Разделы презентаций


Планирование процессов и потоков презентация, доклад

Содержание

Одной из основных подсистем мультипрограммной ОС является подсистема управления процессами и потоками, которая занимается их созданием и уничтожением, поддерживает взаимодействие между ними, а также распределяет процессорное время между несколькими

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1


Слайд 2 Одной из основных подсистем мультипрограммной ОС является подсистема

управления процессами и потоками, которая занимается их созданием и уничтожением,

поддерживает взаимодействие между ними, а также распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами и потоками. Подсистема управления процессами и потоками ответственна за обеспечение процессов необходимыми ресурсами. ОС поддерживает в памяти специальные информационные структуры, в которые записывает, какие ресурсы выделены каждому процессу. Некоторые из ресурсов выделяются процессу при его создании, а некоторые — динамически по запросам во время выполнения. При выполнении этих функций подсистема управления процессами взаимодействует с другими подсистемами ОС, ответственными за управление ресурсами, такими как подсистема управления памятью, подсистема ввода-вывода, файловая система.

Лекция №7 Планирование процессов и потоков

Одной из основных подсистем мультипрограммной ОС является подсистема управления процессами и потоками, которая занимается их

Слайд 3 Хотя потоки возникают и выполняются асинхронно, у

них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например при обмене данными.

Также очень важно и согласование скоростей потоков. Каждый раз, когда процесс завершается, ОС предпринимает шаги, чтобы «зачистить следы» его пребывания в системе. Подсистема управления процессами закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области оперативной памяти, отведенные под коды, данные и системные информационные структуры процесса. Выполняется коррекция всевозможных очередей ОС и списков ресурсов, в которых имелись ссылки на завершаемый процесс.
Хотя потоки возникают и выполняются асинхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например

Слайд 4Понятия «процесс» и «поток»
Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна

определить и оформить для себя те внутренние единицы работы, между

которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В настоящее время в большинстве операционных систем определены два типа единиц работы. Более крупная единица работы, обычно носящая название процесса, или задачи, требует для своего выполнения нескольких более мелких работ, для обозначения которых используют термины «поток», или «нить».
 
Понятия «процесс» и «поток»  Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить и оформить для себя те внутренние

Слайд 5 При использовании этих терминов часто возникают сложности

в силу нескольких причин. Во-первых, — специфика различных ОС, когда

совпадающие по сути понятия получили разные названия. Во-вторых, по мере развития системного программирования и методов организации вычислений некоторые из этих терминов получили новое смысловое значение, особенно это касается понятия «процесс», который уступил многие свои свойства новому понятию «поток». В-третьих, терминологические сложности порождаются наличием нескольких вариантов перевода англоязычных терминов на русский язык. Например, термин «thread» переводится как «нить», «поток», «облегченный процесс», «минизадача» и др. Далее в качестве названия единиц работы ОС будут использоваться термины «процесс» и «поток». В тех же случаях, когда различия между этими понятиями не будут играть существенной роли, они объединяются под обобщенным термином «задача».
При использовании этих терминов часто возникают сложности в силу нескольких причин. Во-первых, — специфика

Слайд 6 И с процессом, и с потоком связывается определенный

программный код, который оформляется в виде исполняемого модуля. Чтобы этот

программный код мог быть выполнен, его необходимо загрузить в оперативную память, возможно, выделить некоторое место на диске для хранения данных, предоставить доступ к устройствам ввода-вывода. В ходе выполнения программе может также понадобиться доступ к информационным ресурсам.
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 представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд.
В простейшем случае процесс состоит из одного потока. В таких системах понятие «поток» полностью поглощается понятием «процесс». ОС 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.

В чем отличия в понятиях «процесс» и «поток»?

И с процессом, и с потоком связывается определенный программный код, который оформляется в виде исполняемого

Слайд 7 Создание потоков требует от ОС меньших накладных расходов,

чем процессов. В отличие от процессов, которые принадлежат разным все

потоки одного процесса всегда принадлежат одному приложению, поэтому ОС изолирует потоки в гораздо меньшей степени, нежели процессы в традиционной мультипрограммной системе. Все потоки одного процесса используют общие файлы, таймеры, устройства, одну и ту же область оперативной памяти, одно и то же адресное пространство. Поскольку каждый поток может иметь доступ к любому виртуальному адресу процесса, один поток может использовать стек другого потока. Между потоками одного процесса нет полной защиты, потому что, во-первых, это невозможно, а во-вторых, не нужно. Чтобы организовать взаимодействие и обмен данными, потокам вовсе не требуется обращаться к ОС, им достаточно использовать общую память — один поток записывает данные, а другой читает их. С другой стороны, потоки разных процессов по-прежнему хорошо защищены друг от друга.
Итак, мультипрограммирование более эффективно на уровне потоков, а не процессов.
Наибольший эффект от введения многопоточной обработки достигается в мультипроцессорных системах, в которых потоки, в том числе и принадлежащие одному процессу, могут выполняться на разных процессорах действительно параллельно (а не псевдопараллельно).
Создание потоков требует от ОС меньших накладных расходов, чем процессов. В отличие от процессов, которые

Слайд 8Создание процессов и потоков
Создать процесс — это прежде

всего означает создать описатель процесса, т. е. одну или несколько

информационных структур, содержащих все сведения о процессе, необходимые операционной системе для управления им.
Создание процесса включает загрузку кодов и данных исполняемой программы данного процесса с диска в оперативную память. Затем необходимо считать программу в выделенные для нее участки памяти и, возможно, изменить параметры программы в зависимости от размещения в памяти. В системах с виртуальной памятью в начальный момент может загружаться только часть кодов и данных процесса, с тем чтобы «подкачивать» остальные по мере необходимости. Существуют системы, в которых на этапе создания процесса не требуется непременно загружать коды и данные в оперативную память, вместо этого исполняемый модуль копируется из того каталога файловой системы, в котором он изначально находился, в область подкачки — специальную область диска, отведенную для хранения кодов и данных процессов. При выполнении всех этих действий подсистема управления процессами тесно взаимодействует с подсистемой управления памятью и файловой системой.
В многопоточной системе при создании процесса ОС создает для каждого процесса как минимум один поток выполнения. При создании потока так же, как и при создании процесса, операционная система генерирует специальную информационную структуру — описатель потока, который содержит идентификатор потока, данные о правах доступа и приоритете, о состоянии потока и другую информацию.
Создание процессов и потоков  Создать процесс — это прежде всего означает создать описатель процесса, т. е.

Слайд 9Планирование и диспетчеризация потоков
На протяжении существования процесса выполнение

его потоков может быть многократно прервано и продолжено.

Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации. Работа по определению того, в какой момент необходимо прервать выполнение текущего активного потока и какому потоку предоставить возможность выполняться, называется планированием. ОС планирует выполнение потоков независимо от того, принадлежат ли они одному или разным процессам.
Планирование потоков, по существу, включает в себя решение двух задач:
  ● определение момента времени для смены текущего активного потока; 
  ● выбор для выполнения потока из очереди готовых потоков.
Существует множество различных алгоритмов планирования потоков, по-своему решающих каждую из приведенных выше задач. Именно особенности реализации планирования потоков в наибольшей степени определяют специфику операционной системы, в частности, является ли она системой пакетной обработки, системой разделения времени или системой реального времени.
Планирование и диспетчеризация потоков  На протяжении существования процесса выполнение его потоков может быть многократно прервано и

Слайд 10Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования решения, то

есть в переключении процессора с одного потока на другой. Прежде

чем прервать выполнение потока, ОС запоминает его контекст, с тем чтобы впоследствии использовать эту информацию для последующего возобновления выполнения данного потока. Контекст отражает, во-первых, состояние аппаратуры компьютера в момент прерывания потока: значение счетчика команд, содержимое регистров общего назначения, режим работы процессора, флаги, маски прерываний и другие параметры. Во-вторых, контекст включает параметры операционной среды, а именно ссылки на открытые файлы, данные о незавершенных операциях ввода-вывода, коды ошибок выполняемых данным потоком системных вызовов и т. д.
Диспетчеризация сводится к следующему:
   ● сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить;
   ● загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования;
●  запуск нового потока на выполнение.
Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования решения, то есть в переключении процессора с одного потока

Слайд 11Состояния потока
ОС выполняет планирование потоков, принимая во внимание

их состояние. В мультипрограммной системе поток может находиться в одном

из трех основных состояний:
 ● выполнение — активное состояние потока, во время которого поток обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;
 ● ожидание — пассивное состояние потока, находясь в котором, поток заблокирован по своим внутренним причинам (ждет осуществления некоторого события, например завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого потока или освобождения какого-либо необходимого ему ресурса);
 ● готовность — также пассивное состояние потока, но в этом случае поток заблокирован в связи с внешним по отношению к нему обстоятельством (имеет все требуемые для него ресурсы, готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого потока).

Состояния потока  ОС выполняет планирование потоков, принимая во внимание их состояние. В мультипрограммной системе поток может

Слайд 12Рис. 4.3. Граф состояний потока в многозадачной среде
Только

что созданный поток находится в состоянии готовности, он стоит в

очереди к процессору. Когда в результате планирования подсистема управления потоками принимает решение об активизации данного потока, он переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ожидания какого-нибудь события, либо будет принудительно «вытеснен» из процессора. В последнем случае поток возвращается в состояние готовности. В это же состояние поток переходит из состояния ожидания, после того как ожидаемое событие произойдет.
Рис. 4.3. Граф состояний потока в многозадачной среде  Только что созданный поток находится в состоянии готовности,

Слайд 13Рис. 4.4. Очередь потоков
В состоянии выполнения в однопроцессорной

системе может находиться не более одного потока, а в каждом

из состояний ожидания и готовности — несколько потоков. Эти потоки образуют очереди соответственно ожидающих и готовых потоков. Очереди потоков организуются путем объединения в списки описателей отдельных потоков. Таким образом, каждый описатель потока, кроме всего прочего, содержит по крайней мере один указатель на другой описатель, соседствующий с ним в очереди. Такая организация очередей позволяет легко их переупорядочивать, включать и исключать потоки, переводить потоки из одного состояния в другое. Если предположить, что на рис. 4.4 показана очередь готовых потоков, то запланированный порядок выполнения выглядит так: А, В, Е, D, С.
Рис. 4.4. Очередь потоков  В состоянии выполнения в однопроцессорной системе может находиться не более одного потока,

Слайд 14Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования
С самых общих позиций

все множество алгоритмов планирования можно разделить на два класса: вытесняющие

и невытесняющие алгоритмы планирования.
  ● Невытесняющие (non-preemptive) алгоритмы основаны на том, что активному потоку позволяется выполняться, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению поток.
  ● Вытесняющие (preemptive) алгоритмы — это такие способы планирования потоков, в которых решение о переключении процессора с выполнения одного потока на выполнение другого потока принимается операционной системой, а не активной задачей.
Основным различием между вытесняющими и невытесняющими алгоритмами является степень централизации механизма планирования потоков. При вытесняющем мультипрограммировании функции планирования потоков целиком сосредоточены в операционной системе и программист пишет свое приложение, не заботясь о том, что оно будет выполняться одновременно с другими задачами. При этом операционная система выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения активного потока, запоминает его контекст, выбирает из очереди готовых потоков следующий, запускает новый поток на выполнение, загружая его контекст.
Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования  С самых общих позиций все множество алгоритмов планирования можно разделить на

Слайд 15Рис. 4.5. Схема планирования потоков в NetWare

Рис. 4.5. Схема планирования потоков в NetWare

Слайд 16Алгоритмы планирования, основанные на квантовании
В основе многих вытесняющих алгоритмов планирования

лежит концепция квантования. В соответствии с этой концепцией каждому потоку

поочередно для выполнения предоставляется ограниченный непрерывный период процессорного времени — квант. Смена активного потока происходит, если:
  ■ поток завершился и покинул систему;
  ■ произошла ошибка;
  ■ поток перешел в состояние ожидания;
  ■ исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному потоку.
Алгоритмы планирования, основанные на квантованииВ основе многих вытесняющих алгоритмов планирования лежит концепция квантования. В соответствии с этой

Слайд 17Рис. 4.6. Граф состояний потока в системе с квантованием

Поток, который исчерпал свой квант, переводится в состояние готовности

и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый поток из очереди готовых. Граф состояний потока, изображенный на рис. 4.6, соответствует алгоритму планирования, основанному на квантовании.
Рис. 4.6. Граф состояний потока в системе с квантованием  Поток, который исчерпал свой квант, переводится в

Слайд 18Рис. 4.7. Иллюстрация расчета времени ожидания в очереди
Кванты, выделяемые

потокам, могут быть одинаковыми для всех потоков или различными. Рассмотрим,

например, случай, когда всем потокам предоставляются кванты одинаковой длины q (рис. 4.7). Если в системе имеется n потоков, то время, которое поток проводит в ожидании следующего кванта, можно грубо оценить как q(n-l). Чем больше потоков в системе, тем больше время ожидания, тем меньше возможности вести одновременную интерактивную работу нескольким пользователям. Но если величина кванта выбрана очень небольшой, то значение произведения q(n-l) все равно будет достаточно мало для того, чтобы пользователь не ощущал дискомфорта от присутствия в системе других пользователей. Типичное значение кванта в системах разделения времени составляет десятки миллисекунд.
Рис. 4.7. Иллюстрация расчета времени ожидания в очереди Кванты, выделяемые потокам, могут быть одинаковыми для всех потоков

Слайд 19Рис. 4.8. Квантование с предпочтением потоков, интенсивно обращающихся к вводу-выводу
Потоки

получают для выполнения квант времени, но некоторые из них используют

его не полностью. В качестве компенсации за неиспользованные полностью кванты потоки получают привилегии при последующем обслуживании. Для этого планировщик создает две очереди готовых потоков (рис. 4.8). Очередь 1 образована потоками, которые пришли в состояние готовности в результате исчерпания кванта времени, а очередь 2 — потоками, у которых завершилась операция ввода-вывода. При выборе потока для выполнения прежде всего просматривается вторая очередь, и только если она пуста, квант выделяется потоку из первой очереди.
Рис. 4.8. Квантование с предпочтением потоков, интенсивно обращающихся к вводу-выводуПотоки получают для выполнения квант времени, но некоторые

Слайд 20Алгоритмы планирования, основанные на приоритетах
Другой важной концепцией, лежащей

в основе многих вытесняющих алгоритмов планирования, является приоритетное обслуживание. Приоритетное

обслуживание предполагает наличие у потоков некоторой изначально известной характеристики — приоритета, на основании которой определяется порядок их выполнения. Приоритет — это число, характеризующее степень привилегированности потока при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии, тем меньше времени будет проводить поток в очередях.
Приоритет может выражаться целым или дробным, положительным или отрицательным значением. В некоторых ОС принято, что приоритет потока тем выше, чем больше (в арифметическом смысле) число, обозначающее приоритет. В других системах, наоборот, чем меньше число, тем выше приоритет.
Алгоритмы планирования, основанные на приоритетах  Другой важной концепцией, лежащей в основе многих вытесняющих алгоритмов планирования, является

Слайд 21Рис. 4.9. Схема назначения приоритетов в Windows NT
Рассмотрим схему

назначения приоритетов потокам, принятую в операционной системе Windows NT (рис.

4.9). В системе определено 32 уровня приоритетов и два класса потоков — потоки реального времени и потоки с переменными приоритетами. Диапазон от 1 до 15 включительно отведен для потоков с переменными приоритетами, а от 16 до 31 — для более критичных ко времени потоков реального времени (приоритет 0 зарезервирован для системных целей).
Рис. 4.9. Схема назначения приоритетов в Windows NT Рассмотрим схему назначения приоритетов потокам, принятую в операционной системе

Слайд 22Рис. 4.10. Графы состояний потоков в системах с относительными и

абсолютными приоритетами
В системах с относительными приоритетами (рис.

4.10) активный поток выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ожидания (или же произойдет ошибка, или поток завершится).
В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного потока прерывается кроме указанных выше причин, еще при одном условии: если в очереди готовых потоков появился поток, приоритет которого выше приоритета активного потока. В этом случае прерванный поток переходит в состояние готовности (рис. 4.10, б).
Рис. 4.10. Графы состояний потоков в системах с относительными и абсолютными приоритетами  В системах с относительными

Слайд 23Смешанные алгоритмы планирования
Во многих операционных системах алгоритмы планирования

построены с использованием как концепции квантования, так и приоритетов. Например,

в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора потока из очереди готовых определяется приоритетами потоков. Именно так реализовано планирование в системе Windows NT, в которой квантование сочетается с динамическими абсолютными приоритетами. На выполнение выбирается готовый поток с наивысшим приоритетом. Ему выделяется квант времени. Если во время выполнения в очереди готовых появляется поток с более высоким приоритетом, то он вытесняет выполняемый поток. Вытесненный поток возвращается в очередь готовых, причем он становится впереди всех остальных потоков имеющих такой же приоритет.
Смешанные алгоритмы планирования  Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как концепции квантования, так

Слайд 24Планирование в системах реального времени
В системах реального времени, в которых

главным критерием эффективности является обеспечение временных характеристик вычислительного процесса, планирование

имеет особое значение. Любая система реального времени должна реагировать на сигналы управляемого объекта в течение заданных временных ограничений. Необходимость тщательного планирования работ облегчается тем, что в системах реального времени весь набор выполняемых задач известен заранее. Кроме того, часто в системе имеется информация о временах выполнения задач, моментах активизации, предельных допустимых сроках ожидания ответа и т. д. Эти данные могут быть использованы планировщиком для создания статического расписания или для построения адекватного алгоритма динамического планирования.
Планирование в системах реального времениВ системах реального времени, в которых главным критерием эффективности является обеспечение временных характеристик

Слайд 25Моменты перепланировки
Для реализации алгоритма планирования ОС должна получать

управление всякий раз, когда в системе происходит событие, требующее перераспределения

процессорного времени. К таким событиям могут быть отнесены следующие:
  ● Прерывание от таймера, сигнализирующее, что время, отведенное активной задаче на выполнение, закончилось. Планировщик переводит задачу в состояние готовности и выполняет перепланирование.
  ● Активная задача выполнила системный вызов, связанный с запросом на ввод-вывод или на доступ к ресурсу, который в настоящий момент занят (например, файл данных). Планировщик переводит задачу в состояние ожидания и выполняет перепланирование.
  ● Активная задача выполнила системный вызов, связанный с освобождением ресурса. Планировщик проверяет, не ожидает ли этот ресурс какая-либо задача. Если да, то эта задача переводится из состояния ожидания в состояние готовности. При этом, возможно, что задача, которая получила ресурс, имеет более высокий приоритет, чем текущая активная задача. После перепланирования более приоритетная задача получает доступ к процессору, вытесняя текущую задачу.
  ● Внешнее (аппаратное) прерывание1, которое сигнализирует о завершении периферийным устройством операции ввода-вывода, переводит соответствующую задачу в очередь готовых, и выполняется планирование.
  ● Внутреннее прерывание сигнализирует об ошибке, которая произошла в результате выполнения активной задачи. Планировщик снимает задачу и выполняет перепланирование.
Моменты перепланировки  Для реализации алгоритма планирования ОС должна получать управление всякий раз, когда в системе происходит

Слайд 26Рис. 4.11. Моменты перепланировки потоков
На рис. 4.11

показан фрагмент временной диаграммы работы планировщика в системе, где одновременно

выполняются четыре потока.
Первые четыре цикла работы планировщика, приведенные на рисунке, были инициированы прерываниями от таймера по истечении квантов времени (Т).
Следующая передача управления планировщику была осуществлена в результате выполнения потоком 3 системного запроса на ввод-вывод (событие I/O). Планировщик перевел этот поток в состояние ожидания, а затем переключил процессор на поток 2. Поток 2 полностью использовал свой квант, произошло прерывание от таймера, и планировщик активизировал поток 1. При выполнении потока 1 произошло событие R — системный вызов, в результате которого освободился некоторый ресурс (например, был закрыт файл).
Рис. 4.11. Моменты перепланировки потоков  На рис. 4.11 показан фрагмент временной диаграммы работы планировщика в системе,

Слайд 27Кто Я?
Существуют две альтернативы:
Яи – Вечный закон Вечного творения;

ял – временный результат Вечного

творения.
Есть свобода выбора:
Что Человек выбирает тем и становится!

Важнее исследовать базовые принципы организации Операционных Систем чем конкретную её реализация


Кто Я?Существуют две альтернативы: Яи – Вечный закон Вечного творения; ял – временный результат Вечного

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое TheSlide.ru?

Это сайт презентации, докладов, проектов в PowerPoint. Здесь удобно  хранить и делиться своими презентациями с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика