Операционные системы

Из всего выше рассмотренного можно сделать вывод, что MBR нужна тогда, когда на жестком диске имеется несколько загрузочных разделов, из которых устройству следует выбрать наиболее подходящий для запуска ОС. Соответственно, для устройств с единственным загрузочным разделом, концепция MBR не применяется.

 

 

 

2. Синхронизация процессов и потоков

 

1. Понятие процесса, потока

 

Процессом (process) называется экземпляр программы, загруженной в память. Этот экземпляр может создавать нити (thread) или потоки, которые представляют собой последовательность инструкций на выполнение.

Необходимо понимать, что выполняются  не процессы, а именно нити.

Причем любой процесс имеет  хотя бы одну нить. Эта нить называется главной (основной) нитью приложения.

Так как практически всегда нитей  гораздо больше, чем физических процессоров для их выполнения, то нити на самом деле выполняются не одновременно, а по очереди (распределение процессорного времени происходит именно между нитями). Но переключение между ними происходит так часто, что кажется, будто они выполняются параллельно.

Итак, в чем же состоят принципиальные отличия в понятиях «процесс»  и «поток»?

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 зависимости от ситуации нити могут находиться в трех состояниях:

1. первое состояние – нить может выполняться, когда ей выделено процессорное время, т.е. она может находиться в состоянии активности;
2. второе состояние – нить может быть неактивной и ожидать выделения процессора, т.е. быть в состоянии готовности;
3. третье состояние - состояние блокировки, когда нить заблокирована, ей вообще не выделяется время. Обычно блокировка ставится на время ожидания какого-либо события. При возникновении этого события нить автоматически переводится из состояния блокировки в состояние готовности.

Пример 1.

Если одна нить выполняет вычисления, а другая должна ждать результатов, чтобы сохранить их на диск. Вторая могла бы использовать цикл типа "while( !isCalcFinished ) continue;", но легко убедиться на практике, что во время выполнения этого цикла процессор занят на 100 % (это называется активным ожиданием). Таких вот циклов следует по возможности избегать, в чем оказывает неоценимую помощь механизм блокировки. Вторая нить может заблокировать себя до тех пор, пока первая не установит событие, сигнализирующее о том, что чтение окончено.

ПРИМЕЧАНИЕ

При использовании этих терминов часто  возникают сложности. Это происходит в силу нескольких причин:

1. первая причина — специфика различных ОС, когда совпадающие по сути понятия получили разные названия, например задача (task) в OS/2, OS/360 и процесс (process) в UNIX, Windows NT, NetWare;
2. вторая причина – 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»;
3. третья причина – терминологические сложности порождаются наличием нескольких вариантов перевода англоязычных терминов на русский язык, например, термин «thread» переводится как «нить», «поток», «облегченный процесс», «минизадача» и др.

2. Понятие, цели и средства синхронизации нитей в ОС Windows

 

В Windows реализована вытесняющая многозадачность - это значит, что в любой момент система может прервать выполнение одной нити и передать управление другой. Ранее, в Windows 3.1, использовался способ организации, называемый кооперативной многозадачностью: система ждала, пока нить сама не передаст ей управление и именно поэтому в случае зависания одного приложения приходилось перезагружать компьютер.

Все нити, принадлежащие одному процессу, разделяют некоторые общие ресурсы - такие, как адресное пространство оперативной памяти или открытые файлы.

Адресное пространство процесса — это совокупность адресов, которыми может манипулировать программный модуль процесса. Операционная система отображает адресное пространство процесса на отведенную процессу физическую память.

Эти ресурсы принадлежат всему процессу, а значит, и каждой его нити. Следовательно, каждая нить может работать с этими ресурсами без каких-либо ограничений. Но... Если одна нить еще не закончила работать с каким-либо общим ресурсом, а система переключилась на другую нить, использующую этот же ресурс, то результат работы этих нитей может чрезвычайно сильно отличаться от задуманного. Такие конфликты могут возникнуть и между нитями, принадлежащими различным процессам. Всегда, когда две или более нитей используют какой-либо общий ресурс, возникает эта проблема.

Именно поэтому необходим механизм, позволяющий потокам согласовывать  свою работу с общими ресурсами. Этот механизм получил название механизма синхронизации нитей (thread synchronization).

Существует достаточно обширный класс средств операционной системы, с помощью которых обеспечивается взаимная синхронизация процессов и потоков. Потребность в синхронизации потоков возникает только в многозадачной операционной системе и связана с совместным использованием аппаратных и информационных ресурсов вычислительной системы. Синхронизация необходима для исключения гонок и тупиков при обмене данными между потоками, разделении данных, при доступе к процессору и устройствам ввода-вывода.

Во многих операционных системах эти средства называются средствами межпроцессного взаимодействия — Inter Process Communications (IPC), что отражает историческую первичность понятия «процесс» по отношению к понятию «поток». Обычно к средствам IPC относят не только средства межпроцессной синхронизации, но и средства межпроцессного обмена данными.

Выполнение потока в многозадачной операционной системе  всегда имеет асинхронный характер. Очень сложно с полной определенностью  сказать, на каком этапе выполнения будет находиться процесс в определенный момент времени. Даже в однопрограммном режиме не всегда можно точно оценить время выполнения задачи. Это время во многих случаях существенно зависит от значения исходных данных, которые влияют на количество циклов, направления разветвления программы, время выполнения операций ввода-вывода и т. п. Так как исходные данные в разные моменты запуска задачи могут быть разными, то и время выполнения отдельных этапов и задачи в целом является весьма неопределенной величиной.

Еще более неопределенным является время выполнения программы в многозадачной операционной системе. Моменты прерывания потоков, время нахождения их в очередях к разделяемым ресурсам, порядок выбора потоков для выполнения — все эти события являются результатом стечения многих обстоятельств и могут быть интерпретированы как случайные. В лучшем случае можно оценить вероятностные характеристики вычислительного процесса, например, вероятность его завершения за данный период времени.

Таким образом, потоки в общем случае (когда программист  не предпринял специальных мер по их синхронизации) протекают независимо, асинхронно друг другу. Это справедливо как по отношению к потокам одного процесса, выполняющим общий программный код, так и по отношению к потокам разных процессов, каждый из которых выполняет собственную программу.

Любое взаимодействие процессов или потоков связано  с их синхронизацией, которая заключается  в согласовании их скоростей путем  приостановки потока до наступления  некоторого события и последующей  его активизации при наступлении  этого события. Синхронизация лежит в основе любого взаимодействия потоков, связано ли это взаимодействие с разделением ресурсов или с обменом данными.

Пример 2.

Поток-получатель должен обращаться за данными только после того, как они помещены в  буфер потоком-отправителем. Если же поток-получатель обратился к данным до момента их поступления в буфер, то он должен быть приостановлен.

При совместном использовании аппаратных ресурсов синхронизация также совершенно необходима.

Пример 3.

Активному потоку требуется доступ к последовательному порту, а с этим портом в монопольном режиме работает другой поток, находящийся в данный момент в состоянии ожидания, то ОС приостанавливает активный поток и не активизирует его до тех пор, пока нужный ему порт не освободится.

Часто нужна также  синхронизация с событиями, внешними по отношению к вычислительной системе, например реакции на зажатие комбинации клавиш Ctrl+C.

Ежесекундно в  системе происходят сотни событий, связанных с распределением и  освобождением ресурсов, и ОС должна иметь надежные и производительные средства, которые бы позволяли ей синхронизировать потоки с происходящими в системе событиями.

Для синхронизации  потоков прикладных программ программист  может использовать как собственные  средства и приемы синхронизации, так  и средства операционной системы.

Пример 4.

Два потока одного прикладного процесса могут координировать свою работу с помощью доступной  для них обоих глобальной логической переменной, которая устанавливается  в единицу при осуществлении  некоторого события, например выработки одним потоком данных, нужных для продолжения работы другого.

Однако во многих случаях более эффективными или  даже единственно возможными являются средства синхронизации, предоставляемые  операционной системой в форме системных  вызовов.

Пример 5.

Потоки, принадлежащие  разным процессам, не имеют возможности  вмешиваться каким-либо образом  в работу друг друга. Без посредничества операционной системы они не могут  приостановить друг друга или  оповестить о произошедшем событии.

Средства синхронизации используются операционной системой не только для синхронизации прикладных процессов, но и для ее внутренних нужд. Обычно разработчики операционных систем предоставляют в распоряжение прикладных и системных программистов широкий спектр средств синхронизации. Эти средства могут образовывать иерархию, когда на основе более простых средств строятся более сложные, а также быть функционально специализированными, например средства для синхронизации потоков одного процесса, средства для синхронизации потоков разных процессов при обмене данными и т. д. Часто функциональные возможности разных системных вызовов синхронизации перекрываются, так что для решения одной задачи программист может воспользоваться несколькими вызовами в зависимости от своих личных предпочтений.

Механизма синхронизации нитей представляет собой набор объектов операционной системы, которые создаются и управляются программно, являются общими для всех нитей в системе (некоторые - для нитей, принадлежащих одному процессу) и используются для координирования доступа к ресурсам. В качестве ресурсов может выступать все, что может быть общим для двух и более нитей - файл на диске, порт, запись в базе данных, объект GDI, и даже глобальная переменная программы (которая может быть доступна из нитей, принадлежащих одному процессу).

Объектов синхронизации существует несколько, самые важные из них –  это:

• взаимоисключение (mutex);
• критическая секция (critical section);
• событие (event);
• семафор (semaphore).

Каждый из этих объектов реализует  свой способ синхронизации. Также в качестве объектов синхронизации могут использоваться сами процессы и нити (когда одна нить ждет завершения другой нити или процесса); а также файлы, коммуникационные устройства, консольный ввод и уведомления об изменении.

Любой объект синхронизации может находиться в так называемом сигнальном состоянии. Для каждого типа объектов это состояние имеет различный смысл. Нити могут проверять текущее состояние объекта и/или ждать изменения этого состояния и таким образом согласовывать свои действия. При этом гарантируется, что когда нить работает с объектами синхронизации (создает их, изменяет состояние) система не прервет ее выполнения, пока она не завершит это действие. Таким образом, все конечные операции с объектами синхронизации являются атомарными (неделимыми).

 

3. Работа с объектами синхронизации

 

Чтобы создать тот или иной объект синхронизации, производится вызов  специальной функции WinAPI типа Create... (напр. CreateMutex). Этот вызов возвращает дескриптор объекта (HANDLE), который может использоваться всеми нитями, принадлежащими данному процессу. Есть возможность получить доступ к объекту синхронизации из другого процесса - либо унаследовав дескриптор этого объекта, либо, что предпочтительнее, воспользовавшись вызовом функции открытия объекта (Open...). После этого вызова процесс получит дескриптор, который в дальнейшем можно использовать для работы с объектом. Объекту, если только он не предназначен для использования внутри одного процесса, обязательно присваивается имя. Имена всех объектов должны быть различны (даже если они разного типа). Нельзя, например, создать событие и семафор с одним и тем же именем.