- •Введение
- •Управление ресурсами: общие сведения
- •Управление процессами
- •2.1 Состояния процессов и переходы между ними
- •Стратегии и дисциплины планирования загрузки процессоров
- •Стратегия одинакового среднего времени ожидания
- •Дисциплина планирования fifo
- •Справедливая стратегия
- •Дисциплина планирования rr
- •Влияние величины кванта времени на величину средней задержки ответа
- •Стратегия максимальной пропускной способности
- •Дисциплина планирования sjf
- •Дисциплина планирования srt
- •Дисциплина планирования hrrn
- •Стратегия приоритетного планирования
- •Дисциплина лотерейного планирования
- •Дисциплины планирования с множеством очередей
- •Планирование с последовательным прохождением очередей
- •Дисциплина планирования vrr
- •Планирование на основе множества очередей с обратными связями
- •2.3 Планирование в многопользовательской системе – справедливое планирование
- •2.4 Планирование загрузки процессоров в операционных системах реального времени – частотно-монотонное планирование
- •2.5 Планирование загрузки процессоров в многопроцессорных системах
- •Многопроцессорная система с главным процессором
- •Организация с собственным планировщиком для каждого процессора
- •Симметричная многопроцессорная организация (smp)
- •Разбиение системных таблиц
- •Смещение моментов прерывания таймера
- •Стратегия планирования загрузки процессоров в многопроцессорной системе
- •Стратегия распределения загрузки
- •Стратегия максимальной производительности при параллельных вычислениях – бригадное планирование
- •Метод расщепление цикла
- •Метод редукции высоты дерева
- •Параллельное вычисление по альтернативным ветвям
- •Бригадное планирование процессов в многопроцессорной системе
- •2.6 Синхронизация выполнения процессов
- •Алгоритмы взаимоисключения с активным ожиданием
- •Алгоритм 1
- •Алгоритм 2
- •Алгоритм 3
- •Алгоритм 4
- •Алгоритм 5
- •Алгоритм Деккера
- •Алгоритм Петерсона
- •Алгоритм на основе команды процессора "проверить и установить"
- •Алгоритм на основе команды процессора "обменять данные"
- •Недостатки алгоритмов с активным ожиданием
- •Алгоритмы взаимоисключения с блокировкой процессов
- •Открытие объекта синхронизации
- •Закрытие объекта синхронизации
- •Вхождение в критическую секцию
- •Выход из критической секции
- •Замечания по реализации примитивов синхронизации
- •Мониторы
- •2.7 Взаимная блокировка процессов (тупики)
- •Необходимые условия возникновения тупика
- •Методы борьбы с тупиками
- •Предотвращение тупиков
- •Нарушение ожидания дополнительных ресурсов
- •Нарушение неперераспределимости ресурсов
- •Нарушение условия кругового ожидания
- •Устранение тупиков
- •Обнаружение тупиков
- •Управление памятью
- •3.1 Иерархическая модель памяти
- •Оценка среднего времени доступа к данным при использовании многоуровневой модели памяти
- •Локализация ссылок при обращении к памяти
- •3.2 Виртуальная память
- •Предпосылки создания виртуальной памяти
- •Архитектура виртуальной памяти
- •Подсистема трансляции адресов
- •Метод прямого отображения
- •Метод ассоциативного отображения
- •Метод комбинированного отображения
- •Архитектура виртуального адресного пространства
- •Сегментная организация виртуальной памяти
- •Страничная организация виртуальной памяти
- •Сегментно-страничная организация виртуальной памяти
- •Отображение файла на виртуальное адресное пространство
- •Совместное использование данных в оперативной памяти
- •3.3 Основные стратегии управления памятью
- •Стратегии выборки данных
- •Стратегии размещения данных
- •Выделение памяти по стратегии первого подходящего
- •Выделение памяти по стратегии наиболее подходящего
- •Выделение памяти по стратегии наименее подходящего
- •Стратегии замещения данных
- •Замещение с немедленной перезаписью и замещение с буферизацией
- •Замещение с локальной и глобальной областью видимости
- •3.4 Управление виртуальной памятью
- •Выборка в системе виртуальной памяти
- •Реализация выборки по требованию
- •Размещение в системе виртуальной памяти
- •Замещение в системе виртуальной памяти
- •Стратегия выталкивания случайной страницы
- •Оптимальная стратегия
- •Дисциплина fifo – выталкивание наиболее старой страницы
- •Дисциплина lru – выталкивание дольше всего неиспользуемой страницы
- •Дисциплина lfu – выталкивание страницы с наименьшей частотой обращений
- •Дисциплина nru – выталкивание страницы, не используемой в последнее время
- •Часовой алгоритм
- •Управление резидентным множеством страниц процесса
- •Понятие рабочего множества страниц процесса
- •Управление резидентными множествами на основе рабочих множеств
- •Глобальное замещение, динамическое резидентное множество
- •Локальное замещение, фиксированное резидентное множество
- •Локальное замещение, динамическое резидентное множество
- •Алгоритм на основе оценки частоты прерываний – дисциплина pff (Page Fault Frequency)
- •Алгоритм с переменным пробным интервалом – дисциплина vsws
- •Влияние размера страницы
- •Оптимизация работы дискового накопителя
- •Оптимизация механических перемещений головок диска
- •Основы устройства и функционирования дисковых накопителей
- •Стратегии оптимизации механических перемещений головок диска
- •Стратегия fcfs – Fist Come First Served
- •Стратегия sstf – Shortest Seek Time First
- •Стратегия scan – Scanning
- •Стратегия n-step scan – n-step Scanning
- •Системный дисковый кэш
- •Структура системного дискового кэша
- •Хэширование, хэш-функции и хэш-очереди
- •Структура блока и очередей дискового кэша
- •Работа системного дискового кэша
- •Упреждающее чтение
- •Реализация дискового кэша на основе виртуальной памяти
- •3.6 Надежность операционной системы при использовании системного дискового кэша
- •Буферизация ввода-вывода на пользовательском уровне
- •3.7 Процессорный кэш
- •Отображение участков озу на процессорный кэш
- •Случайное отображение участков озу в процессорный кэш
- •Детерминированное отображение участков озу в процессорный кэш
- •Комбинированное отображение участков озу в процессорный кэш
- •Работа процессорного кэша в режиме записи данных
- •3.8 Динамическое распределение памяти
- •Куча (heap)
- •Алгоритмы динамического распределения памяти
- •Отложенное объединение свободных блоков
- •Оптимизация списка свободных блоков
- •Метод парных меток для поддержания списка блоков кучи
- •Специальные алгоритмы динамического распределения памяти из кучи
- •Метод близнецов (или метод двойников)
- •Алгоритм выделения блоков памяти одинакового размера
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Управление процессами
2.1 Состояния процессов и переходы между ними
Ранее мы определили процесс как объект операционной системы, представляющий программу во время ее выполнения. В многозадачной операционной системе одновременно могут существовать сотни и тысячи процессов. Поскольку число процессоров, как правило, значительно меньше числа процессов (до недавнего времени чаще всего был только один, сейчас, при использовании многоядерных процессоров, обычно имеется не более 8 виртуальных процессоров), то только малая часть процессов может реально исполнять свои программы, большая же часть процессов находится в состоянии готовности к выполнению. Кроме того, в системе могут быть процессы, не готовые выполняться ввиду отсутствия требуемых ресурсов, неготовности данных или ожидающих какое-либо событие, например, пользовательский ввод. Такие процессы операционная система переводит в состояние блокировки.
Рис.1. Основные состояния процесса и переходы между ними
На рис. 1 показаны основные состояния процесса и возможные переходы между ними.
В реальной операционной системе может быть определено и большее количество состояний процесса (например, в UNIX – 9), добавлены переходы (например, прямой переход из состояния блокировки в состояние выполнения), но три показанных на рис. 1 состояния и переходы между ними являются базовыми, представленными в любой операционной системе.
Новые процессы переходят в состояние готовности к выполнению. В ходе выполнения процессы могут завершаться или блокироваться, в результате чего освобождается процессор. При освобождении процессора он загружается одним из готовых к выполнению процессов. В некоторых случаях операционная система может снимать с выполнения процесс, даже если он еще мог бы продолжить работу. Такой процесс переводится из состояния выполнения в состояние готовности к выполнению, а процессор загружается другим процессом из числа готовых к выполнению.
Компонент операционной системы, отвечающий за переключение процессов из состояния готовности к выполнению в состояние выполнения и обратно, называется подсистемой планирования загрузки процессоров, или просто планировщиком.
Если планировщик только загружает освободившийся процессор (после блокирования или завершения текущего процесса), никогда не снимая с выполнения процесс, которые еще может выполняться (не предусмотрен переход из состояния выполнения в состояние готовности к выполнению), то такое планирование называется планированием без переключения. Легко понять, что планирование без переключения соответствует не вытесняющей многозадачности.
Планирование с переключением, напротив, допускает вытеснение текущего процесса с выполнения и передачу процессора другому процессу, выполнение которого с точки зрения системы планирования более целесообразно.
Планирование без переключения имеет ряд недостатков, в частности:
непригодно для обслуживания интерактивных процессов, т.к. не может гарантировать время реакции на пользовательский ввод;
не обеспечивает высокой пропускной способности, т.к. не учитывает возможность появления в состоянии готовности коротких процессов, которые могли бы завершиться раньше текущего процесса.
В то же время, планирование без переключения выгодно для решения вычислительных задач. Это связано с наличием в процессоре кэша и буфера трансляции адресов для системы виртуальной памяти. В ходе выполнения программы в кэше и буфере трансляции накапливаются данные, активно используемые программой, что повышает скорость ее работы (см. рис. 2).
Рис.2. Зависимость производительности вычислений от времени работы процесса
Кроме того, перевод процесса в состояние выполнения, равно как и вывод процесса из этого состояния, являются достаточно сложными задачами, связанными с пересылкой значительных объемов данных. Таким образом, частые переключения процессов невыгодны и снижают производительность системы.