- •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
ГОУВПО «Воронежский государственный
технический университет»
А.Ю. Савинков
УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСАМИ В ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ: ПРОЦЕССОР, ПАМЯТЬ, СИНХРОНИЗАЦИЯ
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2010
УДК 004.451.001.25
Савинков А.Ю. Управление ресурсами в операционных системах: процессор, память, синхронизация: учеб. пособие / А.Ю. Савинков. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. 202 с.
В учебном пособии рассматриваются базовые алгоритмические решения управления основными ресурсами в операционных системах: планирование загрузки процессоров, синхронизация процессов, память. Изложенные подходы имеют универсальный характер и помогут лучше понять принципы построения и работы современных операционных систем.
Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 090100 “Информационная безопасность”, специальностям 09102 “Компьютерная безопасность” и 090106 “Информационная безопасность телекоммуникационных систем”, дисциплинам «Безопасность операционных систем» и «Операционные системы».
Издание предназначено студентам очной формы обучения.
Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле Управление ресурсами.doc.
Табл. 1. Ил. 58. Библиогр.: 9 назв.
Рецензенты: Кафедра радиофизики физического факультета Воронежского государственного университета; д.т.н., профессор Н.Н. Толстых
© Савинков А.Ю., 2010
© Оформление ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010
Введение
Управление ресурсами является важнейшей функцией многозадачной операционной системы и является основой для создания среды выполнения программ – виртуальной машины, создаваемой операционной системой для прикладных программ, которая изолирует программы друг от друга и от особенностей аппаратной реализации компьютера, делая программы переносимыми и совместимыми с большим парком компьютеров (однотипных, но не одинаковых!). Подсистемы управления процессорами и памятью являются частью системы управления ресурсами операционной системы. Эти подсистемы в значительной степени определяют производительность и стабильность работы компьютера. Подсистема управления процессорами также определяет предметную ориентацию операционной системы: система реального времени, вычислительный сервер, интерактивная система и т.п.
В данном учебном пособии описываются базовые подходы к управлению процессорами и памятью, рассматриваются основы синхронизации процессов и межпроцессного взаимодействия. Изложение выполняется без привязки к конкретной операционной системе, поскольку рассматриваемые подходы являются универсальными и применяются (возможно, с некоторыми модификациями) в любой современной операционной системе.
Знание базовых принципов управления ресурсами поможет эффективно использовать возможности реальных операционных систем при решении практических задач.
Управление ресурсами: общие сведения
Ресурсы – это аппаратные или программные компоненты компьютера (операционной системы), услугами которых могут пользоваться исполняющиеся программы. В качестве ресурсов могут выступать любые реальные и виртуальные устройства или программные объекты (файлы, разделяемые структуры данных и т.п.). Задача управления ресурсами возникает только в тех случаях, когда имеется конкуренция за ресурсы среди выполняющихся программ (если ресурсов достаточно сразу для всех программ, например, если на многопроцессорной машине число запущенных программ меньше числа процессоров, то управлении ресурсами становится тривиальным). Задача управления ресурсами состоит в том, чтобы обеспечить для конкурирующих программ оптимизированный, эффективный и бесконфликтный доступ к требуемым ресурсам.
С точки зрения подсистемы управления ресурсами, ресурсы могут быть делимыми и неделимыми. Неделимые ресурсы, это такие ресурсы, одновременный доступ к которым со стороны двух или более программ не имеет смысла или невозможен. Конкурирующие программы могут использовать неделимые ресурсы только в режиме разделения времени. Типичным примером неделимого ресурса является процессор.
Делимые ресурсы, это такие ресурсы, доступ к которым могут одновременно получить две или более программ. Типичным примером делимого ресурса является память.
Операционная система реализует управление ресурсами на уровне процессов. Процесс – это объект операционной системы, представляющий в операционной системе программу во время ее выполнения. Ресурсы выделяются процессам по их запросам. Для неделимых ресурсов операционная система должна определить когда, на какое время, и в каком порядке она предоставит конкурирующим процессам доступ к требуемым ресурсам. Для делимых процессов дополнительно надо решить, какая доля ресурса будет выделена каждому процессу. Если операционная система не может немедленно предоставить процессу требуемый ресурс, она может временно приостановить выполнение процесса, переведя его в состояние блокировки.
Всякий алгоритм управления ресурсом, реализованный в операционной системе, ставит перед собой определенную цель, критерий своей работы. Например, таким критерием может быть стремление обеспечить всем процессам равное среднее время ожидания, или стремление завершить максимальное число процессов в единицу времени. Критерий, реализуемый алгоритмом управления ресурсом, называется стратегией управления.
Возвращаясь к нашему примеру, можно говорить о стратегии равенства среднего времени ожидания, или о стратегии максимальной пропускной способности.
В свою очередь, для реализации выбранной стратегии управления часто могут быть использованы различные альтернативные подходы. Алгоритмы, направленные на реализацию выбранной стратегии, называют дисциплинами управления ресурсами.
Заметим, что реальные дисциплины управления, применяемые на практике, не всегда в точности реализуют выбранную стратегию управления, т.к. точная реализация часто оказывается либо слишком сложной, либо вообще невозможной. Дисциплина управления ресурсом называется оптимальной, если она в точности реализует заявленную стратегию. В большинстве случаев используются квазиоптимальные дисциплины, сочетающие высокую эффективность и простоту реализации.
К дисциплинам управления ресурсами предъявляется ряд обязательных требований:
справедливость – дисциплина управления ресурсами должна исключать возможность бесконечного откладывания выполнения запроса процесса;
предсказуемость – одинаковые задачи в одинаковых условиях должны выполняться примерно одинаковое время, а новые запросы не должны оказывать существенное влияние на время выполнения ранее принятых запросов;
плавная деградация характеристик при росте нагрузки – с ростом интенсивности поступления запросов может расти время их выполнения, но система не должна «зависать» при перегрузке.