Архитектура операционной системы UNIX - Морис Бах

struct queue {} *bp, *bp1;

bp1-›forp = bp-›forp;

bp1-›backp = bp;

bp-›forp=bp1;

/* рассмотрите возможность переключения контекста в этом месте */

bp1-›forp-›backp =b p1;

Рисунок 12.2. Включение буфера в список с двойными указателями

В качестве примера рассмотрим фрагмент программы из главы 2 (Рисунок 12.2), в котором новая структура данных (указатель bp1) помещается в список после существующей структуры (указатель bp). Предположим, что этот фрагмент выполняется одновременно двумя процессами на разных ЦП, причем процессор A пытается поместить вслед за структурой bp структуру bpA, а процессор B структуру bpB. По поводу сопоставления быстродействия процессоров не приходится делать никаких предположений: возможен даже наихудший случай, когда процессор B исполняет 4 команды языка Си, прежде чем процессор A исполнит одну. Пусть, например, выполнение программы процессором A приостанавливается в связи с обработкой прерывания. В результате, даже несмотря на блокировку остальных прерываний, целостность данных будет поставлена под угрозу (в главе 2 этот момент уже пояснялся).

Ядро обязано удостовериться в том, что такого рода нарушение не сможет произойти. Если вопрос об опасности возникновения нарушения целостности оставить открытым, как бы редко подобные нарушения ни случались, ядро утратит свою неуязвимость и его поведение станет непредсказуемым. Избежать этого можно тремя способами:

1. Исполнять все критические операции на одном процессоре, опираясь на стандартные методы сохранения целостности данных в однопроцессорной системе;

2. Регламентировать доступ к критическим участкам программы, используя элементы блокирования ресурсов;

3. Устранить конкуренцию за использование структур данных путем соответствующей переделки алгоритмов.

Первые два способа здесь мы рассмотрим подробнее, третьему способу будет посвящено отдельное упражнение.

12.2 ГЛАВНЫЙ И ПОДЧИНЕННЫЙ ПРОЦЕССОРЫ

Систему с двумя процессорами, один из которых — главный (master) — может работать в режиме ядра, а другой — подчиненный (slave) — только в режиме задачи, впервые реализовал на машинах типа VAX 11/780 Гобл (см. [Goble 81]). Эта система, реализованная вначале на двух машинах, получила свое дальнейшее развитие в системах с одним главным и несколькими подчиненными процессорами. Главный процессор несет ответственность за обработку всех обращений к операционной системе и всех прерываний. Подчиненные процессоры ведают выполнением процессов в режиме задачи и информируют главный процессор о всех производимых обращениях к системным функциям.

Выбор процессора, на котором будет выполняться данный процесс, производится в соответствии с алгоритмом диспетчеризации (Рисунок 12.3). В соответствующей записи таблицы процессов появляется новое поле, в которое записывается идентификатор выбранного процессора; предположим для простоты, что он показывает, является ли процессор главным или подчиненным. Когда процесс производит обращение к системной функции, выполняясь на подчиненном процессоре, подчиненное ядро переустанавливает значение поля идентификации процессора таким образом, чтобы оно указывало на главный процессор, и переключает контекст на другие процессы (Рисунок 12.4). Главное ядро запускает на выполнение процесс с наивысшим приоритетом среди тех процессов, которые должны выполняться на главном процессоре. Когда выполнение системной функции завершается, поле идентификации процессора перенастраивается обратно, и процесс вновь возвращается на подчиненный процессор.

Если процессы должны выполняться на главном процессоре, желательно, чтобы главный процессор обрабатывал их как можно скорее и не заставлял их ждать своей очереди чересчур долго. Похожая мотивировка приводится в объяснение выгрузки процесса из памяти в однопроцессорной системе после выхода из системной функции с освобождением соответствующих ресурсов для выполнения более насущных счетных операций. Если в тот момент, когда подчиненный процессор делает запрос на исполнение системной функции, главный процесс выполняется в режиме задачи, его выполнение будет продолжаться до следующего переключения контекста. Главный процессор реагировал бы гораздо быстрее, если бы подчиненный процессор устанавливал при этом глобальный флаг; проверяя установку флага во время обработки очередного прерывания по таймеру, главный процессор произвел бы в итоге переключение контекста максимум через один таймерный тик. С другой стороны, подчиненный процессор мог бы прервать работу главного и заставить его переключить контекст немедленно, но данная возможность требует специальной аппаратной реализации.

алгоритм schedule_process (модифицированный)

входная информация: отсутствует

выходная информация: отсутствует

{

 do while (для запуска не будет выбран один из процессов) {

  if (работа ведется на главном процессоре)

   for (всех процессов в очереди готовых к выполнению)

    выбрать процесс, имеющий наивысший приоритет среди загруженных в память;

  else /* работа ведется на подчиненном процессоре */

   for (тех процессов в очереди, которые не нуждаются в главном процессоре)

    выбрать процесс, имеющий наивысший приоритет среди загруженных в память;

  if (для запуска не подходит ни один из процессов)

   не загружать машину, переходящую в состояние простоя; /* из этого состояния машина выходит в результате прерывания */

 }

 убрать выбранный процесс из очереди готовых к выполнению;

 переключиться на контекст выбранного процесса, возобновить его выполнение;

}

Рисунок 12.3. Алгоритм диспетчеризации

алгоритм syscall /* исправленный алгоритм вызова системной функции */

входная информация: код системной функции

выходная информация: результат выполнения системной функции

{

 if (работа ведется на подчиненном процессоре) {

  переустановить значение поля идентификации процессора в соответствующей записи таблицы процессов;

  произвести переключение контекста;

 }

 выполнить обычный алгоритм реализации системной функции;

 перенастроить значение поля идентификации процессора, чтобы оно указывало на "любой" (подчиненный);

 if (на главном процессоре должны выполняться другие процессы)

  произвести переключение контекста;

}

Рисунок 12.4. Алгоритм обработки обращения к системной функции

Программа обработки прерываний по таймеру на подчиненном процессоре следит за периодичностью перезапуска процессов, не допуская монопольного использования процессора одной задачей. Кроме того, каждую секунду эта программа выводит подчиненный процессор из состояния бездействия (простоя). Подчиненный процессор выбирает для выполнения процесс с наивысшим приоритетом среди тех процессов, которые не нуждаются в главном процессоре.

Единственным местом, где целостность структур данных ядра еще подвергается опасности, является алгоритм диспетчеризации, поскольку он не предохраняет от выбора процесса на выполнение сразу на двух процессорах. Например, если в конфигурации имеется один главный процессор и два подчиненных, не исключена возможность того, что оба подчиненных процессора выберут для выполнения в режиме задачи один и тот же процесс. Если оба процессора начнут выполнять его параллельно, осуществляя чтение и запись, это неизбежно приведет к искажению содержимого адресного пространства процесса.

Избежать возникновения этой проблемы можно двумя способами. Во-первых, главный процессор может явно указать, на каком из подчиненных процессоров следует выполнять данный процесс. Если на каждый процессор направлять несколько процессов, возникает необходимость в сбалансировании нагрузки (на один из процессоров назначается большое количество процессов, в то время как другие процессоры простаивают). Задача распределения нагрузки между процессорами ложится на главное ядро. Во-вторых, ядро может проследить за тем, чтобы в каждый момент времени в алгоритме диспетчеризации принимал участие только один процессор, для этого используются механизмы, подобные семафорам.

12.3 СЕМАФОРЫ

Поддержка системы UNIX в многопроцессорной конфигурации может включать в себя разбиение ядра системы на критические участки, параллельное выполнение которых на нескольких процессорах не допускается. Такие системы предназначались для работы на машинах AT amp;T 3B20A и IBM 370, для разбиения ядра использовались семафоры (см. [Bach 84]). Нижеследующие рассуждения помогают понять суть данной особенности. При ближайшем рассмотрении сразу же возникают два вопроса: как использовать семафоры и где определить критические участки.