Реализация планирования задач в ОС РВ

Планировщик (диспетчер) — система для планомерного выделения ресурсов в рамках определенной политики (методики). Суть планировщика — формирование управляющих сигналов в ответ на изменения, возникающие в процессе вычислений. Планировщики, реализующие механизм взаимного исключения, называют мониторами или арбитрами.

В рамках ОС РВ, планировщик, как правило, выделяет только один ресурс — ресурс процессорного времени.

В ОС РВ планировщик используют для выделении из всех задач самой важной и выделения ей необходимых для работы ресурсов. Обычно под планировщиком понимается программа, определяющая порядок вызова задач и длительность кванта времени в операционных системах с псевдо многозадачностью. Таким образом, в обычных однопроцессорных операционных системах планировщик планирует такой ресурс как процессорное время. Планировщик работает в соответствии с заданной методикой, так называемым алгоритмом планирования.

В ОС РВ планировщик не является монопольным распределителем ресурсов. Кроме планировщика, к вопросам управления ресурсом процессорного времени (процессами) относятся:

• · средства IPC;
• · средства синхронизации и взаимного исключения (семафоры и мьютексы, критические секции).

Такое разделение полномочий и отдача сложных средств управления ресурсами на откуп прикладным программистам обычно приводит к отсутствию како-либо формализации вычислительного процесса и к большому количеству ошибок.

Межпроцессное взаимодействие

Межпроцессное взаимодействие, IPC (Inter-process communication) — набор механизмов для взаимодействия между процессами, работающих в рамках потоковой модели вычислений.

В IPC входят механизмы обмена данными и управления процессами. Под управлением понимаются такие действия, как запуск и остановка процессов с целью синхронизации.

Механизмы обмена данными предназначены только для передачи данных от одного процесса к другому. Управления состоянием процесса в таких каналах нет. Для примера можно рассмотреть сети процессов Кана.

• 1. Каналы без блокировки.
• 2. Очереди (FIFO), потоковый обмен данными, сокеты.
• 3. Пакетная пересылка, почтовые ящики (mail box).
• 4. Общая память.

Механизмы управления не передают из процесса в процесс каких-либо данных. Семафоры, мониторы и критические секции позволяют осуществлять управление процессами.

• · Семафоры.
• · Мониторы.
• · Критические секции.

Гибридные механизмы позволяют не только передавать данные между процессами, но и запускать и останавливать процессы.

• · Каналы c блокировкой.
• · Сигналы.

Почему нельзя использовать простые флаги при организации совместного доступа нескольких процессов или потоков к одному ресурсу? Зачем нужны алгоритмы Петерсона, Деккера и семафорфы, если все обычно используют простые флаги?

• 1. Операторы языков высокого уровня обычно транслируются не в одну, а в несколько команд.
• 2. Переключатель процессов может прервать процесс на любой команде.
• 3. Процесс 1 проверил флаг критической секции. Флаг свободен.
• 4. Процесс 1 начал модифицировать флаг. Процесс 1 может считать, что он модифицировал флаг критической секции. На самом деле его прервал процесс 2.
• 5. Процесс 2 изменяет флаг критической секции и начинает работать с данными.
• 6. Процесс 1 прерывает процесс 2. Он уже проверил флаг и считает, что он свободен. Процесс 1 модифицирует флаг и начинает работать с критическими данными. Возникает конфликт.
• 7. Для получения атомарности, используют два основных метода: реализация неделимых операций TEST_AND_SET и CLEAR_TEST_AND_SET (реализация двоичного семафора Дейкстры на уровне системы команд ЦП).
• 8. Использование аппаратных прерываний. Взаимное исключение (Mutual exclusion) — механизм, гарантирующий, что только один процесс производит некую специфическую деятельность. Все остальные процессы исключены из выполнения этой деятельности.

Взаимное исключение относится к синхронизации конкуренции.

Термин «взаимное исключение» обычно используют в контексте программного обеспечения в рамках операционных систем, в частности, в рамках ОС РВ (при использовании потоковой модели вычислений). На самом деле, механизм взаимного исключения универсален и его можно применять не только в программном, но и в аппаратном обеспечении. Приведем примеры:

• · арбитр системной шины;
• · мьютекс для организации IPC между процессорами NIOS в среде Quartus.

Мьютекс — средство взаимного исключения, двоичный семафор. Переменная, хранящаяся внутри мьютекса, может принимать значения 0 и 1.