Мультипрограммирование. Формы многопрограммной работы
Мультипрограммирование призвано повысить эффективность использования вычислительной системы [10, 17]. Однако эффективность может пониматься по-разному. Наиболее характерными показателями эффективности вычислительных систем являются:
· пропускная способность – количество задач, выполняемых системой в единицу времени;
· удобство работы пользователей, заключающихся, в частности, в том, что они могут одновременно работать в интерактивном режиме с несколькими приложениями на одной машине;
· реактивность системы – способность выдерживать заранее заданные (возможно, очень короткие) интервалы времени между запуском программы и получением конечного результата.
В зависимости от выбора одного из этих показателей эффективности ОС делятся на системы пакетной обработки, системы разделения времени и системы реального времени (некоторые ОС могут поддерживать одновременно несколько режимов).
Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов [11]. Максимальная пропускная способность компьютера достигается в этом случае минимизацией простоев его устройств и прежде всего процессора. Для достижения этой цели пакет заданий формируется так, чтобы получающаяся мультипрограммная смесь сбалансированно загружала все устройства машины. Например, в такой смеси желательно присутствие задач вычислительного характера и с интенсивным вводом-выводом. Однако в этом случае трудно гарантировать сроки выполнения того или иного задания.
В благоприятных случаях общее время выполнения смеси задач меньше, чем суммарное время их последовательного выполнения. При этом времени выполнения отдельной задачи может быть затрачено больше, чем при монопольном ее выполнении (рис. 5.4).
В системах разделения времени пользователям (в частном случае – одному) предоставляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. Для этого каждое приложение должно регулярно получать возможность "общения" с пользователем. Эта проблема решается за счет того, что ОС принудительно периодически приостанавливает приложения, не дожидаясь, когда они "добровольно" освободят процессор.
Рис. 5.4. Иллюстрация эффекта мультипрограммирования
Всем приложениям попеременно выделяются кванты времени процессора, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог (рис. 5.5) со своего терминала. Если время кванта выбрано достаточно небольшим, то у всех пользователей складывается впечатление единоличной работы на машине.
Рис. 5.5. Система разделения времени
Системы реального времени предназначены для управления техническими объектами (спутник, ракета, атомные электростанции, станок, научная установка и др.), технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.), системами обслуживания разного рода (резервирование авиабилетов, оплата покупок и счетов и др.). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа управления объектом. В противном случае возможны нежелательные последствия вплоть до аварии.
Критерием эффективности ОС в этом случае является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата. Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство – реактивностью. Требования ко времени реакции зависят от специфики управляемого объекта или процесса. В системах реального времени мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ решения функциональных задач управления объектом или процессом. Выбор программы на выполнение осуществляется по прерываниям (исходя из текущего состояния объекта) или в соответствии с расписанием плановых работ.
В системе реального времени обычно закладывается запас вычислительной мощности на случай пиковой нагрузки, а также принимаются меры обеспечения высокой надежности работы системы (резервирование, дублирование, троирование с мажоритарным элементом и др.).
Интересная форма мультипрограммной работы связана с мультипроцессорной обработкой. Мультипроцессорная обработка – это способ организации вычислительного процесса в системе с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, потоков) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы. Концепция мультипроцессирования не нова, она известна с 70-х годов, однако стала доступной в широком масштабе лишь в последнее десятилетие, особенно с появлением многопроцессорных ПК (часто в качестве серверов ЛВС).
В отличие от мультипрограммной обработки, в мультипроцессорных системах несколько задач выполняется одновременно, т.к. имеется несколько процессоров. Однако это не исключает мультипрограммной обработки на каждом процессоре. При этом резко усложняются все алгоритмы управления ресурсами, т.е. операционная система. Современные ОС, как правило, поддерживают мультипроцессирование (Sun Solaris 2.x, Santa Cruz Operation Open Server 3.x, OS/2, Windows NT/2000/2003/XP, NetWare, начиная с версии 4.1 и др.).
Мультипроцессорные системы часто характеризуют как симметричные и как несимметричные. Эти термины относятся, с одной стороны, к архитектуре вычислительной системы, а с другой – к способу организации вычислительного процесса.
Симметричная архитектура мультипроцессорной системы предполагает однотипность и единообразие включения процессоров и большую разделяемую между этими процессорами память. Масштабируемость, т.е. возможность наращивания числа процессоров, в данном случае ограничена, т.к. все они используют одну и ту же оперативную память и, следовательно, должны располагаться в одном корпусе. В симметричных архитектурах вычислительных систем легко реализуется симметричное мультипроцессирование общей для всех процессоров операционной системой. При этом все процессоры равноправно участвуют и в управлении вычислительным процессом, и в выполнении прикладных задач. Разные процессоры могут в какой-то момент времени одновременно обслуживать как разные, так и одинаковые модули общей ОС. Для этого программы ОС должны быть рентабельными (повторновходимыми).
Операционная система полностью децентрализована. Ее модули выполняются на любом доступном процессоре. Как только процессор завершает выполнение очередной задачи, он передает управление планировщику задач. Последний выбирает из общей для всех процессоров системной очереди задачу, которая будет выполняться на данном процессоре следующей.
В вычислительных системах с асимметричной архитектурой процессоры могут быть различными как по характеристикам (производительность, система команд), так и по функциональной роли в работе системы. Например, могут быть выделены процессоры для вычислений, ввода-вывода и др. Эта неоднородность ведет к структурным отличиям во фрагментах системы, содержащих разные процессоры (разные схемы подключения, наборы периферийных устройств, способы взаимодействия процессоров с устройствами и др.).
Масштабирование в таких системах реализуется иначе, поскольку отсутствует требование единого корпуса. Система может состоять из нескольких устройств, каждое из которых содержит один или несколько процессоров. Масштабирование в данном случае называют горизонтальным, а мультипроцессорную систему – кластерной. В кластерной системе может быть реализовано только асимметричное мультипроцессирование с организацией вычислительного процесса по принципу "ведущий – ведомый". Этот наиболее простой способ может быть использован и в вычислительных системах с симметричной архитектурой. В таких системах ОС работает на одном процессоре, который называется ведущим и организует централизованное управление вычислительным процессом и распределением всех ресурсов системы.
3. Управление процессами и потоками
Процесс — это программный модуль, выполняемый в центральном процессоре (CPU).
Операционная система контролирует следующую деятельность, связанную с процессами:
• создание и удаление процессов;
• планирование процессов;
• синхронизацию процессов;
• коммуникацию процессов;
• разрешение тупиковых ситуаций.
Не следует смешивать понятия «процесс» и «программа». Программа — это план действий, а процесс — это собственно действие, поэтому понятие процесса включает:
• программный код;
• данные;
• содержимое стека;
• содержимое адресного и других регистров процессора.
Таким образом, для одной программы могут быть созданы несколько процессов в том случае, если с помощью одной программы в CPU выполняется несколько несовпадающих последовательностей команд. За время существования процесс многократно изменяет свое состояние.
Различают следующие состояния процесса (рис. 1.10):
• новый (процесс только что создан);
• выполняемый (команды программы выполняются в CPU);
• ожидающий (процесс ожидает завершения некоторого события, чаще всего операции ввода-вывода);
• готовый (процесс ожидает освобождения CPU);
• завершенный (процесс завершил свою работу).
Состояния процесса
Переход из одного состояния в другое не может выполняться произвольным образом. На рис. 1.10 приведена типовая диаграмма переходов для состояний процессов. Каждый процесс представлен в операционной системе набором данных, называемых таблицей управления процессом (ТУП - РСВ — process control block). В РСВ процесс описывается набором значений, параметров, характеризующих его текущее состояние и используемых операционной системой для управления прохождением процесса через компьютер.
Переходы между процессами
На рис. 1.11 схематически показано, каким образом операционная система использует РСВ для переключения процессора с одного процесса на другой.
Планирование процессов
Система управления процессами обеспечивает прохождение процесса 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. Процессу в состоянии готовый должно быть предоставлено процессорное время. Выполняемый процесс может потребовать оборудование ввода-вывода и доступ к файлу.
Очереди. Распределение процессов между имеющимися ресурсами носит название планирование процессов. Одним из методов планирования процессов, ориентированных на эффективную загрузку ресурсов, является метод очередей ресурсов. Новые процессы находятся во входной очереди, часто называемой очередью работ — заданий.
Входная очередь располагается во внешней памяти, во входной очереди процессы ожидают освобождения ресурса — адресного пространства основной памяти.
Готовые к выполнению процессы располагаются в основной памяти и связаны очередью готовых процессов. Процессы в этой очереди ожидают освобождения ресурса процессорное время.
Процесс в состоянии ожидания завершения операции ввода-вывода находится в одной из очередей к оборудованию ввода-вывода.
При прохождении через компьютер процесс мигрирует между различными очередями под управлением программы, которая называется планировщик (scheduler).
Операционная система, обеспечивающая режим мультипрограммирования,
обычно включает два планировщика — долгосрочный и краткосрочный. Например, в OS/360 долговременный планировщик назывался планировщиком заданий, а краткосрочный - супервизором задач.
На уровень долгосрочного планирования выносятся редкие системные действия, требующие больших затрат системных ресурсов, на уровень краткосрочного планирования — частые и более короткие процессы. На каждом уровне существует свой объект и собственные средства управления им.
Основное различие между долгосрочным и краткосрочным планировщиками заключается в частоте запуска, например, краткосрочный планировщик может запускаться каждые 100 мс, долгосрочный - 1 раз за несколько минут.
Долгосрочный планировщикрешает, какой из процессов, находящихся во входной очереди, должен быть переведен в очередь готовых процессов в случае освобождения ресурсов памяти.
Долгосрочный планировщик выбирает процесс из входной очереди с целью создания неоднородной мультипрограммной смеси. Это означает, что в очереди готовых процессов должны находиться в разной пропорции как процессы, ориентированные на ввод-вывод, так и процессы, ориентированные на преимущественную работу с CPU.
На уровне долгосрочного планирования объектом является не отдельный процесс, а некоторое объединение процессов по функциональному назначению, которое называется работой (приложением). Каждая работа рассматривается как независимая от других работ деятельность, связанная с использованием одной или многих программ и характеризующаяся конечностью и определенностью. По мере порождения новых работ создается собственная виртуальная машина для их выполнения. Например, в ОС Windows 95 для каждого 32-разрядного приложения реализуется своя виртуальная машина. Распределение машин производится однократно в отличие от краткосрочного планирования, где процессор процессу может выделяться многократно.
Краткосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящихся в очереди готовых процессов, должен быть передан на выполнение в CPU. В некоторых операционных системах долгосрочный планировщик может отсутствовать. Например, в системах разделения времени (time-sharing system) каждый новый процесс сразу же помещается в основную память.
На уровне краткосрочного планирования объектом управления являются процессы, которые выступают как потребители центрального процессора для внутренних процессов или внешнего процессора для внешних процессов. Причинами порождения процесса могут быть процессы на том же уровне или сигналы, посылаемые от долгосрочного планировщика.
Выделение процессора процессу производится многократно, с целью достижения эффекта мультипрограммирования, и такой процесс называется диспетчеризацией.