19. Синхронизирующие объекты ос: системные семафоры, мьютексы, события, сигналы.
В случае синхронизации потоков разных процессов операционная система должна предоставлять потокам системные объекты синхронизации, которые были бы видны для всех потоков, даже если они принадлежат разным процессам и работают в разных адресных пространствах.
Примерами таких синхронизирующих объектов ОС являются:
системные семафоры
мьютексы
события
таймеры и другие.
Чтобы процессы могли разделять синхронизирующие объекты, в разных ОС используются разные методы
возврат указателя на объект, доступного всем родственным процессам, наследующим характеристики общего родительского процесса.
Указание в запросах на создание объектов синхронизации имен, которые должны быть им присвоены. Далее эти имена используются разными процессами для манипуляций объектами синхронизации. В таком, случае работа с синхронизирующими объектами подобна работе с файлами (создавать, открывать, закрывать, уничтожать).
Все синхронизирующие объекты могут находиться в двух состояниях:
сигнальном
несигнальном (свободном).
Для каждого объекта смысл, вкладываемый в понятие «сигнальное состояние», зависит от типа объекта. Так, например, поток переходит в сигнальное состояние тогда, когда он завершается. Процесс переходит в сигнальное состояние тогда, когда завершаются все его потоки. Файл переходит в сигнальное состояние в том случае, когда завершается операция ввода-вывода для этого файла. Для остальных объектов сигнальное состояние устанавливается в результате выполнения специальных системных вызовов. Приостановка и активизация потоков осуществляются в зависимости от состояния синхронизирующих объектов ОС.
Потоки с помощью специального системного вызова сообщают операционной системе о том, что они хотят синхронизировать свое выполнение с состоянием некоторого объекта.
Поток может ожидать установки сигнального состояния не одного объекта, а нескольких. При этом поток может попросить ОС активизировать его при установке либо одного из указанных объектов, либо всех объектов. Поток может в качестве аргумента системного вызова Wait() указать также максимальное время, которое он будет ожидать перехода объекта в сигнальное состояние, после чего ОС должна его активизировать в любом случае. Может случиться, что установки некоторого объекта в сигнальное состояние ожидают сразу несколько потоков. В зависимости от объекта синхронизации в состояние готовности могут переводиться либо все ожидающие это событие потоки, либо один из них.
Синхронизация тесно связана с планированием потоков:
любое обращение потока с системным вызовом Wait(X) влечет за собой действия в подсистеме планирования
поток снимается с выполнения и помещается в очередь ожидающих потоков
из очереди готовых потоков выбирается и активизируется новый поток.
при переходе объекта в сигнальное состояние (в результате выполнения некоторого потока — либо системного, либо прикладного) ожидающий этот объект поток (или потоки) переводится в очередь готовых к выполнению потоков. В обоих случаях осуществляется перепланирование потоков, при этом если в ОС предусмотрены изменяемые приоритеты и/или кванты времени, то они пересчитываются по правилам, принятым в этой операционной системе.
Мьютекс, как и семафор, обычно используется для управления доступом к данным.
В отличие от объектов-потоков, объектов-процессов и объектов-файлов, которые при переходе в сигнальное состояние переводят в состояние готовности все потоки, ожидающие этого события, объект - мьютекс «освобождает» из очереди ожидающих только один поток.
Работа мьютекса хорошо поясняется в терминах «владения». Пусть поток, который, пытаясь получить доступ к критическим данным, выполнил системный вызов Wait(X), где X — указатель на мьютекс. Предположим, что мьютекс находится в сигнальном состоянии, в этом случае поток тут же становится его владельцем, устанавливая его в несигнальное состояние, и входит в критическую секцию. После того как поток выполнил работу с критическими данными, он «отдает» мьютекс, устанавливая его в сигнальное состояние. В этот момент мьютекс свободен и не принадлежит ни одному потоку. Если какой-либо поток ожидает его освобождения, то он становится следующим владельцем этого мьютекса, одновременно мьютекс переходит в несигнальное состояние.
Объект-событие (в данном случае слово «событие» используется в узком смысле, как обозначение конкретного вида объектов синхронизации) обычно используется не для доступа к данным, а для того, чтобы оповестить другие потоки о том, что некоторые действия завершены. Пусть, например, в некотором приложении работа организована таким образом, что один поток читает данные из файла в буфер памяти, а другие потоки обрабатывают эти данные, затем первый поток считывает новую порцию данных, а другие потоки снова ее обрабатывают и так далее. В начале работы первый поток устанавливает объект-событие в несигнальное состояние. Все остальные потоки выполнили вызов Wait(X), где X — указатель события, и находятся в приостановленном состоянии, ожидая наступления этого события. Как только буфер заполняется, первый поток сообщает об этом операционной системе, выполняя вызов Set(X). Операционная система просматривает очередь ожидающих потоков и активизирует все потоки, которые ждут этого события.
20.----
21.----
22.----
23.
Рис.9 Основные методы распределения памяти
Алгоритмы распределения памяти без использования внешней памяти. Распределение памяти фиксированными разделами
Рис.10 Основные способы распределения памяти фиксированными разделами
Распределение памяти динамическими разделами
При использовании данного метода память в начальный момент времени считается свободной (за исключением памяти отведенной под ОС). Каждому процессу отводится вся необходимая память. Если ее не хватает, то процесс не создается. В произвольный момент времени память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков.
Функции ОС:
-ведение таблиц свободных и занятых участков;
-поиск участка;
-загрузка и корректировка таблиц;
-после завершения процесса корректировка таблиц.
Достоинство: большая гибкость, по сравнению с методом распределения фиксированными разделами. Недостаток – высокий уровень фрагментации.
Распределение памяти перемещаемыми разделами
В этом методе разработчики попытались учесть достоинства и недостатки предыдущего.
Один из способов борьбы с фрагментацией – сжатие, таким образом, чтобы вся свободная память образовала непрерывную область – дефрагментация. Такой метод был применен в ранних версиях OS/2.
Рис.11 Распределение памяти перемещаемыми разделами
Недостаток этого метода – низкая производительность.
Алгоритмы распределения памяти с использованием внешней памяти
Для полной загрузки процессора могут понадобиться иногда сотни интерактивных задач.
Все они должны быть размещены в памяти, большая часть которых находится в состоянии ожидания.
Логично было бы на время ожидания, в случае нехватки физической памяти, вытеснять их на диск, а когда необходимо, возвращать в память.
Такая подмена (виртуализация) оперативной памяти дисковой памятью существенно повышает уровень мультипрограммирования.
Важно, что все действия по перемещению происходят автоматически, без участия программиста.
Для виртуализации применяются два основных подхода:
Свопинг – образ процесса выгружается на диск и возвращается в память целиком. Часто называется подкачкой.
Виртуальная память – образ процесса выгружается на диск и возвращается в память частями (сегментами, страницами...).
Реализация виртуальной памяти, представлена тремя классами: страничное распределение, сегментное, сегментно-страничное распределение.
Страничное распределение
При страничном распределении виртуальная память делится на части одинакового и фиксированного для данной системы размера, называемыми виртуальными страницами. Вся оперативная память также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами. Размер страницы выбирается равным степени двойки: 512, 1024, 4096 и т.д.
Рис12. Страничное распределение
где, таблица страниц – это внутренняя структура ОС. Адрес страницы входит в контекст процесса. Таблица страниц состоит из дескрипторов. Каждый дескриптор включает:
-номер физической таблицы;
-признак присутствия в ОЗУ (формируется аппаратно);
-признак модификации (формируется аппаратно);
-признак обращения (формируется аппаратно);
-пиртуальный адрес, который представлен парой (p, sv) преобразуется в (n, sf).
Объем страницы равен степени 2k, тогда смещение (s) можно получить отделением к разрядов.
Например. Если размер страницы = 1кб (210), то 50718 = 101 000 111 0012, 108=28 – номер страницы.
Схема обращения к физической памяти по виртуальному адресу при страничном распределении
Рис13. Схема преобразования виртуального адреса в физический при страничном распределении
Аппаратно, из регистра извлекается адрес таблицы страниц. На основании номера страницы Р и длины записи L, определяется адрес дескриптора (A=AT+P*L).
Из таблицы извлекается номер физической страницы N. К номеру N присоединяется смещение S.
Размер страниц, (часто 4096) влияет на размер таблиц, а это в свою очередь отражается на производительности. для устранения этого недостатка ВАП может делится на разделы, а в каждом разделе формируется своя таблица страниц. Этот вариант ускоряет поиск.
Сегментное распределение
При страничном распределении виртуальное адресное пространство делится на равные части механически, без учета смыслового значения данных. В одной странице могут одновременно оказаться код программы и исходные данные. Такой подход не позволяет обеспечить раздельную обработку, например защиту, совместный доступ и т.д.
Разбиение адресного пространства на "осмысленные" части устраняет эти недостатки и называется сегментным распределением. Примеры сегментов: код программы, массив исходных данных и пр.
На этапе создания процесса, ОС создает таблицу сегментов процесса, аналогичную таблице страниц (рис.13).
Рис.14. Распределение памяти сегментами
Рис.15. Схема преобразования виртуального адреса в физический при сегментном распределении
где, физический адрес получается путем сложения по модулю 2.
К недостаткам сегментного распределения можно отнести следующие:
Использование операции сложения при формировании физического адреса приводит к понижению производительности
Избыточность. Т.к. сегмент в общем случае может быть больше страницы, то следовательно единица обмена между ОЗУ и диском более крупная, что приводит к замедлению работы.
Сегментное - страничное распределение
Данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного механизмов управления памятью и направлен на реализацию достоинств обоих подходов.
Виртуальная память делится на сегменты, а каждый сегмент - на страницы.
Все современные ОС используют именно такой способ организации.
Рис.16. Схема преобразования виртуального адреса в физический при сегментно - страничном распределении
24. Виртуа́льная па́мять (англ. Virtual memory) — технология управления памятью ЭВМ, разработанная для многозадачных операционных систем. При использовании данной технологии для каждой программы используются независимые схемы адресации памяти, отображающиеся тем или иным способом на физические адреса в памяти ЭВМ. Позволяет увеличить эффективность использования памяти несколькими одновременно работающими программами, организовав множество независимых адресных пространств (англ.), и обеспечить защиту памяти между различными приложениями. Также позволяет программисту использовать больше памяти, чем установлено в компьютере, за счет откачки неиспользуемых страниц на вторичное хранилище (см. Подкачка страниц).
При использовании виртуальной памяти упрощается программирование, так как программисту больше не нужно учитывать ограниченность памяти, или согласовывать использование памяти с другими приложениями. Для программы выглядит доступным и непрерывным все допустимое адресное пространство, вне зависимости от наличия в ЭВМ соответствующего объема ОЗУ.
Применение механизма виртуальной памяти позволяет:
упростить адресацию памяти клиентским программным обеспечением;
рационально управлять оперативной памятью компьютера (хранить в ней только активно используемые области памяти);
изолировать процессы друг от друга (процесс полагает, что монопольно владеет всей памятью).
В настоящее время эта технология имеет аппаратную поддержку на всех современных бытовых процессорах. В то же время во встраиваемых системах и в системах специального назначения, где требуется либо очень быстрая работа, либо есть ограничения на длительность отклика (системы реального времени) виртуальная память используется относительно редко. Также в таких системах реже встречается многозадачность и сложныеиерархии памяти.