, что в этом файле строка THREADS=1024 указывает на количество не процессов, а именно задач. И под задачей в данном случае понимается как процесс, так и поток этого процесса. К большому сожалению, практически невозможно использовать термины «задача » и. «процесс» с однозначным толкованием, чтобы под задачей обязательно понимать поток, в то время как термин «процесс» означал бы множество потоков. Значение этих терминов по-прежнему сильно зависит от контекста. И это характерно практически для каждой книги, в том числе и для учебной литературы. Грешен этим и автор. Остается надеяться, что со временем все же ситуация изменится, и толкование этих слов будет более четким и строгим. В завершение можно привести несколько советов по использованию потоков выполнения при создании приложений, заимствованных из [28]. • В случае однопроцессорной системы множество параллельных потоков часто не ускоряет работу приложения, поскольку в каждый отдельно взятый промежуток времени возможно выполнение только одного потока. Кроме того, чем больше у вас потоков, тем больше нагрузки на систему, относящиеся к переключению между ними. Мультизадачность из более двух постоянно работающих потоков в вашем проекте не сделает программу быстрее, если каждый из потоков не будет требовать частого вводавывода. 10
Процессы и задачи • Вначале нужно понять, для чего необходим поток. Поток, осуществляющий обработку, может помешать системе быстро реагировать на запросы ввода-вывода. Потоки позволяют программе отзываться на просьбы пользователя и устройств, но при этом (в том числе) сильно загружают процессор. Потоки позволяют компьютеру одновременно обслуживать множество устройств, и созданный вами поток, отвечающий за обработку специфического устройства, как минимум может потребовать столько времени, сколько. системе необходимо для обработки запросов от всех устройств. • Потокам можно назначать разные приоритеты для того, чтобы наименее значимые процессы выполнялись в фоновом режиме. Это путь честного разделения ресурсов процессора. Однако необходимо осознать тот факт, что процессор один на всех, а потоков много. Если в вашей программе главная процедура передает нечто для обработки в низкоприоритетный поток, то сама программа становится просто неуправляемой. • Потоки хорошо работают, когда они независимы. Но они начинают работать непродуктивно, когда вынуждены часто синхронизироваться для доступа к общим ресурсам. Взаимные блокировки и критические секции отнюдь не добавляют скорости работы системы, хотя без использования этих механизмов взаимодействующие вычисления организовывать нельзя. • Помните, что память виртуальна. Механизм виртуальной памяти следит за тем, какая часть виртуального адресного пространства должна находиться в оперативной памяти, а какая должна быть сброшена в файл подкачки. 11
Процессы и задачи Потоки усложняют ситуацию, если они обращаются в одно и то же время к разным адресам виртуального адресного пространства приложения. Это значительно увеличивает нагрузку на систему, особенно при небольшом объеме кэшпамяти. Помните, что реально память не всегда «свободна» , как это пишут в информационных окошках «О системе» . Всегда отождествляйте доступ к памяти с доступом к файлу на диске и создавайте приложение с учетом вышесказанного. • Всякий раз, когда. любой из ваших потоков пытается воспользоваться общим ресурсом вычислительного процесса, которому он принадлежит, вы обязаны каким-то образом легализовать и защитить вашу деятельность. Хорошим средством для этого являются критические секции, семафоры и очереди сообщений (см. главу 7). Если вы протестировали ваше приложение и не обнаружили ошибок синхронизации, то это еще не значит, что их там нет. Пользователь может создавать самые непредсказуемые ситуации. Это очень ответственный момент в разработке многопоточных приложений. • Не возлагайте на поток несколько функций. Сложные функциональные отношения затрудняют понимание общей структуры приложения, его алгоритм. Чем проще и однозначнее каждая из рассматриваемых ситуаций, тем больше вероятность, что ошибок удастся избежать. 12
Скачать презентацию ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Лекция 6 ЧАСТЬ 2 материал подобран
ОС_лекция6+(прочитать).ppt