Основные теоретические положения

FIFO и RR

Программы реализации алгоритмов планирования

Цель работы: Освоить вопросы, связанные с: различными уровнями планирования процессов в операционных системах; основными целями и критериями планирования; различными алгоритмами планирования.

Одной из важнейших функций ОС является организация рационального использования ресурсов компьютера (процессоры, память, внешние устройства, данные и программы). Одна и та же вычислительная система может работать по-разному под управлением разных ОС. Главные сложности при управлении ресурсами возникают в мультипрограммных системах. Способы распределения времени центрального процессора сильно влияют как на скорость выполнения отдельных вычислений, так и на эффективность вычислительной системы в целом.

При рассмотрении вопросов данной главы не будем разграничивать понятия "процесс" и "поток", используя обобщающий термин "задача".

Операционная система выполняет следующие основные функции, связанные с управлением задачами:

· создание и удаление задач;

· планирование процессов и диспетчеризация задач;

· синхронизация задач, обеспечение их средствами коммуникации.

Система управления задачами обеспечивает их прохождение через компьютер. В зависимости от состояния процесса ему необходимо выделить тот или иной ресурс. Например, новый процесс нужно разместить в памяти, выделив ему адресное пространство; включить в список задач, конкурирующих за процессорное время.

Одной из основных подсистем мультипрограммной ОС, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами и потоками. Она занимается их созданием и уничтожением, а также распределяет процессорное время между одновременно существующими в системе процессами и потоками.

При одновременном выполнении в системе нескольких задач, хотя потоки возникают и выполняются асинхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например, при обмене данными. Поэтому синхронизация потоков является одной из важных функций подсистемы управления процессами и потоками.

Взаимодействие между процессами осуществляется с помощью общих переменных и специальных базовых операций, называемых примитивами.

Подсистема управления процессами и потоками имеет возможность выполнять над процессами следующие операции:

· создание (порождение)/уничтожение процесса;

· приостановка/возобновление процесса;

· блокирование/пробуждение процесса;

· запуск процесса;

· изменение приоритета процесса;

Подсистема управления процессами и потоками ответственна за обеспечение процессов необходимыми ресурсами. ОС поддерживает в памяти специальные информационные структуры, в которые записывает, какие ресурсы выделены каждому процессу. Ресурс может назначаться процессу в единоличное пользование или в совместное пользование с другими процессами. Некоторые из ресурсов выделяются процессу при его создании, а некоторые – динамически по запросам во время выполнения. Ресурсы могут быть приписаны процессу на все время его жизни или только на определенный период. При выполнении этих функций подсистема управления процессами взаимодействует с другими подсистемами ОС, ответственными за управление ресурсами, такими, как подсистема управления памятью, подсистема ввода-вывода, файловая система.

Создание процесса включает загрузку кодов и данных исполняемой программы данного процесса с диска в оперативную память. При этом подсистема управления процессами взаимодействует с подсистемой управления памятью и файловой системой. В многопоточной системе при создании процесса ОС создает для каждого процесса как минимум один поток выполнения. При создании потока так же, как при создании процесса, ОС генерирует специальную информационную структуру – описатель потока, который содержит идентификатор потока, данные о правах доступа и приоритете, о состоянии потока и т.п. После создания поток (или процесс) находится в состоянии готовности к выполнению (или в состоянии бездействия, если речь идет об ОС специального назначения).

Создание и удаление задач осуществляется по соответствующим запросам от пользователей или от других задач. Задача может породить новую задачу – во многих системах поток может обратиться к ОС с запросом на создание т.н. потоков-потомков. Порождающая задача называется "предком", "родителем", а порожденная – "потомком" или "дочерней задачей". "Предок" может приостановить или удалить свою дочернюю задачу, в то время как "потомок" не может управлять "предком".

В разных ОС по-разному строятся отношения между потоками-потомками и их родителями. В одних ОС их выполнение синхронизируется (после завершения родительского потока с выполнения снимаются все его потомки), в других потомки выполняются асинхронно по отношению к родительскому потоку.

После завершения процесса ОС "зачищает следы" его пребывания в системе – закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области оперативной памяти, отведенные под коды, данные и системные информационные структуры процесса. Выполняется коррекция очередей ОС и списков ресурсов, в которых имелись ссылки на завершаемый процесс.

Стратегия планирования определяет, какие процессы выбираются на выполнение для достижения поставленной цели. Стратегии могут быть различными, например:

· по возможности заканчивать вычисления в том же самом порядке, в каком они были начаты;

· отдавать предпочтение более коротким процессам;

· предоставлять всем пользователям (задачам пользователей) одинаковые услуги, в том числе и одинаковое время ожидания.

На протяжении существования процесса выполнение его потоков может быть многократно прервано и продолжено.

Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации.

Планирование потоков осуществляется на основе информации, хранящейся в описателях процессов и потоков. При планировании могут приниматься во внимание приоритет потоков, время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения, интенсивность обращения к вводу-выводу и др. факторы. ОС планирует выполнение потоков независимо от того, принадлежат ли они одному или разным процессам. Под планированием понимают задачу подбора такого множества процессов, чтобы они как можно меньше конфликтовали при выполнении и как можно эффективнее использовали вычислительную систему.

В различных информационных источниках существуют различные трактовки понятий "планирование" и "диспетчеризация". Так, некоторые авторы планирование подразделяют на долгосрочное (глобальное) и краткосрочное (динамическое, т.е. текущее наиболее эффективное распределение), и последнее называют диспетчеризацией. Согласно другим источникам, под диспетчеризацией понимают реализацию принятого на этапе планирования решения. Мы будем придерживаться этого варианта. Планирование включает в себя решение двух задач:

· определение момента времени для смены активного потока;

· выбор для выполнения потока из очереди готовых потоков.

Существует множество алгоритмов планирования, по-разному решающих эти задачи. Именно особенности планирования определяют специфику операционной системы.

В большинстве ОС планирование осуществляется динамически, т.е. решения принимаются во время работы на основании анализа текущей ситуации. Потоки и процессы появляются в случайные моменты времени и непредсказуемо завершаются.

Статический тип планирования может быть использован в специализированных системах, в которых весь набор одновременно выполняемых заданий определен заранее (системы реального времени). Планировщик составляет расписание на основании знаний о характеристиках набора задач. Затем это расписание используется операционной системой для диспетчеризации.

Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования решения, т.е. в переключении одного процесса на другой. Диспетчеризация сводится к следующему:

· сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить;

· загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования;

· запуск нового потока на выполнение.

В контексте потока отражены, во-первых, состояние аппаратуры компьютера в момент прерывания (значение счетчика команд, содержимое регистров общего назначения, режим работы процессора, флаги, маски прерываний и др. параметры), во-вторых, параметры операционной среды (ссылки на открытые файлы, данные о незавершенных операциях ввода-вывода, коды ошибок выполняемых данным потоком системных вызовов и т.п.).

В контексте потока можно выделить часть, общую для всех потоков данного процесса (ссылки на открытые файлы), и часть, относящуюся только к данному потоку (содержимое регистров, счетчик команд, режим процессора).

С точки зрения решения задачи планирования (выбор момента времени для смены активного потока) алгоритмы планирования делятся на два больших класса – вытесняющие и невытесняющие алгоритмы:

- невытесняющие – активный поток может выполняться до тех пор, пока он сам не передаст управление системе, чтобы та выбрала из очереди другой готовый поток;

- вытесняющие – операционная система принимает решение о смене выполняемого задания и переключает процессор на другой поток.

Основным различием между названными алгоритмами планирования является степень централизации механизма планирования потоков.

Невытесняющие алгоритмы. Прикладная программа, получив управление от ОС, сама определяет момент завершения очередного цикла своего выполнения и только затем передает управление ОС с помощью какого-либо системного вызова. Следовательно, управление приложением со стороны пользователя теряется на произвольный период времени. Разработчикам необходимо учитывать это и создавать приложения так, чтобы они работали как бы "частями", периодически прерываясь и передавая управление системе, т.е. при разработке выполняются еще и функции планировщика.

Достоинства данного подхода:

- исключено прерывание потока в неудобный для него момент;

- решается проблема одновременного использования данных, т.к. во время каждого цикла выполнения задача использует их монопольно и уверена, что никто другой не сможет их изменить;

- более высокая скорость переключения с потока на поток.

Недостатками являются затрудненная разработка программ и повышенные требования к квалификации программиста, а также возможность захвата процессора одним потоком при его случайном или преднамеренном зацикливании.

Вытесняющие алгоритмы – циклический, или круговой тип планирования, при котором операционная система сама решает вопрос о прерывании активного приложения и переключает процессор с одной задачи на другую в соответствии с тем или иным критерием. В системе с такими алгоритмами программисту не надо заботиться о том, что его приложение будет выполняться одновременно с другими задачами. В качестве примеров можно назвать операционные системы UNIX, Windows NT/2000, OS/2. Алгоритмы этого класса ориентированы на высокопроизводительное выполнение приложений.

Вытесняющие алгоритмы могут быть основаны на концепции квантования или на механизме приоритетов.

Алгоритмы, основанные на квантовании. Каждому потоку предоставляется ограниченный непрерывный квант процессорного времени (его величина не должна быть меньше 1 мс – как правило, несколько десятков мс). Поток переводится из состояния выполнения в состояние готовности в случае, если квант исчерпан. Кванты могут быть одинаковыми для всех потоков или различными.

При выделении квантов потоку могут использоваться разные принципы: эти кванты могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни потока. Например, для некоторого конкретного потока первый квант может быть довольно большим, а каждый следующий выделяемый ему квант может иметь меньшую длительность (уменьшение до заданных пределов). Таким образом, формируется преимущество для более коротких потоков, а длительные задачи переходят в фоновый режим. Другой принцип основан на том факте, что процессы, часто выполняющие операции ввода-вывода, не полностью реализуют выделяемые им кванты времени. Для компенсации этой несправедливости из таких процессов может быть сформирована отдельная очередь, которая имеет привилегии по отношению к остальным потокам. При выборе очередного потока на выполнение сначала просматривается эта очередь, и, только если она пуста, выбирается поток из общей очереди, готовых к выполнению.

Наиболее распространенные дисциплины планирования.

1) Работа процессора производится по принципу FIFO (First In First Out), т.е. в порядке поступления заявок на обслуживание. Этот подход позволяет реализовать стратегию "по возможности заканчивать вычисления в порядке их появления". Те задачи, которые были заблокированы в процессе выполнения, после перехода в состояние готовности ставятся в очередь перед теми задачами, которые еще не выполнялись. Таким образом, создается две очереди: одна из еще не выполнявшихся задач, а другая – из задач, перешедших из состояния ожидания.

Эта дисциплина реализуется как невытесняющая, когда задачи освобождают процессор добровольно.

Достоинством данного алгоритма является его простота реализации. Недостатком – при большой загрузке короткие задания вынуждены ожидать в системе долгое время. Следующий подход устраняет этот недостаток.

2) Кратчайший процесс обслуживается первым (Shortest Job First ( SJF )). Согласно этому алгоритму, следующим для выполнения назначается поток с минимальным оценочным временем, требуемым для окончания его работы. Здесь оказывается предпочтение потокам, которым осталось немного времени до их завершения. Благодаря этому уменьшается количество ожидающих задач в системе. Недостатком является необходимость заранее знать оценочные времена, что не всегда возможно. В качестве грубого приближения в некоторых случаях можно использовать время, затраченное потоком при последнем получении управления.

Алгоритм относится к разряду невытесняющих бесприоритетных.

Названные алгоритмы могут использоваться для пакетных режимов работы, когда пользователь не ожидает реакции системы. Для интерактивных же вычислений нужно прежде всего обеспечить приемлемое время реакции и равенство в обслуживании для мультитерминальных систем. Для однопользовательских систем желательно, чтобы те программы, с которыми непосредственно работают, имели лучшее время реакции, чем фоновые задания. Кроме того, некоторые приложения, выполняясь без непосредственного участия пользователя, должны тем не менее гарантированно получать свою долю процессорного времени (например, программа получения электронной почты). Для решения подобных проблем используются приоритетные методы обслуживания и концепция квантования.

3)

Карусельная дисциплина, или круговая – RR (Round Robin).

Рис.3.2. Дисциплина планирования RR.

Данная дисциплина относится к вытесняющим алгоритмам и основана на квантовании. Каждая задача получает процессорное время порциями – квантами. После окончания кванта времени задача снимается с процессора и ставится в конец очереди процессов, готовых к выполнению, а на обслуживание процессором принимается очередная задача. Для оптимальной работы системы необходимо правильно выбрать закон, по которому кванты времени выделяются задачам.

Величина кванта выбирается как компромисс между приемлемым временем реакции системы на запросы пользователей (с тем, чтобы их простейшие запросы не вызывали длительного ожидания) и накладными расходами на частую смену задач. При прерываниях ОС должна сохранить достаточно большой объем информации о текущем процессе, поставить дескриптор снятой задачи в очередь, загрузить контекст новой задачи. При малой величине кванта времени и частых переключениях относительная доля таких накладных расходов станет большой, и это ухудшит производительность системы в целом. При большой величина кванта времени и увеличении очереди готовых задач реакция системы станет плохой.

Данная дисциплина обслуживания является одной из самых распространенных. В некоторых случаях, когда ОС не поддерживает в явном виде дисциплину карусельного планирования, такое обслуживание можно организовать искусственно. Например, в некоторых ОСРВ используется планирование с абсолютными приоритетами, а при равенстве приоритетов действует принцип очередности. Т.е., снять задачу с выполнения может только задача с более высоким приоритетом. При необходимости организовать обслуживание равномерно и равноправно, т.е. чтобы все задания получали одинаковые кванты времени, системный оператор может сам реализовать такое обслуживание. Для этого достаточно всем пользовательским задачам присвоить одинаковые приоритеты и создать одну высокоприоритетную задачу, которая не должна ничего делать, кроме как планироваться на выполнение по таймеру через указанные интервалы времени. Эта задача будет только снимать с выполнения текущее приложение, оно переместится в конец очереди, а сама задача тут же покинет процессор и уступит его следующему в очереди процессу.

В простейшей реализации карусельная дисциплина обслуживания предполагает, что все задания имеют одинаковый приоритет. Если же необходимо ввести механизм приоритетного обслуживания, обычно организуют несколько очередей, в зависимости от приоритетов, и к обслуживанию менее приоритетной очереди переходят только в том случае, когда более приоритетная очередь пуста. По такому алгоритму выполняется планирование в системах OS/2 и Windows NT.

4) Планирование согласно приоритетам.

Важная концепция, лежащая в основе многих вытесняющих алгоритмов – это приоритетное обслуживание. Такие алгоритмы используют информацию, находящуюся в описателе потока – его приоритет. В разных системах приоритет определяется по-разному. В одних системах наивысшим значением приоритета может считаться его численно наибольшее значение, в других – наоборот, наивысшим приоритетом считается нулевой.

Как правило, приоритет потока непосредственно связан с приоритетом процесса, в рамках которого выполняется данный поток. Приоритет процесса назначается операционной системой при его создании, при этом учитывается, является ли процесс системным или прикладным, каков статус пользователя, запустившего процесс, было ли явное указание пользователя на присвоение процессу определенного приоритета. Значение приоритета включается в описатель процесса и используется при назначении приоритета его потокам. Если поток инициирован не по команде пользователя, а в результате выполнения системного вызова другим потоком, тогда для назначения ему приоритета ОС должна учитывать параметры системного вызова.

При планировании обслуживания программ согласно описанным ранее алгоритмам может возникнуть ситуация, когда некоторые задачи контроля или управления не смогут быть реализованы в течение длительного промежутка времени из-за возрастания нагрузки в системе (особенно в ОСРВ). При этом последствия из-за несвоевременного выполнения таких задач могут быть серьезнее, чем из-за невыполнения каких-то программ с более высоким приоритетом. В таком случае было бы целесообразно временно изменить приоритет "аварийных" задач (у которых истекает отпущенное для них время обработки), а после выполнения восстановить прежнее значение. Введение механизмов динамического изменения приоритетов позволяет реализовать более быструю реакцию системы на короткие запросы пользователей (что важно при интерактивной работе), но при этом гарантировать выполнение любых запросов.

Таким образом, приоритет может быть статическим (фиксированным) или динамическим (изменяющимся системой в зависимости от ситуации в ней). Так называемый базовый приоритет потока непосредственно зависит от базового приоритета процесса, его породившего. В некоторых случаях система может повышать приоритет потока (причем в различной степени), например, если квант отведенного ему процессорного времени не был использован полностью, или понижать приоритет в противном случае. Например, ОС повышает приоритет в большей степени потокам, ожидающим ввода с клавиатуры, и в меньшей степени – потокам, выполняющим операции с диском. В некоторых системах, использующих механизм динамических приоритетов, для изменения приоритета используются достаточно сложные формулы, в которых участвуют значения базовых приоритетов, степень загрузки вычислительной системы, начальное значение приоритета, заданное пользователем, и т.п.

Существуют две разновидности приоритетного планирования: обслуживание с относительными приоритетами и обслуживание с абсолютными приоритетами. В обоих случаях выбор потока на выполнение осуществляется одинаково – выбирается поток, имеющий наивысший приоритет, а момент смены активного потока определяется по-разному. В системе с относительными приоритетами активный поток выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор (перейдет в состояние ожидания, или произойдет ошибка, или поток завершится). В системе с абсолютными приоритетами прерывание активного потока, кроме указанных причин, происходит еще и в случае, если в очереди готовых потоков появляется поток с более высоким приоритетом, чем активный. Тогда выполняемый поток прерывается и переводится в состояние готовности.

Смешанный тип планирования используется во многих ОС: алгоритмы планирования на основе приоритетов сочетаются с концепцией квантования.

Задание

(выполняются с использованием справочных изданий)

При выполнении задания рекомендуется придерживаться следующей методики.

1. Используйте Вашу среду исследования функционирования операционной системы.

2. Создайте минимум четыре процесса с различным временем использования процессора.

3. Задайте величину кванта времени в пределах 10 – 1000 млсек.

4. Визуализируйте работу процессов по алгоритму планирования Round Robin с использованием схемы, приведенной на рис. 3.3.

Рис.3.3. Алгоритм планирования RR.

5. Структура строки файла LOG.TXT должна быть следующей:

- время;

- наименование процесса;

- состояние процесса (готовность, исполнение).

Контрольные вопросы

1. Понятия "процесс" и "поток". Создание и удаление процессов и потоков. Параллельные процессы.

2. Подсистема управления процессами и потоками, ее функции и их реализация.

3. Планирование и диспетчеризация потоков: определение, основные задачи. Статическое и динамическое планирование. Особенности планирования в системах реального времени.

4. Основные состояния потока, схема смены состояний.

5. Смена активного потока – алгоритмы планирования. Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы, их достоинства и недостатки. Алгоритмы, основанные на квантовании. Примеры.

6. Планирование и диспетчеризация потоков: определение, основные задачи. Вторая задача планирования, классификация алгоритмов выбора потока на выполнение.

Р а з д е л IV

Дата добавления: 2014-12-07