42)Диспетчеризация процессов. Планировщики процессов.

Блок управления процессом (Process Control Block – PCB) – системная структура данных, используемая ОС для управления процессом, содержащая следующую информацию, ассоциируемую с каждым процессом:

• Состояние процесса

• Текущее значение счетчика команд (используется при продолжении выполнения процесса);

• Значения регистров процессора (также используются при возобновлении процесса);

• Информация для диспетчеризации процессора (указатель на стек процесса, номер процесса);

• Информация для управления памятью (границы области памяти процесса);

• Статистическая информация (общее время выполнения процесса, оставшееся из заявленного время выполнения, суммарное время ввода-вывода и т.д.)

• Информация о состоянии ввода-вывода (список открытых файлов).

Переключение с одного процесса на другой

Операционная система при управлении процессами обеспечивает их поочередное выполнение. Эту задачу решает планировщик ОС.

При управлении двумя процессами P0 и P1, при прерывании или системном вызове в процессе P0 операционная система сохраняет его состояние в его блоке управления процессом и переключает процессор на процесс P1 (аналогично обрабатывается процесс P1).

Очереди, связанные с диспетчеризацией процессов

Каждый процесс всю свою жизнь проводит в очередях. Для управления процессами ОС организует следующие очереди:

• Очередь заданий (job queue) – cодержит множество всех процессов в системе. В нее попадает каждый новый процесс и остается в ней в течение всего пребывания в системе.

• Очередь готовых процессов (ready queue) – наиболее часто используемая и изменяемая очередь, содержащая множество всех процессов, находящихся в основной памяти и готовых к выполнению. В нее попадает каждый новый процесс, который система допускает к выполнению, а также каждый процесс после выполнения ввода-вывода или наступление ожидаемого события.

• Очереди процессов, ожидающих ввода-вывода (device queues) – множества процессов, ожидающих результата работы устройств ввода-вывода (для каждого устройства организуется своя очередь).

Управление процессами операционной системой и поведение процессов в системе можно рассматривать как миграцию между различными очередями.

В очереди готовых процессов находятся те процессы, ввод-вывод в которых завершен. Процессы, выполняющие ввод-вывод или ждущие возможности его выполнить (освобождения соответствующего устройства) стоят в очереди к устройству. Некоторые устройства могут быть свободны, другие – содержать более одного процесса в очереди. Следует также обратить внимание на организацию очереди, с точки зрения представления данных. Полезный прием состоит в том, что для очереди хранится не только ссылка на начало (голову), но и ссылка на конец (хвост), что позволяет более эффективно управлять очередями (например, быстро добавить элемент в конец очереди). Место процесса в очереди определяется его приоритетом. Более подробно алгоритмы работы с очередями (как с одной из классических структур данных) описаны в монографии Д. Кнута [15].

Планировщики, выполняющие диспетчеризацию процессов

В операционной системе диспетчеризация процессов выполняется обычно несколькими планировщиками,каждый из которых имеет свою периодичность вызовов и свою определенную задачу, которую он решает.

Долговременный планировщик (планировщик заданий) определяет, какие процессы должны быть перемещены в очередь готовых процессов, вызывается относительно редко, так как система не столь часто принимает решения о переводе процесса в очередь готовых процессов. Поэтому он может быть сравнительно медленным, не столь эффективно реализованным.

Кратковременный планировщик (планировщик процессора) – определяет, какие процессы должны быть выполнены следующими и каким процессам должен быть предоставлен процессор. Он вызывается очень часто, по крайней мере не реже, чем по истечение очередного кванта времени процессора. Поэтому он должен быть очень быстрым, максимально эффективно реализованным. Понятно, что недопустимо, например, если время работы этого планировщика окажется сравнимым с размером самого кванта времени – слишком велики будут накладные расходы.

Для реализации режима разделения времени в систему может быть добавлен также планировщик откачки и подкачки процессов, определяющий, какие пользовательские процессы должны быть подкачаны в память или откачаны на диск.

Однако, поскольку основной задачей системы в целом остается обслуживание как можно большего числа процессов, именно долговременный планировщик определяет степень (коэффициент) мультипрограммирования – число процессов, которое обслуживает система в единицу времени.

Сами процессы также могут вести себя по-разному, с точки зрения их диспетчеризации. Процессы могут быть:

• Ориентированными на ввод-вывод (I/O-bound) – процессы, которые тратят больше времени на ввод-вывод, чем на вычисления. Такие процессы обычно расходуют много коротких квантов процессорного времени.

• Ориентированные на использование процессора (CPU-bound) – процессы, которые тратят основное время на вычисления. Такие процессы расходуют небольшое число долговременных квантов процессорного времени.

Переключение контекста

Когда процессор переключается на другой процесс, система должна сохранить состояние старого процесса и загрузить сохраненное состояние для нового процесса. Такое действие системы называется переключением контекста (context switch).

Переключение контекста относится к накладным расходам (overhead), так как система не выполняет никаких полезных действий при переключении с одного процесса на другой.

Время переключения контекста зависит от аппаратной поддержки. Выше мы рассматривали необходимые действия системы в таких случаях – сохранение состояния приостанавливаемого процесса в его PCB и восстановление состояния возобновляемого процесса из его PCB.