- •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
Упреждающее чтение
По аналогии с системой виртуальной памяти, возможна реализация упреждающего чтения данных с диска в дисковый кэш. Так как на практике большинство файлов считываются с диска последовательно, то упреждающее чтение реализовать не очень сложно, и при этом может быть получен заметный выигрыш в производительности.
Реализация дискового кэша на основе виртуальной памяти
Работа системного дискового кэша во многом напоминает работу механизма подкачки страниц в системе виртуальной памяти. В этой связи, довольно очевидной выглядит идея поручить системе виртуальной памяти управление также и дисковым кэшем.
Системный дисковый кэш мог бы быть построен на основе механизма отображения файлов на виртуальное адресное пространство. Действительно, пользовательские процессы никогда не обращаются к данным на диске непосредственно по номерам дисковых блоков, они всегда используют для этого файлы. Всякий раз, при открытии файла, операционная система может автоматически отображать файл (фрагмент файла) на системное виртуальное адресное пространство. Затем, когда процессы формируют запросы на чтение или запись данных, операционная система может просто копировать данные из системного адресного пространства в пользовательское. При этом, для перемещения данных между дисковым накопителем и ОЗУ используются стандартные механизмы системы виртуальной памяти – выборка и замещение.
3.6 Надежность операционной системы при использовании системного дискового кэша
Системный дисковый кэш существенно повышает эффективность дисковых операций, но при этом снижает надежность работы операционной системы. Проблема связана с использованием в дисковом кэше концепции отложенной записи.
При использовании отложенной записи, многие данные, предназначенные для записи на диск, реально на диск еще не записаны и сохраняются в кэше. При корректном завершении работы операционной системы, все эти данные будут сохранены на диске перед остановкой системы. Однако в аварийной ситуации, например при внезапном прекращении подачи электропитания, данные дискового кэша будут потеряны.
При этом потеря файловых данных хоть и не желательна, но не фатальна. Возможны существенно более серьезные проблемы при потере служебных данных файловой системы, например данных, описывающих размещение файлов на диске. Это грозит крахом всей системы и потерей абсолютно всех данных на диске.
Необходимость удовлетворения противоречивых требований по производительности и надежности дисковой подсистемы, потребовало усложнения организации файловых систем. Обычным решением стало дублирование информации о размещении файлов и ведение журналов файловых систем, позволяющих выполнить откат к последнему корректному состоянию файловой системы, возможно, с потерей части данных.
Для минимизации ущерба от аварийного завершения работы системы, используется принудительная синхронизация дискового кэша с диском. Для этого, по истечению некоторого интервала времени (в современных системах 1 секунды), запускается запись на диск всех блоков дискового кэша, помеченных как модифицированные. При наличии такой синхронизации, аварийное завершение работы операционной системы не приводит к большой потере данных. В крайнем случае, будут потеряны данные последнего интервала , что в большинстве случаев некритично.
Кроме того, ряд критических дисковых операций, которые преимущественно связаны с управлением файловой системой, могут выполняться вообще без кэширования.