Назначение и функции операционных систем.

Операционная система — это программа, контролирующая работу пользовательской программы и систем приложений и исполняемая роль интерфейса между приложениями и аппаратным обеспечением компьютера. Её предназначения можно разделить на три основные составляющие:

· удобство: операционная система делает исполнение компьютера простым и удобным

· эффективность: операционная система позволяет эффективно использовать ресурсы компьютерной системы

· возможность развития: операционная система должна допускать разработку тестирования новых приложений и системных функций без нарушения нормального функционирования вычислительной системы.

Согласно многолетней традиции, при рассмотрении основ функционирования ОС принято выделять четыре основных группы функций, выполняемых системой.
Управление устройствами. Имеются в виду все периферийные устройства, подключаемые к компьютеру, — клавиатура, монитор, принтеры, диски и т.п.
Управление данными. Под этим старинным термином сейчас понимается работа с файлами, хотя были времена, когда обращение к данным на магнитных носителях выполнялось путем указания адреса размещения данных на устройстве, а понятия файла не существовало.
Управление процессами. Эта сторона работы ОС связана с запуском и завершением работы программ, обработкой ошибок, обеспечением параллельной работы нескольких программ на одном компьютере.
Управление памятью. Оперативная память компьютера — это такой ресурс, которого всегда не хватает. В этих условиях разумное планирование использования памяти является важнейшим фактором эффективной работы.
Имеется еще несколько важных обязанностей, ложащихся на ОС, которые трудно втиснуть в рамки традиционной классификации функций. К ним, прежде всего, относятся следующие.
Организация интерфейса с пользователем. Формы интерфейса могут быть разнообразными, в зависимости от типа и назначения ОС: язык управления пакетами заданий, набор диалоговых команд, средства графического интерфейса.
Защита данных. Как только система перестает быть достоянием одного изолированного от внешнего мира пользователя, вопросы защиты данных от несанкционированного доступа приобретают первостепенную важность. ОС, обеспечивающая работу в сети или в системе разделения времени, должна соответствовать имеющимся стандартам безопасности.
Ведение статистики. В ходе работы ОС должна собираться, храниться и анализироваться разнообразная информация: о количестве времени, затраченном различными программами и пользователями, об интенсивности использования ресурсов, о попытках некорректных действий пользователей, о сбоях оборудования и т.п. Собранная информация хранится в системных журналах и в учетных записях пользователей.

1.2. Операционная среда

Операционная система выполняет функции управления вычислительными процессами в вычислительной системе, распределяет ресурсы вычислительной системы между различными вычислительными процессами и образует программную среду, в которой выполняются прикладные программы пользователя. Такая среда называется операционной.

Любая программа имеет дело с некоторыми исходными данными, которые она обрабатывает и порождает некоторые выходные данные, т.е. результаты вычислений. В абсолютном большинстве случаев исходные данные попадают в оперативную память внешних периферийных устройств.

Результаты вычислений также выводятся на внешние устройства. Программирование операций вводавывода является наиболее сложной задачей. Именно поэтому развитие операционной системы пошло по пути выделения наиболее часто встречающихся операций и создании для них соответствующих модулей, которые можно в дальнейшем использовать во вновь создаваемых программах. В конечном итоге возникла ситуация, когда при создании двоичных машинных программ …

Программисты могут вообще не знать многих деталей управления ресурсами вычислительной системы, а должны обращаться к некоторой программной подсистеме с соответствующими выводами и получить необходимые функции сервиса. Эта программная подсистема и есть операционная система, а набор её функций сервиса и привело обращение к ней и образует базовое понятие, которое называется операционной средой, т.е. термин операционная среда означает необходимые интерфейсные программы пользователя для обращения к операционной системе с целью получить определённый сервис. Параллельное существование терминов операционная система и операционная среда вызвано тем, что операционная система может поддержать несколько операционных сред.

1.3. Прерывания

Прерывания аппаратные — это сигналы, при поступлении которых нормальная последовательность выполнения программы может быть прервана, при этом система запоминает информацию, необходимую для возобновления работы прерванной программы, и передает управление подпрограмме обработки прерывания ISR, Interrupt Service Routine. По завершению обработки, как правило, управление возвращается прерванной программе.

Все прерывания можно разделить на три основных типа:

1. аппаратные прерывания от периферийных устройств

2. внутренние аппаратные прерывания называемые также исключениями, exceptions

3. программные прерывания.

В подавляющем большинстве ОС обработку всех прерываний берет на себя сама система, поскольку это слишком интимная часть работы, способная повлиять на функционирование всех системных и прикладных программ.

Поскольку типы и разновидности прерываний весьма многообразны и каждый из них требует особой обработки, большинство процессоров поддерживает векторные прерывания. Это означает, что каждая разновидность прерывания имеет свой номер, и этот номер используется как индекс в массиве, хранящем адреса ISR для всех прерываний. При возникновении прерывания аппаратура компьютера по номеру прерывания определяет адрес подпрограммы обработки и вызывает ее.

Для того чтобы некоторые наиболее ответственные участки системных программ выполнялись без прерываний, система имеет возможность временно запретить прием большинства прерываний. Такой запрет должен устанавливаться лишь на короткие интервалы времени, не более нескольких миллисекунд.

Программные прерывания вызываются выполнением специальной команды, но обрабатываются точно так же, как остальные типы прерываний. По сути, команда программного прерывания представляет собой особый случай вызова подпрограммы, но при этом вместо адреса подпрограммы указывается номер прерывания, обработчик которого должен быть вызван. В большинстве современных ОС программные прерывания используются для перехода из режима пользователя в режим ядра при вызове системных функций из прикладной программы.

Одним из важнейших источников прерываний являются периферийные устройства. Как правило, устройство генерирует сигнал прерывания в одном из двух случаев:

· при переходе в состояние готовности

· при возникновении ошибки выполнения операции.

Состояние готовности — это такое состояние устройства, в котором оно готово принять и выполнить команды от процессора. Для устройства ввода готовность означает наличие в устройстве данных, которые могут быть переданы в процессор например, клавиатура переходит в состояние Готово при нажатии клавиши и возвращается в состояние Не готово, когда код нажатой клавиши считан в процессор. Для устройства вывода готовность — это возможность принять от процессора данные, которые следует вывести. Например, матричный принтер принимает символы, которые нужно напечатать, в свой внутренний буфер. Если буфер полон, принтер переходит в состояние Не готово до тех пор, пока часть символов будет напечатана и в буфере освободится место. Дисковый накопитель при начале выполнения новой операции чтения или записи на диск переходит в состояние Не готово, а после завершения операции возвращается в состояние Готово. В любом из этих случаев переход в состояние Готово — это повод для устройства напомнить о себе процессору: обратите на меня внимание, я к вашим услугам! Для этого и служит сигнал прерывания.

Ошибка операции также требует вмешательства системы или пользователя. Например, при ошибке отсутствия бумаги в лотке принтера система должна оповестить об этом пользователя; при ошибке чтения с диска либо система, либо пользователь должен решить, что делать: повторить операцию, завершить программу или продолжить выполнение.

Не каждое устройство генерирует прерывания. Например, монитор ПК не выдает прерываний: он всегда готов, т.е. всегда может принять данные для отображения, и он никогда не ошибается, точнее сказать, его неисправность обнаруживается на глаз.

1.4. Процессы и потоки

В операционных системах, где существуют и процессы, и потоки, процесс рассматривается операционной системой как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного — процессорного времени. Этот последний важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы — потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности потоки выполнения команд.

В простейшем случае процесс состоит из одного потока, и именно таким образом трактовалось понятие процесс до середины 80-х годов например, в ранних версиях UNIX и в таком же виде оно сохранилось в некоторых современных ОС. В таких системах понятие поток полностью поглощается понятием процесс, то есть остается только одна единица работы и потребления ресурсов — процесс. Мультипрограммирование осуществляется в таких ОС на уровне процессов.

Для того чтобы процессы не могли вмешаться в распределение ресурсов, а также не могли повредить коды и данные друг друга, важнейшей задачей ОС является изоляция одного процесса от другого. Для этого операционная система обеспечивает каждый процесс отдельным виртуальным адресным пространством, так что ни один процесс не может получить прямого доступа к командам и данным другого процесса.

При необходимости взаимодействия процессы обращаются к операционной системе, которая, выполняя функции посредника, предоставляет им средства межпроцессной связи — конвейеры, почтовые ящики, разделяемые секции памяти и некоторые другие.

Однако в системах, в которых отсутствует понятие потока, возникают проблемы при организации параллельных вычислений в рамках процесса. А такая необходимость может возникать. Действительно, при мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем в однопрограммном режиме всякое разделение ресурсов только замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса.

Потоки возникли в операционных системах как средство распараллеливания вычислений. Конечно, задача распараллеливания вычислений в рамках одного приложения может быть решена и традиционными способами.

1.5. Файлы и файловые системы

Старинный термин управление данными в настоящее время всегда понимается как управление файлами.

Файл есть набор данных, хранящийся на периферийном устройстве и доступный по имени. При этом конкретное расположение данных на устройстве не интересует пользователя и полностью передоверяется системе. До изобретения файлов пользователь должен был обращаться к своим данным, указывая их адреса на диске или на магнитной ленте.

Понятие файловая система означает стандартизованную совокупность структур данных, алгоритмов и программ, обеспечивающих хранение файлов и выполнение операций с ними. Мощная современная ОС обычно поддерживает возможность использования нескольких разных файловых систем. И наоборот, одна и та же файловая система может поддерживаться различными ОС.

Среди задач, решаемых подсистемой управления данными, можно назвать следующие:
выполнение операций создания, удаления, переименования, поиска файлов, чтения и записи данных в файлы, а также ряда вспомогательных операций

· обеспечение эффективного использования дискового пространства и высокой скорости доступа к данным

· обеспечение надежности хранения данных и их восстановления в случае сбоев

· защита данных пользователя от несанкционированного доступа

· управление одновременным совместным использованием данных со стороны нескольких процессов.

1.6. Память

Основная память она же ОЗУ является важнейшим ресурсом, эффективное использование которого решающим образом влияет на общую производительность системы.

Для однозадачных ОС управление памятью не является серьезной проблемой, поскольку вся память, не занятая системой под собственные нужды, может быть отдана в распоряжение единственного пользовательского процесса. Процедуры управления памятью решают следующие задачи:
выделение памяти для процесса пользователя при его запуске и освобождение этой памяти при завершении процесса

обеспечение настройки запускаемой программы на выделенные адреса памяти

управление выделенными областями памяти по запросам программы пользователя например, освобождение части памяти перед запуском порожденного процесса.

Совершенно иначе обстоят дела в многозадачных ОС. Суммарные требования к объему памяти всех одновременно работающих в системе программ, как правило, превышают имеющийся в наличии объем основной памяти. В этих условиях ОС не имеет другого выхода, кроме поочередного вытеснения процессов или их частей на диск, чтобы использовать освободившуюся память на нужды других процессов. Неудачная реализация такого вытеснения может почти полностью застопорить работу ОС, которая большую часть времени будет заниматься записью и чтением с диска.

К основным задачам, которые должна решать подсистема управления памятью многозадачной ОС, добавляются следующие.
предоставление процессам возможностей получения и освобождения дополнительных областей памяти в ходе работы

эффективное использование ограниченного объема основной памяти для удовлетворения нужд всех работающих процессов, в том числе с использованием дисков как расширения памяти

изоляция памяти процессов, исключающая случайное или намеренное несанкционированное обращение одного процесса к областям памяти, занимаемым другим процессом

предоставление процессам возможности обмена данными через общие области памяти.

1.7. Пользователи

Пользователь — в программировании — лицо или организация, т.е. абонент.

Он использует данную программу для выполнения конкретной функции на основании пользовательского соглашения.

Пользователь обязан выполнять пользовательское соглашение для обеспечения компьютерной, информационной безопасности. Пользователем является только человек, физическое лицо или организация, юридическое лицо.. Пользователем является человек, использующий компьютер, программу либо сеть для решения стоящих перед ним задач. Его именуют иногда конечный потребитель, конечным пользователем программного продукта.

1.8. Режимы работы

Мультипрограммирование — это режим обработки данных, при котором ресурсы вычислительной системы предоставляются каждому процессу из группы процессов обработки данных, находящихся в ВС, на интервалы времени, длительность и очередность предоставления которых определяется управляющей программой этой системы с целью обеспечения одновременной работы в интерактивном режиме.

Режим реального времени — режим обработки данных, при котором обеспечивается взаимодействие вычислительной системы с внешними по отношению к ней процессами в темпе, соизмеримом со скоростью протекания этих процессов. Этот режим обработки данных широко используется в системах управления и информационно-поисковых системах.

В однопрограммном режиме работы в памяти ЭВМ находится и выполняется только одна программ. Такой режим обычно характерен для микро-ЭВМ и персональных ЭВМ, то есть для ЭВМ индивидуального пользования.

В мультипрограммном многопрограммном режиме работы в памяти ЭВМ находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от ситуации, складывающейся в системе. В мультипрограммном режиме более эффективно используются машинное время и оперативная память, так как при возникновении каких-либо ситуаций в выполняемой задаче, требующих перехода процессора в режим ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет ее до тех пор, пока в ней не возникает подобная ситуация, и т.д. При реализации мультипрограммного режима требуется определять очередность переключения задач и выбирать моменты переключения, чтобы эффективность использования машинного времени и памяти была максимальной. Мультипрограммный режим обеспечивается аппаратными средствами ЭВМ и средствами операционной системы. Он характерен для сложных ЭВМ, где стоимость машинного времени значительно выше, чем у микро-ЭВМ. Разработаны также мультипрограммные ОС, позволяющие одновременно следить за решением нескольких задач и повышать эффективность работы пользователя.

В зависимости от того, в каком порядке при мультипрограммном режиме выполняются программы пользователей, различают режимы пакетной обработки задач и коллективного доступа.

В режиме пакетной обработки задачи выстраиваются в одну или несколько очередей и последовательно выбираются для их выполнения.

В режиме коллективного доступа каждый пользователь ставит свою задачу на выполнение в любой момент времени, то есть для каждого пользователя в такой ВС реализуется режим индивидуального пользования. Это осуществляется обычно с помощью квантования машинного времени, когда каждой задаче, находящейся в оперативной памяти ЭВМ, выделяется квант времени. После окончания кванта времени процессор переключается на другую задачу или продолжает выполнение прерванной в зависимости от ситуации в ВС. Вычислительные системы, обеспечивающие коллективный доступ пользователей с квантованием машинного времени, называют ВС с разделением времени.

2. Управление процессами
2.1. Концепция процесса

Процесс — это система действий, реализующая определенную функцию в вычислительной системе и оформленная так, что управляющая программа вычислительной системы может перераспределять ресурсы этой системы в целях обеспечения мультипрограммирования.

Понятие процесса тесно связано с понятием задача:

Задача — в режиме мультипрограммирования или мультипроцессорной обработки одна или более последовательностей команд, обрабатываемых управляющей программой как элемент работы, которая выполняется вычислительной машиной.

Выполнение задачи реализуется в вычислительной системе запуском не менее одного процесса. Можно говорить, что задача — это один или несколько процессов, обеспечивающих достижение поставленных пользователем целей.
Следует отличать понятия процесс и задача от понятий программа и задание.

Программа для ЭВМ — упорядоченная последовательность команд, подлежащих обработке.

Задание вычислительной системе — единица работы, возлагаемой на вычислительную систему пользователем, оформленная для ввода в вычислительную систему независимо от других таких же единиц.

Отношение программы и задания аналогично отношению процесса и задачи, т.е. каждое задание содержит не менее одной программы, предназначенной для обработки в ЭВМ.

Об отношении процесса и программы можно сказать, что процесс — это программа во время ее выполнения. Всякая программа становится процессом, когда начинает выполняться в ЭВМ.

В период своего существования процесс может находиться в одном из следующих основных состояний:

· порождение, во время которого подготавливаются условия для первого исполнения на центральном процессоре

· активное состояние выполнение, когда процессу принадлежит центральный процессор

· ожидание, во время которого процесс блокирован по причине занятости каких-либо необходимых ему ресурсов

· готовность, при котором процесс получил все необходимые ему ресурсы, кроме центрального процессора

· окончание, во время которого выполняются завершающие работу операции, после чего ресурсы процессу больше не предоставляются.

2.2. Идентификатор, дескриптор и контекст процессов.

Каждый процесс в операционной системе получает уникальный идентификационный номер — PID process identificator. При создании нового процесса операционная система пытается присвоить ему свободный номер больший, чем у процесса, созданного перед ним. Если таких свободных номеров не оказывается например, мы достигли максимально возможного номера для процесса, то операционная система выбирает минимальный номер из всех свободных номеров.

Дескриптор процесса включает в себя все те данные о процессе, которые могут понадобиться ОС при различных состояниях процесса. В число элементов дескриптора могут входить, например, идентификатор процесса некое условное число, обозначающее данный процесс; текущее состояние процесса; его приоритет; владелец процесса т.е. идентификатор пользователя, запустившего процесс; статистика затраченного процессом общего и процессорного времени; указатель местоположения контекста процесса и др. Дескрипторы всех процессов, существующих в системе, собраны в таблицу процессов.

Контекст процесса включает данные, необходимые только для текущего процесса. Суда относятся, прежде всего, значения всех регистров процессора, включая указатель текущей команды; таблица файлов, открытых процессом; указатели на области памяти, которые должен занимать процесс при его выполнении; значения системных переменных, используемых процессом например, текущий диск и каталог, информация о последней ошибке при выполнении системных функций; другие системные флаги и режимы, которые могут иметь разные значения для разных процессов. Точный состав дескриптора и контекста сильно зависят от конкретной ОС.

2.3. Иерархия процессов

В некоторых системах, когда процесс порождает другой процесс, родительский и дочерний процессы продолжают быть определенным образом связанными друг с другом. Дочерний процесс может и сам создавать какие-нибудь процессы, формируя иерахию процессов.

2.4. Диспетчеризация процессов

Диспетчеризация процессов задач — это определение очерёдности получения процессора для процессов задач, находящихся в состоянии готовности, с целью их выполнения. Диспетчеризация процесса связана с его переводом из состояния готовности в состояние выполнения счёта. Диспетчеризация, для конкретного процесса, может выполняться многократно, т. е. процесс может несколько раз переходить из состояния готовности в состояние выполнения и обратно на интервале своего существования. Так как в каждый такт процессорного времени могут выполняться команды только одной задачи, диспетчеризация предполагает создание и модификацию очереди готовых к выполнению задач процессов. Элементами такой очереди как и других очередей в вычислительной системе на физическом уровне являются дескрипторы задач.

2.5. Понятие приоритета и очереди процессов

Приоритет — свойство процесса, определяющее важность необходимость выполнения.

Назначение приоритетов выполняется пользователем либо администратором системы, возможно также программное изменение приоритета процесса. На выбор оптимального уровня приоритета влияют в основном два соображения:
важность, ответственность данного процесса либо привилегированное положение запускающего процесс пользователя

количество процессорного времени, на которое будет претендовать процесс как мы видели в примере с фоновой печатью, высокий приоритет процесса, мало загружающего процессор, почти не приводит к замедлению работы остальных процессов.

Основной алгоритм приоритетного планирования напоминает простое круговое планирование, однако круговая очередь активных процессов формируется отдельно для каждого уровня приоритета. Пока есть хоть один активный процесс в очереди с самым высоким приоритетом, процессы с более низкими приоритетами не могут получить управление. Только когда все процессы с высшим приоритетом заблокированы либо завершены, планировщик выбирает процесс из очереди с более низким приоритетом.

Приоритет, присваиваемый процессу при создании, называется статическим приоритетом. Дисциплина планирования, использующая только статические приоритеты, имеет один существенный недостаток: низкоприоритетные процессы могут надолго оказаться полностью отлученными от процессора. Иногда это приемлемо если высокоприоритетные процессы несравнимо важнее, чем низкоприоритетные, однако чаще хотелось бы, чтобы и на низкие приоритеты хоть что-нибудь перепадало, пусть даже реже и в меньшем количестве, чем на высокие. Для решения этой задачи предложено множество разных алгоритмов планирования процессов, основанных на идее динамического приоритета.

2.6. Синхронизация процессов

Синхронизация процессов — приведение двух или нескольких процессов к такому их протеканию, когда определённые стадии разных процессов совершаются в определённом порядке, либо одновременно.

Синхронизация необходима в любых случаях, когда параллельно протекающим процессам необходимо взаимодействовать. Для её организации используются средства межпроцессного взаимодействия. Среди наиболее часто используемых средств — сигналы и сообщения, семафоры и мьютексы, каналы англ. pipe, совместно используемая память.

2.7. Средства обработки сигналов

Сигналы представляют собой средство уведомления процесса о наступлении некоторого события в системе. Инициатором посылки сигнала может выступать как другой процесс, так и сама ОС. Сигналы, посылаемые ОС, уведомляют о наступлении некоторых строго предопределенных ситуаций. при этом каждой такой ситуации сопоставлен свой сигнал. Кроме того, зарезервирован один или несколько номеров сигналов, семантика которых определяется пользовательскими процессами по своему усмотрению.

Сигналы являются механизмом асинхронного взаимодействия, т.е. момент прихода сигнала процессу заранее неизвестен. Однако, процесс может предвидеть возможность получения того или иного сигнала и установить определенную реакцию на его приход. В этом плане сигналы можно рассматривать как программный аналог аппаратных прерываний.

При получении сигнала процессом возможны три варианта реакции на полученный сигнал:
Процесс реагирует на сигнал стандартным образом, установленным по умолчанию для большинства сигналов действие по умолчанию — это завершение процесса
Процесс может установить специальную обработку сигнала, в этом случае по приходу сигнала вызывается функция-обработчик, определенная процессом при этом говорят, что сигнал перехватывается
Процесс может проигнорировать сигнал

Для каждого сигнала процесс может устанавливать свой вариант реакции, например, некоторые сигналы он может игнорировать, некоторые перехватывать, а на остальные установить реакцию по умолчанию. При этом в процессе своей работы процесс может изменять вариант реакции на тот или иной сигнал. Однако, необходимо отметить, что некоторые сигналы невозможно ни перехватить, ни игнорировать. Они используются ядром ОС для управления работой процессов

Если в процесс одновременно доставляется несколько различных сигналов, то порядок их обработки не определен. Если же обработки ждут несколько экземпляров одного и того же сигнала, то ответ на вопрос, сколько экземпляров будет доставлено в процесс — все или один — зависит от конкретной реализации ОС.

2.8. Понятие событийного программирования

Событийно-ориентированное программирование — парадигма программирования, в которой выполнение программы определяется событиями — действиями пользователя клавиатура, мышь, сообщениями других программ и потоков, событиями операционной системы например, поступлением сетевого пакета.

СОП можно также определить как способ построения компьютерной программы, при котором в коде как правило, в головной функции программы явным образом выделяется главный цикл приложения, тело которого состоит из двух частей: выборки события и обработки события.
Как правило, в реальных задачах оказывается недопустимым длительное выполнение обработчика события, поскольку при этом программа не может реагировать на другие события. В связи с этим при написании событийно-ориентированных программ часто применяют автоматное программирование.

2.9. Средства коммуникации процессов

Одна из важнейших целей, которые ставятся при разработке многозадачных систем, заключается в том, чтобы разные процессы, одновременно работающие в системе, были как можно лучше изолированы друг от друга. Это означает, что процессы в идеале не должны ничего знать даже о существовании друг друга. Для каждого процесса ОС предоставляет виртуальную машину, т.е. полный набор ресурсов, имитирующий выполнение процесса на отдельном компьютере.

Изоляция процессов, во-первых, является необходимым условием надежности и безопасности многозадачной системы. Один процесс не должен иметь возможности вмешаться в работу другого или получить доступ к его данным, ни по случайной ошибке, ни намеренно.

Во-вторых, проектирование и отладка программ чрезвычайно усложнились бы, если бы программист должен был учитывать непредсказуемое влияние других процессов.

С другой стороны, есть ситуации, когда взаимодействие необходимо. Процессы могут совместно обрабатывать общие данные, обмениваться сообщениями, ждать ответа и т.п. Система должна предоставлять в распоряжение процессов средства взаимодействия. Это не противоречит тому, что выше было сказано об изоляции процессов. Чтобы взаимодействие не привело к полному хаосу, оно должно выполняться только с помощью тех хорошо продуманных средств, которые предоставляет процессам ОС. За пределами этих средств действует изоляция процессов.

Понятие взаимодействия процессов включает в себя несколько видов взаимодействия, основными из которых являются:

· синхронизация процессов, т.е., упрощенно говоря, ожидание одним процессом каких-либо событий, связанных с работой других процессов

· обмен данными между процессами.

Серьезная проблема возникает в ситуации, когда два или более процесса одновременно пытаются работать с общими для них данными, причем хотя бы один процесс изменяет значение этих данных.
Совершенно иным образом подошел к проблеме взаимного исключения великий голландский ученый Э.Дейкстра E.Dijkstra, 1966. Он предложил использовать новый вид программных объектов — семафоры. Здесь мы рассмотрим их простейший вариант — двоичные семафоры, они же мьютексы mutex, от слов MUTual EXclusion — взаимное исключение.

Двоичным семафором называется переменная S, которая может принимать значения 0 и 1 и для которой определены только две операции.
PS — операция занятия закрытия семафора. Она ожидает, пока значение S не станет равным 1, и, как только это случится, присваивает S значение 0 и завершает свое выполнение. Очень важно: операция P по определению неделима, т.е. между проверкой и присваиванием не может вклиниться другой процесс, который бы изменил значение S.
VS — операция освобождения открытия семафора. Она просто присваивает S значение 0.

Чем переменная-семафор отличается от обычной булевой переменной Тем, что для нее недопустимы никакие иные операции, кроме P и V. Нельзя написать в программе S:=1 или ifSthen … , если S определена как семафор.

Заслуга Дейкстры как раз в том, что он разделил проблему взаимного исключения на две независимые проблемы разных уровней:
на уровне реализации: как обеспечить работу семафоров в соответствии с их определением

на уровне взаимодействия процессов: как написать корректно работающую программу, если в распоряжении программиста имеются семафоры.

Можно доказать, что использование двоичных семафоров позволяет корректно решить любые проблемы синхронизации процессов. Но вовсе не обязательно это решение окажется простым и удобным. В некоторых случаях использование семафоров должно все же сопровождаться нежелательным активным ожиданием.

За десятилетия, прошедшие после изобретения семафоров, были предложены различные средства синхронизации, более приспособленные для различных типовых задач. Рассмотрим некоторые из них.

Целочисленные семафоры. В упомянутой работе Дейкстры, помимо двоичных семафоров, принимающих значения 0 и 1, был рассмотрен также более общий тип семафоров со значениями на интервале от 0 до некоторого N. Функция PS уменьшает положительное значение семафора на 1, а при нулевом значении переходит в ожидание, как и в случае двоичного семафора. Функция VS увеличивает значение семафора на 1, но не более N.

Область применения целочисленных семафоров несколько иная, чем у двоичных. Целочисленные семафоры применяются в задачах выделения ресурсов из ограниченного запаса. Величина N характеризует общее количество имеющихся единиц ресурса, а текущее значение переменной — количество свободных единиц. При запросе ресурса процесс вызывает функцию VS, при освобождении — PS.

Для целочисленных семафоров иногда удобно использовать модифицированную функцию VS, k, вторым параметром которой является число одновременно запрашиваемых единиц ресурса. Такая функция блокирует процесс, если значение семафора меньше k.

Семафоры с множественным ожиданием. Возможна ситуация, когда процесс может выбрать один из нескольких путей дальнейшей работы, но на каждом пути он может быть заблокирован закрытым семафором. Разумно было бы ждать освобождения любого из семафоров и только тогда выбрать свободный путь. Но как это сделать Вызвав PS для одного из семафоров, процесс обречен ждать освобождения именно этого семафора, а не любого из имеющихся.

Житейская ситуация: покупатель в супермаркете, выбирающий, к какой из касс занять очередь. Хорошо бы угадать очередь, которая пройдет быстрее…

Функция множественного ожидания PS1, S2, … Sn позволяет указать в качестве параметров несколько двоичных семафоров или массив семафоров. Если хотя бы один из семафоров свободен, функция занимает его, в противном случае она ждет освобождения любого из семафоров.

Другой, не менее полезный вариант множественного ожидания, это ожидание момента, когда все указанные семафоры окажутся свободны. Это означает, что процесс может работать дальше только в том случае, если одновременно выполнены несколько условий, каждое из которых задано в виде двоичного семафора.

Сигнал — это нечто, что может быть послано процессу системой или другим процессом. С сигналом не связано никакой информации, кроме номера кода, указывающего, какой именно тип сигнала посылается. При получении сигнала процесс прерывает свою текущую работу и переходит на выполнение функции, определенной как обработчик сигналов данного типа.
Таким образом, сигналы сильно похожи на прерывания, но только высокоуровневые, управляемые системой, а не аппаратурой.

Механизм сигналов позволяет решить, например, проблему критической секции иным способом, чем семафоры.

Сообщения также посылаются процессу системой или другим процессом, однако отличаются от сигналов в двух отношениях.

Во-первых, сообщения не прерывают работу процесса-получателя. Вместо этого они становятся в очередь сообщений. Процесс должен сам вызвать функцию приема сообщения. Если очередь пуста, эта функция блокирует процесс до получения какого-нибудь сообщения.

Во-вторых, с сообщением, в отличие от сигнала, может быть связана информация, передаваемая получателю. Таким образом, сообщения — это средство не только синхронизации, но и обмена данными между процессами.

Поговорим теперь еще об обмене данными. Самым простым и естественным способом такого обмена представляется возможность совместного доступа двух или более процессов к общей области памяти. Но поскольку обычно ОС стремитс