- •Министерство образования российской федерации
- •Содержание
- •Введение
- •Предмет и задачи курса
- •Рекомендации по литературе
- •Краткий очерк истории ос
- •Предыстория ос
- •Пакетные ос
- •Ос с разделением времени
- •Однозадачные ос для пэвм
- •Многозадачные ос для пк с графическим интерфейсом
- •Классификация ос
- •Критерии оценки ос
- •Надежность
- •Эффективность
- •Удобство
- •Масштабируемость
- •Способность к развитию
- •Мобильность
- •Основные функции и структура ос
- •Ос, используемые в дальнейшем изложении
- •Управление устройствами
- •Основные задачи управления устройствами
- •Классификация периферийных устройств и их архитектура
- •Прерывания
- •Архитектура подсистемы ввода/вывода
- •Способы организации ввода/вывода
- •Ввод/вывод по опросу и по прерываниям
- •Активное и пассивное ожидание
- •Синхронный и асинхронный ввод/вывод
- •Буферизация и кэширование
- •Понятие буферизации
- •Сглаживание неравномерности скоростей процессов
- •Распараллеливание ввода и обработки
- •Согласование размеров логической и физической записи
- •Редактирование при интерактивном вводе
- •Кэширование дисков
- •Опережающее чтение.
- •Драйверы устройств
- •Управление устройствами в ms-dos
- •Уровни доступа к устройствам
- •Драйверы устройств в ms-dos
- •Управление символьными устройствами
- •Управление блочными устройствами
- •Структура диска
- •Разделы и логические тома
- •Средства доступа к дискам
- •Управление устройствами вWindows
- •Драйверы устройств в Windows
- •Доступ к устройствам
- •Управление устройствами вUnix
- •Драйверы устройств вUnix
- •Устройство как специальный файл
- •Управление данными
- •Основные задачи управления данными
- •Характеристики файлов и архитектура файловых систем
- •Размещение файлов
- •Защита данных
- •Разделение файлов между процессами
- •Файловая системаFaTи управление данными вMs-dos
- •Общая характеристика системы fat
- •Структуры данных на диске
- •Структура записи каталога файловой системы fat
- •Создание и удаление файла
- •Работа с файлами в ms-dos
- •Системные функции
- •Доступ к данным
- •Структуры данных в памяти
- •Новые версии системы fat
- •Файловые системы и управление данными вUnix
- •Архитектура файловой системы unix
- •Жесткие и символические связи
- •Монтируемые тома
- •Типы и атрибуты файлов
- •Управление доступом
- •Структуры данных файловой системыUnix
- •Доступ к данным в unix
- •Развитие файловых системUnix
- •Файловая системаNtfSи управление данными вWindows
- •Особенности файловой системы ntfs
- •Структуры дисковых данных
- •Главная таблица файлов
- •Атрибуты файла
- •Доступ к данным
- •Защита данных
- •Аутентификация пользователя
- •Дескриптор защиты
- •Управление процессами
- •Основные задачи управления процессами
- •Реализация многозадачного режима
- •Понятия процесса и ресурса
- •Квазипараллельное выполнение процессов
- •Состояния процесса
- •Вытесняющая и невытесняющая многозадачность
- •Дескриптор и контекст процесса
- •Реентерабельность системных функций
- •Дисциплины диспетчеризации и приоритеты процессов
- •Проблемы взаимодействия процессов
- •Изоляция процессов и их взаимодействие
- •Проблема взаимного исключения процессов
- •Двоичные семафоры Дейкстры
- •Средства взаимодействия процессов
- •Целочисленные семафоры
- •Семафоры с множественным ожиданием
- •Сигналы
- •Сообщения
- •Общая память
- •Программные каналы
- •Проблема тупиков
- •Управление процессами вMs-dos
- •Процессы в ms-dos
- •Среда программы
- •Запуск программы
- •Завершение работы программы
- •Перехват прерываний и резидентные программы
- •Управление процессами вWindows
- •Понятие объекта в Windows
- •Процессы и нити
- •ПланировщикWindows
- •Процесс и нить как объекты
- •Синхронизация нитей
- •Способы синхронизации
- •Объекты синхронизации и функции ожидания
- •Типы объектов синхронизации
- •Критические секции
- •Сообщения
- •Управление процессами в unix
- •Жизненный цикл процесса
- •Группы процессов
- •Программные каналы
- •Сигналы
- •Средства взаимодействия процессов в стандарте posix
- •Планирование процессов
- •Состояния процессов в unix
- •Приоритеты процессов
- •Интерпретатор команд shell
- •Управление памятью
- •Основные задачи управления памятью
- •Виртуальные и физические адреса
- •Распределение памяти без использования виртуальных адресов
- •Настройка адресов
- •Распределение с фиксированными разделами
- •Распределение с динамическими разделами
- •Сегментная организация памяти
- •Страничная организация памяти
- •Сравнение сегментной и страничной организации
- •Управление памятью в ms-dos
- •Управление памятью вWindows
- •Структура адресного пространства
- •Регионы
- •Отображение исполняемых файлов
- •Файлы, отображаемые на память
- •Стеки и кучи
- •Управление памятью вUnix
- •Литература
- •Дроздов Сергей Николаевич операционные системы Конспект лекций
Квазипараллельное выполнение процессов
С точки зрения внешнего наблюдателя, в хорошей многозадачной ОС происходит одновременная, параллельная работа нескольких процессов. Однако понятно, что эта одновременность кажущаяся. На самом деле, если в системе работает лишь один процессор, то в каждый момент времени он выполняет команды, относящиеся только к одному из имеющихся процессов. Иллюзия параллельности создается за счет того, что процессы сменяют друг друга через малые интервалы времени, которые человек-наблюдатель не в силах отследить. Подобная организация работы называется квазипараллельнымвыполнением процессов.
Разумеется, если в системе имеется несколько процессоров, то может быть организовано настоящее параллельное выполнение процессов, количество которых не превышает количества процессоров. При большем числе процессов может использоваться смешанная организация, сочетающая истинную параллельность и квазипараллельность.
Важно отметить, что для большинства задач взаимодействия процессов нет разницы, какого рода параллельность используется в данной ОС. Вообще, основные проблемы управления процессами можно разбить на два уровня:
проблемы корректной и эффективной реализации параллельного (т.е. обычно квазипараллельного) выполнения процессов – это проблемы нижнего уровня;
проблемы корректного взаимодействия параллельных процессов – это проблемы верхнего уровня, при рассмотрении которых считается, что низкоуровневые проблемы реализации процессов так или иначе решены.
Такое разбиение облегчает проектирование и отладку систем, а также позволяет лучше понять существо рассматриваемых проблем.
Состояния процесса
Любой процесс в многозадачной ОС многократно испытывает переход из одного состоянияв другое.
Основных состояний всего три.
Работа(running) – в этом состоянии находится процесс, программу которого в данный момент выполняет процессор. Работающий процесс иногда удобно называть такжетекущимпроцессом.
Готовность(ready) – состояние, их которого процесс может быть переведен в состояние работы, как только это сочтет нужным сделать ОС.
Блокировкаили, что то же самое,сон(sleeping,waiting) – состояние, в котором процесс не может продолжать выполнение, пока не произойдет некотороевнешнеепо отношению к процессу событие.
Первые два состояния часто объединяют понятием активногосостояния процесса.
Для состояний готовности и сна общее то, что процесс не работает. В чем разница между этими двумя «способами не работать»?
Готовый к выполнению процесс не выполняется только потому, что есть другие не менее готовые процессы, по мнению системы более достойные занимать сейчас процессорное время. В каждый момент времени выбор одного из готовых процессов на роль работающего определяется логикой работы ОС. Этот выбор должен обеспечивать эффективную квазипараллельную работу готовых процессов. Как решается эта задача – будет рассмотрено ниже.
В отличие от этого, спящий процесс – это всегда процесс, ожидающий некоторого конкретного события. Спящий процесс не сможет заработать, даже если процессор вдруг окажется свободным. Такой процесс, в соответствии со своей собственной логикой, ждет чего-то, что должно произойти.
Чего он может ждать? Ну, например:
завершения начатой операции синхронного ввода/вывода (т.е., например, процесс ждет нажатия клавиши Enterили окончания записи на диск);
освобождения запрошенного у системы ресурса (например, дополнительной области памяти или открытого файла);
истечения заданного интервала времени («посплю-ка я минут десять!») или достижения заданного момента времени («разбудите меня ровно в полночь!») (в обоих случаях процесс ждет сигнала от запрограммированного таймера);
сигнала на продолжение действий от другого, взаимосвязанного процесса;
сообщения от системы о необходимости выполнить определенные действия (например, перерисовать содержимое окна).
В любом из названных (и многих неназванных) случаев должно произойти некоторое событие, источник которого лежит внеданного процесса.
Чисто условно можно сказать, что если бы в вычислительную систему вдруг было добавлено еще несколько процессоров, то «готовые» процессы могли бы сразу перейти в состояние «работа», но «спящие» продолжили бы свой сон.
Разумеется, как мы видели в п. 2.5, процесс может выполнять ожидание путем циклической проверки ожидаемого условия. При этом он формально будет оставаться активным, растрачивая драгоценное процессорное время на то, что в п. 2.5.2 было названо активным ожиданием. Однако такое решение будет говорить лишь о вопиющей неквалифицированности программиста. Любая многозадачная ОС предоставляет в распоряжение прикладных программ набор функций, переводящих вызвавший их процесс в состояние сна, в котором процесс не пытается использовать процессорное время (другими словами, состояние сна есть состояниепассивного ожидания). Такие системные функции называютсяблокирующими. К их числу относятся функции синхронного ввода/вывода, запроса ресурсов, приостановки до заданного времени, получения сообщений и многие другие.
Поскольку ОС берет на себя блокировку, «усыпление» процесса, она должна обеспечить и его разблокировку, «пробуждение». Чтобы это стало возможным, система должна для каждого спящего процесса помнить, «чего он ждет», т.е. помнить условия пробуждения процесса. Система отслеживает все события, способные разблокировать какой-либо процесс (во многих случаях используя для этого аппаратные прерывания) и, когда для одного или сразу нескольких процессов наступает ожидаемое событие, переводит эти события из состояния сна в состояние готовности.
На рис. 4‑1 показаны основные состояния процесса и переходы между ними. Этот рисунок кочует из книги в книгу, поскольку он действительно наглядно отражает самую суть работы многозадачных систем.
Рис. 4‑17
Рассмотрим возможные переходы между состояниями процесса, показанные на рисунке стрелками.
Переход Работа Сонпредставляет собой блокировку процесса, которая может произойти при вызове блокирующей системной функции.
Переход Сон Готовность– это пробуждение процесса, оно выполняется системой при возникновении соответствующего условия.
Переход Работа Готовностьранее не рассматривался. Он называетсявытеснениемпроцесса и выполняется системой, когда она принимает решение о смене текущего процесса.
Для обратного перехода Готовность Работанет общепринятого термина. Будем называть еговыборомпроцесса для выполнения. Отметим, что этот переход почти всегда связан либо с блокировкой, либо с вытеснением прежнего текущего процесса.
Ответьте сами на вопрос: почему «почти всегда», а не «всегда»? Какие еще возможны варианты?
Двух стрелок нет на диаграмме. Прямой переход от сна к работе нелогичен, т.к. он совмещал бы два совершенно разных действия.
Каких именно?
Переход от готовности ко сну невозможен в принципе.
Кстати, почему?
Помимо трех основных состояний, в различных ОС могут использоваться и другие состояния.
Состояние стартаозначает, что процесс находится на этапе создания и пока не готов вступить в работу.
Состояние завершения(вUNIXоно почти официально называется «зомби») означает, что процесс завершил свою работу, но пока присутствует в системе в виде записи о результатах и причине завершения.
Состояние приостановки(suspended) означает, что выполнение процесса временно прервано оператором (или, может быть, другим процессом) и позднее должно быть им же возобновлено.
В некоторых системах (например, в UNIX) основные состояния раздроблены на ряд более мелких: работа в системном и в пользовательском режиме, готовность в памяти и готовность на диске и т.п. Необходимый набор состояний определяется алгоритмами работы конкретной ОС.