Архитектура операционной системы UNIX - Морис Бах

В системе разделения времени ядро предоставляет процессу ресурсы центрального процессора (ЦП) на интервал времени, называемый квантом, по истечении которого выгружает этот процесс и запускает другой, периодически переупорядочивая очередь процессов. Алгоритм планирования процессов в системе UNIX использует время выполнения в качестве параметра. Каждый активный процесс имеет приоритет планирования; ядро переключает контекст на процесс с наивысшим приоритетом. При переходе выполняющегося процесса из режима ядра в режим задачи ядро пересчитывает его приоритет, периодически и в режиме задачи переустанавливая приоритет каждого процесса, готового к выполнению.

Информация о времени, связанном с выполнением, нужна также и некоторым из пользовательских процессов: используемая ими, например, команда time позволяет узнать, сколько времени занимает выполнение другой команды, команда date выводит текущую дату и время суток. С помощью различных системных функций процессы могут устанавливать или получать временные характеристики выполнения в режиме ядра, а также степень загруженности центрального процессора. Время в системе поддерживается с помощью аппаратных часов, которые посылают ЦП прерывания с фиксированной, аппаратно-зависимой частотой, обычно 50-100 раз в секунду. Каждое поступление прерывания по таймеру (часам) именуется таймерным тиком. В настоящей главе рассматриваются особенности реализации процессов во времени, включая планирование процессов в системе UNIX, описание связанных со временем системных функций, а также функций, выполняемых программой обработки прерываний по таймеру.

8.1 ПЛАНИРОВАНИЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ

Планировщик процессов в системе UNIX принадлежит к общему классу планировщиков, работающих по принципу "карусели с многоуровневой обратной связью". В соответствии с этим принципом ядро предоставляет процессу ресурсы ЦП на квант времени, по истечении которого выгружает этот процесс и возвращает его в одну из нескольких очередей, регулируемых приоритетами. Прежде чем процесс завершится, ему может потребоваться множество раз пройти через цикл с обратной связью. Когда ядро выполняет переключение контекста и восстанавливает контекст процесса, процесс возобновляет выполнение с точки приостанова.

8.1.1 Алгоритм

Сразу после переключения контекста ядро запускает алгоритм планирования выполнения процессов (Рисунок 8.1), выбирая на выполнение процесс с наивысшим приоритетом среди процессов, находящихся в состояниях "резервирования" и "готовности к выполнению, будучи загруженным в память". Рассматривать процессы, не загруженные в память, не имеет смысла, поскольку не будучи загружен, процесс не может выполняться. Если наивысший приоритет имеют сразу несколько процессов, ядро, используя принцип кольцевого списка (карусели), выбирает среди них тот процесс, который находится в состоянии "готовности к выполнению" дольше остальных. Если ни один из процессов не может быть выбран для выполнения, ЦП простаивает до момента получения следующего прерывания, которое произойдет не позже чем через один таймерный тик; после обработки этого прерывания ядро снова запустит алгоритм планирования.

алгоритм schedule_process

входная информация: отсутствует

выходная информация: отсутствует

{

 выполнять пока (для запуска не будет выбран один из процессов) {

  for (каждого процесса в очереди готовых к выполнению)

   выбрать процесс с наивысшим приоритетом из загруженных в память;

  if (ни один из процессов не может быть избран для выполнения)

   приостановить машину;

 /* машина выходит из состояния простоя по прерыванию */

 }

 удалить выбранный процесс из очереди готовых к выполнению;

 переключиться на контекст выбранного процесса, возобновить его выполнение;

}

Рисунок 8.1. Алгоритм планирования выполнения процессов

8.1.2 Параметры диспетчеризации

В каждой записи таблицы процессов есть поле приоритета, используемое планировщиком процессов. Приоритет процесса в режиме задачи зависит от того, как этот процесс перед этим использовал ресурсы ЦП. Можно выделить два класса приоритетов процесса (Рисунок 8.2): приоритеты выполнения в режиме ядра и приоритеты выполнения в режиме задачи. Каждый класс включает в себя ряд значений, с каждым значением логически ассоциирована некоторая очередь процессов. Приоритеты выполнения в режиме задачи оцениваются для процессов, выгруженных по возвращении из режима ядра в режим задачи, приоритеты выполнения в режиме ядра имеют смысл только в контексте алгоритма sleep. Приоритеты выполнения в режиме задачи имеют верхнее пороговое значение, приоритеты выполнения в режиме ядра имеют нижнее пороговое значение. Среди приоритетов выполнения в режиме ядра далее можно выделить высокие и низкие приоритеты: процессы с низким приоритетом возобновляются по получении сигнала, а процессы с высоким приоритетом продолжают оставаться в состоянии приостанова (см. раздел 7.2.1).

Пороговое значение между приоритетами выполнения в режимах ядра и задачи на Рисунке 8.2 отмечено двойной линией, проходящей между приоритетом ожидания завершения потомка (в режиме ядра) и нулевым приоритетом выполнения в режиме задачи. Приоритеты процесса подкачки, ожидания ввода-вывода, связанного с диском, ожидания буфера и индекса являются высокими, не допускающими прерывания системными приоритетами, с каждым из которых связана очередь из 1, 3, 2 и 1 процесса, соответственно, в то время как приоритеты ожидания ввода с терминала, вывода на терминал и завершения потомка являются низкими, допускающими прерывания системными приоритетами, с каждым из которых связана очередь из 4, 0 и 2 процессов, соответственно. На рисунке представлены также уровни приоритетов выполнения в режиме задачи[24].

Ядро вычисляет приоритет процесса в следующих случаях:

• Непосредственно перед переходом процесса в состояние приостанова ядро назначает ему приоритет исходя из причины приостанова. Приоритет не зависит от динамических характеристик процесса (продолжительности ввода-вывода или времени счета), напротив, это постоянная величина, жестко устанавливаемая в момент приостанова и зависящая только от причины перехода процесса в данное состояние. Процессы, приостановленные алгоритмами низкого уровня, имеют тенденцию порождать тем больше узких мест в системе, чем дольше они находятся в этом состоянии; поэтому им назначается более высокий приоритет по сравнению с остальными процессами. Например, процесс, приостановленный в ожидании завершения ввода-вывода, связанного с диском, имеет более высокий приоритет по сравнению с процессом, ожидающим освобождения буфера, по нескольким причинам. Прежде всего, у первого процесса уже есть буфер, поэтому не исключена возможность, что когда он возобновится, он успеет освободить и буфер, и другие ресурсы. Чем больше ресурсов свободно, тем меньше шансов для возникновения взаимной блокировки процессов. Системе не придется часто переключать контекст, благодаря чему сократится время реакции процесса и увеличится производительность системы. Во-вторых, буфер, освобождения которого ожидает процесс, может быть занят процессом, ожидающим в свою очередь завершения ввода-вывода. По завершении ввода-вывода будут возобновлены оба процесса, поскольку они были приостановлены по одному и тому же адресу. Если первым запустить на выполнение процесс, ожидающий освобождения буфера, он в любом случае снова приостановится до тех пор, пока буфер не будет освобожден; следовательно, его приоритет должен быть ниже.

• По возвращении процесса из режима ядра в режим задачи ядро вновь вычисляет приоритет процесса. Процесс мог до этого находиться в состоянии приостанова, изменив свой приоритет на приоритет выполнения в режиме ядра, поэтому при переходе процесса из режима ядра в режим задачи ему должен быть возвращен приоритет выполнения в режиме задачи. Кроме того, ядро "штрафует" выполняющийся процесс в пользу остальных процессов, отбирая используемые им ценные системные ресурсы.

• Приоритеты всех процессов в режиме задачи с интервалом в 1 секунду (в версии V) пересчитывает программа обработки прерываний по таймеру, побуждая тем самым ядро выполнять алгоритм планирования, чтобы не допустить монопольного использования ресурсов ЦП одним процессом.

Рисунок 8.2. Диапазон приоритетов процесса

В течение кванта времени таймер может послать процессу несколько прерываний; при каждом прерывании программа обработки прерываний по таймеру увеличивает значение, хранящееся в поле таблицы процессов, которое описывает продолжительность использования ресурсов центрального процессора (ИЦП). В версии V каждую секунду программа обработки прерываний переустанавливает значение этого поля, используя функцию полураспада (decay):