ГЛАВА 2 Управление задачами и памятью в операционных системах

Итак, время центрального процессора и оперативная память являются основны­ми ресурсами в случае реализации мультипрограммных вычислений.

Оперативная память – это важнейший ресурс любой вычислительной системы, поскольку без неё (как, впрочем, и без центрального процессора) невозможно выполнение ни одной программы. Мы уже отмечали, что память является разделяемым ресурсом. От выбранных механизмов распределения памяти между выполняющимися процессорами очень сильно зависит и эффективность исполь­зования ресурсов системы, и её производительность, и возможности, которыми могут пользоваться программисты при создании своих программ. Способы рас­пределения времени центрального процессора тоже сильно влияют и на скорость выполнения отдельных вычислений, и на общую эффективность вычислитель­ной системы.

Понятие процесса (задачи) нам уже известно. В данной главе мы не будем стараться разделять понятия процесс (process) и поток (thread), вместо этого используя как бы обобщающий термин task (задача). В других разделах, если специально это не оговаривается, под задачей или процессом следует понимать практически одно и то же. Сейчас же мы будем говорить о разделении ресурса центрального процессора, поэтому термин задача может включать в себя и поня­тие треда (потока).

Итак, 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 прохождение их через компьютер. В зависимости от состояния процесса ему должен быть предоставлен тот или иной ресурс. Например, новый процесс необходимо разместить в основной па­мяти – следовательно, ему необходимо выделить часть адресного пространства. Новый порожденный поток текущего процесса необходимо включить в общий список задач, конкурирующих между собой за ресурсы центрального процессора.

Создание и удаление задач осуществляется по соответствующим запросам от поль­зователей или от самих задач. Задача может породить новую задачу. При этом между процессами появляются «родственные» отношения. Порождающая задача называется «предком», «родителем», а порожденная – «потомком», «сыном» или «дочерней задачей». «Предок» может приостановить или удалить свою дочер­нюю задачу, тогда как «потомок» не может управлять «предком».

Основным подходом к организации того или иного метода управления процесса­ми, обеспечивающего эффективную загрузку ресурсов или выполнение каких-либо иных целей, является организация очерёдей процессов и ресурсов.

Очевидно, что на распределение ресурсов влияют конкретные потребности тех за­дач, которые должны выполняться параллельно. Другими словами, можно столк­нуться с ситуациями, когда невозможно эффективно распределять ресурсы с тем, чтобы они не простаивали. Например, всем выполняющимся процессам требует­ся некоторое устройство с последовательным доступом. Но поскольку, как мы уже знаем, оно не может распределяться между параллельно выполняющимися процессами, то процессы вынуждены будут очень долго ждать своей очерёди. Таким образом, недоступность одного ресурса может привести к тому, что дли­тельное время не будут использоваться и многие другие ресурсы.

Если же мы возьмем набор таких процессов, которые не будут конкурировать между собой за неразделяемые ресурсы при параллельном выполнении, то, ско­рее всего, процессы смогут выполниться быстрее (из-за отсутствия дополнитель­ных ожиданий), да и имеющиеся в системе ресурсы будут использоваться более эффективно. Итак, возникает задача подбора такого множества процессов, что при выполнении они будут как можно реже конфликтовать из-за имеющихся в системе ресурсов. Такая задача называется планированием вычислительных про­цессов.

Задача планирования процессов возникла очень давно – в первых пакетных ОС при планировании пакетов задач, которые должны были выполняться на компьютере и оптимально использовать его ресурсы. В настоящее время актуальность этой задачи не так велика. На первый план уже очень давно вышли задачи дина­мического (или краткосрочного) планирования, то есть текущего наиболее эф­фективного распределения ресурсов, возникающего практически при каждом со­бытии. Задачи динамического планирования стали называть диспетчеризацией1 .

Очевидно, что планирование осуществляется гораздо реже, чем задача текущего распределения ресурсов между уже выполняющимися процессами и потоками. Основное отличие между долгосрочным и краткосрочным планировщиками за­ключается в частоте запуска: краткосрочный планировщик, например, может за­пускаться каждые 30 или 100 мс, долгосрочный – один раз за несколько минут (или чаще; тут многое зависит от общей длительности решения заданий пользо­вателей).

Долгосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящихся во вход­ной очерёди, должен быть переведен в очередь готовых процессов в случае осво­бождения ресурсов памяти. Он выбирает процессы из входной очерёди с целью создания неоднородной мультипрограммной смеси. Это означает, что в очерёди готовых к выполнению процессов должны находиться – в разной пропорции – как процессы, ориентированные на ввод/вывод, так и процессы, ориентирован­ные на преимущественную работу с центральным процессором.

Краткосрочный планировщик решает, какая из задач, находящихся в очерёди го­товых к выполнению, должна быть передана на исполнение. В большинстве со­временных операционных систем, с которыми мы сталкиваемся, долгосрочный планировщик отсутствует.

Планирование и диспетчеризация процессов и задач

Стратегии планирования

Прежде всего следует отметить, что при рассмотрении стратегий планирования, как правило, идёт речь о краткосрочном планировании, то есть о диспетчериза­ции. Долгосрочное планирование, как мы уже отметили, заключается в подборе таких вычислительных процессов, которые бы меньше всего конкурировали ме­жду собой за ресурсы вычислительной системы.

Стратегия планирования определяет, какие процессы мы планируем на выпол­нение для того, чтобы достичь поставленной цели. Известно большое количество различных стратегий выбора процесса, которому необходимо предоставить про­цессор. Среди них, прежде всего, можно назвать следующие стратегии:

¨ по возможности заканчивать вычисления (вычислительные процессы) в том же самом порядке, в котором они были начаты;

¨ отдавать предпочтение более коротким процессам;

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

Когда говорят о стратегии обслуживания, всегда имеют в виду понятие процесса, а не понятие задачи, поскольку процесс, как мы уже знаем, может состоять из не­скольких потоков (задач).