2. Взаимодействие процессов. Задача взаимного исключения. Вариант 3 (3, 28) – 144

Если двум или более процессам необходимо взаимодействовать друг с другом, то они должны быть связаны, то есть иметь средства для обмена информацией. Предполагается, что процессы связаны слабо. Под этим подразумевается, что кроме достаточно редких моментов явной связи эти процессы рассматриваются как совершенно независимые друг от друга. В частности, не допускаются какие-либо предположения об относительных скоростях различных процессов. В качестве примера рассматривается два последовательных процесса, которые удобно считать циклическими. В каждом цикле выполнения процесса существует критический интервал. Это означает, что в любой момент времени только один процесс может находиться внутри своего критического интервала. Чтобы осуществить такое взаимное исключение, оба процесса имеют доступ к некоторому числу общих переменных. Операции проверки текущего значения такой общей переменной и присваивание нового значения общей переменной рассматриваются как неделимые. То есть, если два процесса осуществляют присваивание новое значение одной и той же общей переменной одновременно, то присваивание происходит друг за другом и окончательное значение переменной одному из присвоенных значений, но никак не их смеси. Если процесс поверяет значение переменной одновременно с присваиванием ей значения другим процессом, то первый процесс обнаруживает, либо старое, либо новое значение, но никак не их смесь.

int flag[2]; begin integer С1,С2;

void P0() С1 := 1;

{ С2 := 1;

while (1) parbegin

{ процесс 1: begin А1: С1 := 0;

flag[0]=1; L1: if (С2 = 0) then goto L1;

while (flag[1]); критический интервал 1;

критический интервал 1; С1 := 1;

flag[0]=0; остаток цикла 1;

…. goto А1;

} end;

} процесс 2: begin А2: С2 := 0;

void P1() L2: if (С1 = 0) then goto L2;

{ критический интервал 2;

while (1) С2 := 1;

{ остаток цикла 2;

flag[1]=1; goto А2;

while (flag[0]); end;

критический интервал 2; parend;

flag[1]=0; end;

….

}

}

void main()

{

flag[0]=0;

flag[1]=0;

parbegin(P0,P1);

}

Недостаток. Бесконечно долго решается вопрос о том, кто первым войдет в критический интервал.

3. Особенности современных операционных систем (2, 28) – 122

В экспериментальных коммерческих ОС были опробованы различные подходы и структурные элементы, большинство из которых можно объединить в следующие категории:

– архитектура микроядра;

– многопоточность;

– симметричная многопроцессорность;

– распределенные ОС;

– объектно-ориентированный дизайн.

Концепция ос на основе микроядра

Основой концепции ОС на основе микроядра является то, что вертикальное расположение уровней заменяется горизонтальным, а приложения и услуги, не являющиеся критическими, работают в пользовательском режиме. И хотя выбор того, что должно располагаться в ядре, а что выноситься за его пределы, зависит от архитектуры системы, общая тенденция такова, что многие службы, которые раньше размещались в ядре, теперь располагаются на уровне внешних подсистем, которые взаимодействуют с ядром и друг с другом, т. е. в ядре должны располагаться только самые важные функции. К таким подсистемам относятся драйвера устройств, файловые системы, менеджер виртуальной памяти, системы управления окнами, служба безопасности.

П роцессы выполняются на пользовательском уровне, взаимодействуя между собой как равноправные, и обычно взаимодействие осуществляется с помощью обмена сообщениями, которые передаются через микроядро. Микроядро выступает в роли посредника: оно подтверждает правильность сообщений, передаёт их от одного компонента другому, предоставляет доступ аппаратному обеспечению. Микроядро выполняет и защитные функции: оно не пропускает сообщение, если такой обмен не разрешен.

Достоинства концепции микроядра.

1. Единообразные интерфейсы. Используются для запросов, генерируемых процессами. Процессам не нужно различать приложения, выполняемые на уровне ядра и на пользовательском уровне, так как доступ ко всем службам осуществляется только с помощью передачи сообщений.

2. Расширяемость. Имеется возможность добавлять в ОС новые услуги или сервисы, а также обеспечивать множественную реализацию сервисов в одной и той же функциональной области. Например, можно организовывать несколько различных способов хранения файлов на дисках. Добавление новой службы в ОС требует модификации лишь некоторых других служб и не требует изменять микроядро.

3. Гибкость. В ОC можно не только добавлять новые услуги, но и удалять некоторые из них. Это может потребоваться для получения компактной и эффективной версии. Но если пользователю не требуются некоторые подсистемы, занимающие большие объёмы памяти, он может скомпоновать компактную ОС по своим нуждам.

4. Переносимость. Программный код, который взаимодействует с аппаратными средствами, или большая его часть, находится в микроядре. Поэтому уменьшаются объёмы работ, связанных с переносом ОС на новую аппаратную платформу (процессор).

5. Надёжность. Чем больший код имеет программа, тем труднее её протестировать. Однако небольшое ядро ОС можно тщательно проверить. А небольшое число интерфейсов прикладного программирования позволяет реализовать подсистемы, работающие вне ядра, с достаточно качественным программным кодом. Имея стандартизованный набор интерфейсов, разработчик отдельного приложения не может повлиять на другие системные компоненты.

6. Микроядро способствует поддержке распределенных ОС. Сообщение, которое передается от обслуживаемых сервисов к обслуживающим должно содержать идентификатор запрашиваемой услуги. Если система такова, что все процессы и сервисы обладают в ней уникальными идентификаторами, то на уровне микроядра образуется единый образ системы. Процесс может отправлять сообщение, не зная, на какой именно машине выполняется приложение, к которому он обращается.

7. Подход на основе микроядра хорошо функционирует среди объектно-ориентированных ОС. Такой подход способствует более строгой разработке ядра и модульных расширений ОС. Перспективным считается подход, в котором сочетаются архитектура с микроядром, принципы объектно-ориентированных систем, которые реализуются с использованием компонентов. Компоненты – объекты с четко заданными интерфейсами, которые могут объединяться, образуя программы по принципу блоков.

Основным потенциальным недостатком микроядр является их низкая производительность. Создание сообщения и отправка его через микроядро с последующим получением и декодированием ответа занимает больше времени, чем непосредственно вызов сервиса.

Многое в обеспечении производительности зависит от функциональных возможностей ядра. Избирательное увеличение функциональности ядра приводит к снижению количества переключений между пользовательским режимом и режимом ядра.

Есть мнения и взгляды на то, чтобы сделать микроядро не больше, а наоборот – меньше. При этом повышается его гибкость и надёжность.