Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 1
Лекция 03. Операционные системы. Ресурсы. Павлов.
3.Ресурсы
3.1.Понятие ресурса
Среди множества и разнообразия целей, которые должна выполнять любая ОС, есть одна общая - обеспечить эффективный и бесконфликтный способ распределения ресурсов ЭВМ между пользователями.
Границы, определяющие область действия понятия “ресурс”, достаточно условны. Поэтому будем полагать, что всякий потребляемый объект (независимо от формы его существования), обладающий некоторой практической ценностью для потребителя, является ресурсом.
Ресурсы различаются по запасу выделяемых единиц ресурса и бывают в этом смысле исчерпываемые и неисчерпываемые. Исчерпываемость ресурса, как правило, приводит к жизненным конфликтам в среде потребителей, Для регулирования конфликтов ресурсы должны распределяться между потребителями по каким-то правилам, в наибольшей степени их удовлетворяющим.
Вычислительную систему или ЭВМ можно представить как ограниченную последовательность функциональных элементов. обладающих потенциальными возможностями выполнения с их помощью или над ними действий, связанных с обработкой, хранением или передачей данных. Такие элементы “пользуются спросом”, т.е. потребляются другими элементами, являющимися в общем случае пользователями.
Уровень детализации элементов, выделяемых по запросам для использования в системе, может быть различным. Можно в качестве элемента, выделяемого для использования, рассматривать всю ЭВМ в целом. В равной степени отдельный разряд ячейки памяти можно трактовать как отдельный распределяемый элемент. Степень детализации зависит от того, кто и каким образом требует и использует выделяемые элементы системы. Поэтому для определенности будем считать, что потребителем выделяемых элементов вычислительной системы будут являться процессы, развивающиеся в ней. Все выделяемые по запросам от процессов элементы системы отождествляются с понятием ресурсов. Именно в этом смысле далее и трактуется понятие ресурса. В соответствии с ГОСТ 19781 - 83 ресурсом является средство вычислительной системы, которое может быть выделено процессу на определенный интервал времени.
3.2.Свойства и классификация ресурсов
Упорядоченность ресурсов по некоторым классификационным признакам нужна в ОС для определения тождественных действий в отношении ресурсов данного класса - действий по учету и распределению ресурсов, устранению конфликтов в их использовании и т.п.
Одним из важнейших свойств ресурса является "реальность существования". В этом смысле ресурсы разделяют на физические и виртуальные (мнимые). Под физическим понимают ресурс, который реально существует и при распределении его между пользователями обладает всеми присущими ему физическими характеристиками. Виртуальный ресурс схож многими своими характеристиками с некоторым физическим, но по многим свойствам и отличен. По сути - это некоторая модель физического ресурса. Виртуальный ресурс не существует в том виде, в котором он проявляет себя пользователю.
Свойство виртуализации ресурсов — одной из важнейших при построении систем управления ресурсами. По значимости — это одна из важнейших концепций при построении современных ОС.
Построение каждого виртуального ресурса проводится на базе некоторого физического. Имея всего один физический ресурс, можно построить на его основе несколько виртуальных. Это дает возможность существенно экономичнее использовать соответствующий физический ресурс, а также увеличивать гибкость политики распределения ресурсов, исключая в большинстве случаев конфликтные ситуации.
В зависимости от того, допускает ли физический ресурс виртуализацию, то есть построение на его основе виртуального ресурса, ресурсы можно разделить на эластичные и жесткие. Жесткий - физический ресурс, который по своим внутренним свойствам не допускает виртуализации.
В соответствии с признаком "степень активности" различают активные и пассивные ресурсы. Активный ресурс способен выполнять действия по отношению к другим ресурсам (или в отношении самого себя). ЦП - пример активного ресурса. Область памяти - пример пассивного. Очевидно, что логика распределения активных ресурсов должна отличаться от логики распределения пассивных.
Динамика ресурсов в отношении процессов позволяет выделить ресурсы постоянные, существующие до порождения процесса и на всем протяжении его существования и ресурсы временные, появляющиеся динамически в течение времени существования рассматриваемого процесса. Создание и уничтожение может производиться как самим процессом, так и другими процессами -системными или пользовательскими.
По "степени важности" можно выделить ресурсы главные и второстепенные. Главные - без которых данный процесс принципиально не может выполняться (ЦП, память). Второстепенные ресурсы допускают некоторое альтернативное развитие процесса при их отсутствии. Например процесс временно может обходиться без записи результатов на диск в случае неисправности последнего.
3.3.Действия над ресурсами
При централизованном распределении ресурсов соответствующими механизмами ОС в отношении каждого ресурса предполагается, что процесс-пользователь выполняет три типа действий: запрос, использование, освобождение. При выполнении действия запрос в ответ на требование процесса-пользователя система выделяет ресурс, либо отказывает в распределении. Отказ может быть вызван тем, что распределяемый ресурс находится в состоянии "Занят" либо обусловлен какой-то другой причиной. Если ресурс после выполнения действия запрос распределен процессу, то процесс может использовать его. Выполняется действие использование. Действие ОСВ освобождение выполняется по требованию процесса и сводится к переводу ресурса в состояние "Свободен".
Природа ресурса и (или) используемое правило распределения ресурса обусловлены параллельной или последовательной схемой использования распределяемого между несколькими процессами ресурса. Последовательная схема предполагает, что в отношении некоторого ресурса, который называют последовательно используемым, допустимо строго последовательное во времени выполнение цепочек действий "запрос-исполнение-освобождение" каждым процессом-потребителем этого ресурса. Для параллельных процессов такие цепочки действий являются критическими областями и должны выполняться так, чтобы удовлетворять правилу взаимного исключения, определенному ранее. Поэтому последовательно используемый ресурс, разделяемый несколькими параллельными процессами, чаще называют критическим ресурсом. В рассмотренном классе потребляемых ресурсов буфер, хранящий принятые, но еще не востребованные сообщения, является примером критического ресурса для процесса-производителя и процесса-потребителя соответственно.
Параллельная схема предполагает параллельное, т. е. одновременное, использование одного ресурса, который поэтому называют параллельно используемым более чем одним процессом. Такое использование не должно вносить каких-либо ошибок в логику развития каждого из процессов. Аналогично рассмотренному случаю, ресурс может быть параллельно используемым благодаря своей природе либо специальной организации действий при работе с ним. Массив данных, находящийся в некоторой области оперативной памяти и допускающий только чтение данных из него,— пример параллельно используемого ресурса.
3.4.Дисциплины распределения ресурсов
Использование многими процессами того или иного ресурса, который в каждый момент времени может обслуживать лишь один процесс, осуществляется с помощью дисциплин распределения ресурса. Их основой являются:
дисциплины формирования очередей на ресурсы или совокупность правил, определяющих размещение процессов в очереди
дисциплины обслуживания очереди или совокупность правил извлечения одного из процессов очереди с последующим представлением выбранному процессу ресурса для использования
Основным конструктивным, согласующим элементом при реализации той или иной дисциплины диспетчеризации является очередь, в которую по определенным правилам заносятся и извлекаются запросы.
Дисциплины формирования очередей разделяются на два класса:
статический, где приоритеты назначаются до выполнения пакета заданий
динамический, при котором приоритеты определяются в процессе выполнения пакета
Оба класса широко используются в практике организации вычислительного процесса в ЭВМ.
В ЭВМ не только многопрограммных, но и однопрограммных, однопроцессорных, многопроцессорных широко используется ряд дисциплин обслуживания очередей, ставших классическими. Эти дисциплины распределения ресурсов часто называют базовыми. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся на практике дисциплины обслуживания.
Дисциплина обслуживания в порядке поступления. Первый пришел — первый обслуживается. В литературе эта дисциплина обозначается как FIFO (First in—First out). Самая простая и широко используемая на практике. Условная схема этой дисциплины показана на рис. 3.1, а.
Все заявки поступают в конец очереди. Первыми обслуживаются заявки, находящиеся в начале очереди.
Дисциплина обслуживания в порядке, обратном порядку поступления. Последняя пришла —первая обслуживается. Обозначается LIFO (Last in—First out). Так же, как и FIFO, проста в реализации и широко используется на практике. Условное обозначение дисциплин на рис. 3.1, б. Данная дисциплина является основой построения стековой памяти.
Общим для названных дисциплин является простота их реализации и определенная "справедливость" в обслуживании всего потока запросов, поступающих в систему. Среднее время ожидания запросов в очереди при некотором установившемся темпе обслуживания и темпе поступления является одинаковым независимо от характеристик процессов-пользователей. Например, если некоторые процессы предполагают длительное использование ресурсов (отрабатываются "длинные" запросы), а другие, наоборот,—непродолжительное (отрабатываются "короткие" запросы), то и "длинные" и "короткие" запросы будут ожидать в очереди в среднем одинаково. Дисциплина FIFO помимо функционального отличия обеспечивает минимизацию дисперсии времени ожидания.
Рис. 3.1 Схемы дисциплин обслуживания процессов
а - FIFO; б - LIFO; в - круговой циклический алгоритм.
Круговой циклический алгоритм. В основе данной дисциплины лежит дисциплина FIFO. Но время обслуживания каждого процесса ограничено и определяется так называемым квантом времени tk. Если запрос на использование ресурса из начала очереди обслуживается до конца за время tk (например, программа процесса за время tk полностью выполнена на процессоре), то он покидает очередь. Если этот запрос не успевает отслужиться до конца, то его обслуживание прерывается и он поступает в конец очереди. Дисциплина широко используется на практике, в частности при реализации режима разделения времени.
Хотя в данной дисциплине нет явных приоритетов. здесь автоматически происходит дискриминация "длинных" и "коротких" запросов. В наиболее благоприятных условиях оказываются короткие запросы, т. е. запросы от процессов, которым требуется меньшее время использования ресурсов. Короткие запросы обслуживаются быстрее, т. е. имеют меньшие средние времена ожидания в системе, чем длинные запросы. Степень благоприятствования коротким запросам тем больше, чем меньше длительность кванта мультиплексирования, чем ближе она к длительности интервала номинального использования ресурса процессом. Однако уменьшение длительности кванта ведет к увеличению накладных расходов, необходимых для отработки прерываний и перераспределения ресурса. Это происходит из-за возрастания частоты прерываний, что особенно неблагоприятно может сказаться на отработке "длинных" запросов. Поэтому на практике используют различные модификации данного алгоритма.
Многоочередные дисциплины. Все рассмотренные дисциплины являются одноочередными. В ЭВМ, в операционных системах широко используются многоочередные дисциплины. Схема одной из таких дисциплин приведена на рис. 3.2. Здесь организуется N очередей. Все новые запросы поступают в конец первой очереди. Первый запрос из очереди i поступает на обслуживание лишь тогда, когда все очереди от 1 до (i—1)-й пустые. На обслуживание выделяется квант времени tk. Если за это время обслуживание запроса завершается полностью, то он покидает систему. В противном случае недообслуженный запрос поступает в конец очереди с номером i+l.
После обслуживания из очереди i система выбирает для обслуживания запрос из непустой очереди с самым младшим номером. Таким запросом может быть следующий запрос из очереди i или из очереди i+l (при условии, что после обслуживания запроса из очереди i последняя оказалась пустой). Новый запрос поступает в первую очередь (i = l). В такой ситуации после окончания времени tk, выделенного для обслуживания запроса из очереди i, будет начато обслуживание запроса 1-й очереди.
Если система выходит на обслуживание заявок из очереди N, то они обслуживаются либо по дисциплине FIFO (каждая заявка обслуживается до конца), либо по круговому циклическому алгоритму.
Данная система наиболее быстро обслуживает все короткие по времени обслуживания запросы. Недостаток системы заключается в непроизводительных затратах времени на перемещение запросов из одной очереди в другую.
Рис.3.2. Схема многоочередной дисциплины обслуживания
Все рассмотренные дисциплины обеспечивают не только обслуживание очередей, но и их формирование. Для всех таких дисциплин характерно отсутствие приоритетности запросов при их поступлении в систему. Но после поступления каждый запрос приобретает приоритет, который изменяется в процессе обслуживания одной очереди или многих очередей.
Существуют многоочередные дисциплины, в которые поступают запросы, имеющие определенный приоритет на обслуживание тем или иным ресурсом. Схема такой приоритетной дисциплины приведена на рис.3.3. Основу этой дисциплины представляет ранее рассмотренная многоочередная дисциплина. Поступающие в систему новые запросы не обязательно попадают в 1-ю очередь. Они попадают в очередь в соответствии с имеющимися приоритетами, которые определяются параметрами обслуживаемых процессов.
Рис. 3.3 Схема приоритетной многоочередной дисциплины обслуживания