Вытесняющие и не вытесняющие алгоритмы диспетчеризации

Диспетчеризация без перераспределения процессорного времени, то есть не вы­тесняющая многозадачность (non-preemptive multitasking) – это такой способ диспетчеризации процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, что называется «по собственной инициативе», не отдаст управ­ление диспетчеру задач для выбора из очерёди другого, готового к выполнению процесса или треда. Дисциплины обслуживания FCFS, SJN, SRT относятся к не вытесняющим.

Диспетчеризация с перераспределением процессорного времени между задача­ми, то есть вытесняющая многозадачность (preemptive multitasking) – это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается диспетчером задач, а не самой активной задачей. При вытесняющей многозадачности механизм диспет­черизации задач целиком сосредоточен в операционной системе, и программист может писать свое приложение, не заботясь о том, как оно будет выполняться параллельно с другими задачами. При этом операционная система выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения текущей задачи, сохраняет её контекст в дескрипторе задачи, выбирает из очерёди готовых задач следующую и запускает её на выполнение, предварительно загрузив её контекст. Дисциплина RR и многие другие, построенные на её основе, относятся к вытес­няющим.

При не вытесняющей многозадачности механизм распределения процессорного времени распределен между системой и прикладными программами. Приклад­ная программа, получив управление от операционной системы, сама определяет момент завершения своей очередной итерации и передаёт управление суперви­зору ОС с помощью соответствующего системного вызова. При этом естествен­но, что диспетчер задач, так же как и в случае вытесняющей мультизадачности, формирует очерёди задач и выбирает в соответствии с некоторым алгоритмом (например, с учётом порядка поступления задач или их приоритетов) следую­щую задачу на выполнение. Такой механизм создает некоторые проблемы, как для пользователей, так и для разработчиков.

Для пользователей это означает, что управление системой может теряться на не­который произвольный период времени, который определяется процессом вы­полнения приложения (а не системой, старающейся всегда обеспечить приемле­мое время реакции на запросы пользователей) [54]. Если приложение тратит слишком много времени на выполнение какой-либо работы (например, на фор­матирование диска), пользователь не может переключиться с этой задачи на дру­гую задачу (например, на текстовый или графический редактор, в то время как форматирование продолжалось бы в фоновом режиме). Эта ситуация нежела­тельна, так как пользователи обычно не хотят долго ждать, когда машина завер­шит свою задачу.

Поэтому разработчики приложений для не вытесняющей операционной среды, возлагая на себя функции диспетчера задач, должны создавать приложения так, чтобы они выполняли свои задачи небольшими частями. Так, упомянутая выше программа форматирования может отформатировать одну дорожку дискеты и вернуть управление системе. После выполнения других задач система возвратит управление программе форматирования, чтобы та отформатировала следующую дорожку. Подобный метод разделения времени между задачами работает, но он существенно затрудняет разработку программ и предъявляет повышенные тре­бования к квалификации программиста.

Например, в ныне уже забытой операционной среде Windows 3.х нативные при­ложения этой системы разделяли между собой процессорное время именно та­ким образом. И программисты сами должны были обеспечивать «дружествен­ное» отношение своей программы к другим выполняемым одновременно с ней программам, достаточно часто отдавая управление ядру системы. Крайним про­явлением «не дружественности» приложения является его зависание, которое приводит к общему краху системы. В системах с вытесняющей многозадачно­стью такие ситуации, как правило, исключены, так как центральный механизм диспетчеризации, во–первых, обеспечивает все задачи процессорным временем, а во–вторых, дает возможность иметь надёжные механизмы для мониторинга вы­числений и позволяет снять зависшую задачу с выполнения.

Однако распределение функций диспетчеризации между системой и прило­жениями не всегда является недостатком, а при определенных условиях может быть и преимуществом, потому что дает возможность разработчику приложений самому проектировать алгоритм распределения процессорного времени, наибо­лее подходящий для данного фиксированного набора задач [54]. Так как разра­ботчик сам определяет в программе момент времени отдачи управления, то при этом исключаются нерациональные прерывания программ в «неудобные» для них моменты времени. Кроме того, легко разрешаются проблемы совместного использования данных: задача во время каждой итерации использует их моно­польно и уверена, что на протяжении этого периода никто другой не изменит эти данные. Примером эффективного использования не вытесняющей многозадач­ности является сетевая операционная система Novell NetWare, в которой в зна­чительной степени благодаря этому достигнута высокая скорость выполнения файловых операций. Менее удачным оказалось использование не вытесняющей многозадачности в операционной среде Windows 3.х.