Внутреннее устройство процессов в ОС Windows
В 32-разрядной версии системы у каждого процесса есть 4-гигабайтное адресное пространство, в котором пользовательский код занимает нижние 2 гигабайта (в серверах 3 Гбайта). В своем адресном пространстве, которое представляет собой набор регионов и описывается специальными структурами данных (см. часть III " система управления памятью" ), процесс содержит потоки, учетную информацию и ссылки на ресурсы, которые обобществляются всеми потоками процесса.
Блок управления процессом (PCB) реализован в виде набора связанных структур, главная из которых называется блоком процесса EPROCESS. Соответственно, каждый поток также представлен набором структур во главе с блоком потока ETHREAD. Эти наборы данных, за исключением блоков переменных окружения процесса и потока (PEB и TEB), существуют в системном адресном пространстве.
Блок KPROCESS, блок переменных окружения процесса (PEB) и структура данных, поддерживаемая подсистемой Win32 (блок процесса Win32), содержат дополнительные сведения об объекте " процесс".
Идентификатор процесса кратен четырем и используется в роли байтового индекса в таблицах ядра наравне с другими объектами.
Отдельные характеристики потоков
Идентификаторы потоков, так же как и идентификаторы процессов, кратны четырем, выбираются из того же пространства, что и идентификаторы процессов, и с ними не пересекаются.
Как уже говорилось, когда поток обращается к системному вызову, то переключается в режим ядра, после чего продолжает выполняться тот же поток, но уже в режиме ядра. Поэтому у каждого потока два стека, один работает в режиме ядра, другой - в режиме пользователя. Один и тот же стек не может использоваться и в режиме пользователя, и в режиме ядра. Любой поток может делать все что угодно со своим собственным стеком (стеком режима пользователя), в том числе организовывать несколько стеков и переключаться между ними. Поток сам может определять размер своего стека. При этом нельзя гарантировать, что стек будет иметь достаточный размер, чтобы код ядра выполнился безо всяких проблем. Поскольку возникновение исключительной ситуации в режиме ядра может привести к краху всей системы, необходимо исключить такую возможность, что и осуществляется путем организации отдельного стека для режима ядра. Так как в режиме ядра могут одновременно находиться несколько потоков и между ними может происходить переключение, у каждого из них должен быть отдельный стек режима ядра.
Помимо состояния, идентификатора и двух стеков, у каждого потока есть контекст, маркер доступа, а также небольшая собственная память для хранения локальных переменных, например, для запоминания кода ошибки. Поскольку процесс является контейнером ресурсов всех входящих в него потоков, любой поток может получить доступ ко всем объектам своего процесса, независимо от того, каким потоком данного процесса этот объект создан.
Создание потоков
Создание потока инициируется Win32-функцией CreateThread, которая находится в библиотеке Kernel32.dll. При этом создается объект ядра " поток", хранящий статистическую информацию о создаваемом потоке. В адресном пространстве процесса выделяется память под пользовательский стек потока. Затем инициализируется аппаратный контекст потока (ниже имеется описание соответствующей структуры CONTEXT).
Вслед за этим создается блок управления потоком вместе с сопутствующими структурами, формируется стек ядра потока и о создании потока уведомляется подсистема Win32. Наконец, вызывающему потоку возвращается описатель создаваемого потока и передается управление, а новому потоку может быть выделено процессорное время.
Заключение
Поток представляет собой набор исполняющихся команд для текущего момента исполнения. С одним или несколькими потоками ассоциирован набор ресурсов, которые объединены в рамках процесса. Для описания процесса в системе поддерживается связанная совокупность структур, главной из которых является структура EPROCESS. В свою очередь, структура ETHREAD и связанные с ней структуры необходимы для реализации потоков. В лекции проанализированы функции CreateProcess и CreateThread и этапы создания процессов и потоков. Важными характеристиками потока являются его контекст и состояние. Наблюдение за состоянием потоков предлагается осуществить при помощи инструментальных средств системы.
14. Алгоритмы планирования, основанные на квантовании
Алгоритмы 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.
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.
Кванты, выделяемые потокам, могут быть одинаковыми для всех потоков или различными. Рассмотрим случай, когда всем потокам предоставляются кванты одинаковой длины q.
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. Потоки получают для выполнения квант времени, но некоторые из них используют его не полностью, например из-за необходимости выполнить ввод или вывод данных. В результате возникает ситуация, когда потоки с интенсивными обращениями к вводу-выводу используют только небольшую часть выделенного им процессорного времени. Алгоритм планирования может исправить эту «несправедливость». В качестве компенсации за неиспользованные полностью кванты потоки получают привилегии при последующем обслуживании. Для этого планировщик создает две очереди готовых потоков.
15. Алгоритмы планирования, основанные на приоритетах
Алгоритмы 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.
Во многих ОС предусматривается возможность изменения приоритетов в течение жизни потока. Если ОС сама может изменять приоритеты потоков в зависимости от ситуации, складывающейся в системе, то приоритеты называются динамическими в отличие от неизменяемых, фиксированных, приоритетов.
Существуют две разновидности приоритетного планирования: обслуживание с относительными приоритетами (а) и обслуживание с абсолютными приоритетами (б).
В обоих случаях выбор потока на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается поток, имеющий наивысший приоритет. Однако проблема определения момента смены активного потока решается по-разному. В системах с относительными приоритетами 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.
В системах пакетной обработки (в том числе известной ОС OS/360) относительные приоритеты широко используются. А планирование на основе абсолютных приоритетов является подходящим для систем управления объектами, в которых важна быстрая реакция на событие.
Из учебника Олифера 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.
В большинстве операционных систем, поддерживающих потоки, приоритет потока непосредственно связан с приоритетом процесса, в рамках которого выполняется данный поток. Приоритет процесса назначается операционной системой при его создании. Значение приоритета включается в описатель процесса и используется при назначении приоритета потокам этого процесса. При назначении приоритета вновь созданному процессу ОС учитывает, является этот процесс системным или прикладным, каков статус пользователя, запустившего процесс, было ли явное указание пользователя на присвоение процессу определенного уровня приоритета. Поток может быть инициирован не только по команде пользователя, но и в результате выполнения системного вызова другим потоком. В этом случае при назначении приоритета новому потоку ОС должна принимать во внимание значение параметров системного вызова.
Во многих ОС предусматривается возможность изменения приоритетов в течение жизни потока. Изменение приоритета могут происходить по инициативе самого потока, когда он обращается с соответствующим вызовом к операционной системе, или по инициативе пользователя, когда он выполняет соответствующую команду. Кроме того, ОС сама может изменять приоритеты потоков в зависимости от ситуации, складывающейся в системе. В последнем случае приоритеты называются динамическими в отличие от неизменяемых, фиксированных, приоритетов.
От того, какие приоритеты назначены потокам, существенно зависит эффективность работы всей вычислительной системы. В современных ОС во избежание разбалансировки системы, которая может возникнуть при неправильном назначении приоритетов, возможности пользователей влиять на приоритеты процессов и потоков стараются ограничивать. При этом обычные пользователи, как правило, не имеют права повышать приоритеты своим потокам, это разрешено делать (да и то в определенных пределах) только администраторам. В большинстве же случаев ОС присваивает приоритеты потокам по умолчанию.
В качестве примера 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).
При создании процесса он в зависимости от класса получает по умолчанию базовый приоритет в верхней или нижней части диапазона. Базовый приоритет процесса в дальнейшем может быть повышен или понижен операционной системой. Первоначально поток получает значение базового приоритета из диапазона базового приоритета процесса, в котором он был создан. Пусть, например, значение базового приоритета некоторого процесса равно К. Тогда все потоки данного процесса получат базовые приоритеты из диапазона [К-2, К+2]. Отсюда видно, что, изменяя базовый приоритет процесса, ОС может влиять на базовые приоритеты его потоков.
В Windows NT с течением времени приоритет потока, относящегося к классу потоков с переменными приоритетами, может отклоняться от базового приоритета потока, причем эти изменения могут быть не связаны с изменениями базового приоритета процесса. ОС может повышать приоритет потока (который в этом случае называется динамическим) в тех случаях, когда поток не полностью использовал отведенный ему квант, или cнижать приоритет, если квант был использован полностью. ОС наращивает приоритет дифференцированно в зависимости от того, какого типа событие не дало потоку полностью использовать квант. В частности, ОС повышает приоритет в большей степени потокам, которые ожидают ввода с клавиатуры (интерактивным приложениям) и в меньшей степени — потокам, выполняющим дисковые операции. Именно на основе динамических приоритетов осуществляется планирование потоков. Начальной точкой отсчета для динамического приоритета является значение базового приоритета потока. Значение динамического приоритета потока ограничено снизу его базовым приоритетом, верхней же границей является нижняя граница диапазона приоритетов реального времени.
Существуют две разновидности приоритетного планирования: обслуживание с относительными приоритетами и обслуживание с абсолютными приоритетами.
В обоих случаях выбор потока на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается поток, имеющий наивысший приоритет. Однако проблема определения момента смены активного потока решается по-разному. В системах с относительными приоритетами активный поток выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ожидания (или же про-изойдет ошибка, или поток завершится). На рис. 4.10, а показан граф состояний потока в системе с относительными приоритетами.
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).
В системах, в которых планирование осуществляется на основе относительных приоритетов, минимизируются затраты на переключения процессора с одной работы на другую. С другой стороны, здесь могут возникать ситуации, когда одна задача занимает процессор долгое время. Ясно, что для систем разделения времени и реального времени такая дисциплина обслуживания не подходит: интерактивное приложение может ждать своей очереди часами, пока вычислительной задаче не потребуется ввод-вывод. А вот в системах пакетной обработки (в том числе известной ОС OS/360) относительные приоритеты используются широко.
Рис. 4.10. Графы состояний потоков в системах с относительными и абсолютными приоритетами
В системах с абсолютными приоритетами время ожидания потока в очередях может быть сведено к минимуму, если ему назначить самый высокий приоритет. Такой поток будет вытеснять из процессора все остальные потоки (кроме потоков, имеющих такой же наивысший приоритет). Это делает планирование на основе абсолютных приоритетов подходящим для систем управления объектами, в которых важна быстрая реакция на событие.
16. Мультипрограммирование на основе прерываний
Прерывание – это способ переключения процессора на выполнение потока команд, отличного от того который выполнялся, с последующим возвратом.
Различают следующие типы прерываний:
* внешние (аппаратные),
* внутренние (исключения -exception),
* программные
Внешние прерывания происходят асинхронно, т.е. происходят в случайный момент времени в процессе выполнения программы (например, от внешних устройств), внутренние – синхронно, т.е. возникают по конкретной причине и можно предугадать возникновение такого прерывания (например, при делении на ноль).
Программные прерывания не являются " истинными" прерываниями. Они возникают при выполнении определенной команды процессора и применяются в том случае, когда необходимо выполнить некоторые привилегированные действия (например обратится к порту компьютера).
Прерываниям равного значения приписываются уровни приоритетов (уровни - IRQ)
Каждое из прерываний обслуживается обработчиком прерываний (Interrupt Service Routine).
Внешние – обрабатываются драйверами, внутренние – модулями ядра, программные – процедурами из API
ЛИБО более подробно
Мультипрограммирование на основе прерываний. Прерывание - процесс, который возник в результате события внешнего по отношению к выполняемой программе, или не предусмотренного программой. Этот процесс порождает выполнение процедур, которых нет в программе, но есть в ОС, т.е. управление передается некоторым модулям ОС. Цель прерывания - реализация асинхронного режима работы и распараллеливания. Прерывание похоже на некоторое выполнение процедур. Отличие: управление передается некоторым заранее созданным программам, которые находятся в ОС. Типы прерываний: 1.внешние (аппаратные)- возникают в результате действия пользователя или от аппаратных устройств (устройство ввода\вывода завершило операцию) и подает сигнал на вход процессора. Эти прерывания асинхронные по отношению к потокам инструкциям от программы. Инструкция выполняется до конца, передается управление обработчику прерываний, он выполняет действия и отдает управление дальше программе. 2.внутренние(исключения) - возникают при аварийной ситуации выполнения инструкции(напр. деление на 0; инструкции не существует). Происходит анализ команды (ошибки) обработчиком и либо отдает управление обратно программе, либо снимает программу с действия и отдает управление ОС. 3.программные - происходят при выполнении особой команды процессора, который имитирует прерывание, чтобы прейти на новую последовательность команд. Каждому прерыванию присваивается определенный приоритет. Эти приоритеты ранжируются(делятся) по званию(важности и срочности) и приоритету. Если один уровень приоритетов, то все прерывания равны между собой. Для обслуживания, анализирования приоритетов прерываний существует специальный модуль, который отслеживает прерывание с наибольшим приоритетом. Механизм прерывания: существует цепь передачи сигнала. Существует контроллер внешнего устройства, где появляется сигнал→ сигнал передается на шину подключения внешних устройств→ сигнал поступает на процессор, где есть контроллер прерываний. Существует 2 способа выполнения прерываний: 1. Векторный - каждый контроллер вырабатывает прерывание со своим № и приоритетом, и это прерывание поступает на вход контроллера прерываний. Затем процессор опрашивает действительно ли это устройство вырабатывает прерывание: если да, то процессор вызывает по №(приоритетом прерывания) нужный обработчик(напр. по таблице векторов прерываний), который выполняет действие по прерыванию. Ссылки располагают в самом процессоре. 2. Опрашиваемый - процессор получает через шину информацию только о приоритете прерывания. Для каждого приоритета может быть несколько устройств(процессор не знает от какого устройства пришло прерывание), поэтому процессор обращается к обработчикам. Они обнаруживают, откуда пришло прерывание, и потом нужный обработчик производит свои действия, которые могут выработать уровень приоритета. У процессора типа Pentium способ обработки прерываний векторный, а у шин - опрашиваемый.
