Поддержка исполнения в мультипрограммной и мультипроцессорной средах

Поддержка исполнения параллельных вычислений реализуется:

• — ядром операционной системы. Оно предоставляет сервисы, необходимые для параллельной обработки. В некоторых современных операционных системах минимальную поддержку дает микроядро, а все остальное — системные задачи;
• — системой времени исполнения в языке программирования, поддерживающем параллелизм;
• — пакетом для поддержки потоков. Предоставляет сервисы, необходимые для управления потоками (облегченными процессами) внутри тяжеловесного процесса.

В языках, ориентированных на последовательное программирование, например С, C++, Pascal и Fortran, нет встроенной поддержки параллелизма. Поэтому при разработке параллельных многозадачных приложений на этих языках приходится прибегать к помощи ядра или библиотеки потоков.

В параллельных языках программирования, скажем Ada или Java, имеются конструкции для поддержки взаимодействия и синхронизации задач. В таком случае система времени выполнения, являющаяся частью языка, отвечает за планирование задач и предоставление необходимых сервисов.

Сервисы операционной системы. Ядро операционной системы обычно предоставляет следующие сервисы:

• — вытесняющее планирование с приоритетами. Задача с наивысшим приоритетом исполняется, как только она будет готова, — например, если ее активизирует прерывание ввода/вывода;
• — межзадачную коммуникацию посредством сообщений;
• — взаимное исключение с помощью семафоров;
• — синхронизацию по событию с использованием сигналов. Вместо этого для синхронизации могут применяться сообщения;
• — обработку прерываний и базовые сервисы ввода/вывода;
• — управление памятью. Эта подсистема отвечает за отображение виртуальной памяти каждой задачи на физическую память.

В качестве примеров широко распространенных систем с поддержкой параллелизма в ядре можно назвать несколько версий UNIX (в том числе Linux, Solaris и AIX), Windows 98, Windows NT и Windows 2000.

Если имеется поддержка в ядре, то операции send message и receive message для обмена сообщениями, а также wait и signal для синхронизации по событию реализуются как прямые вызовы ядра. Взаимно исключающий доступ к критическим секциям обеспечивается операциями над семафорами acquire и release, которые также предоставляет ядро.

Стандарт POSIX. POSIX (Portable Operating System Interface Standard — стандарт переносимого интерфейса операционной системы) — это стандарт разработки программного обеспечения операционных систем, принятый IEEE. Обычно его называют POSIX 1003. POSIX основан на операционной системе UNIX — наиболее распространенной переносимой ОС. POSIX 1003.1 определяет базовые сервисы операционной системы, POSIX 1003. b — расширения для режима реального времени, а POSIX 1003.1с — расширения для параллельной обработки.

Стандарт POSIX 1003.1 задает библиотечные функции, которые должна поддерживать любая POSIX-совместимая система UNIX, например open, read и fork. POSIX 1003.1b определяет стандартный интерфейс операционной системы реального времени: системные вызовы, списки параметров и информацию о состоянии, возвращаемую каждым вызовом.

В стандарте POSIX 1003.1b указаны следующие сервисы:

• 1. Сервисы для управления параллельными задачами. Следующие три сервиса предоставляют средства для обмена информацией между задачами и для синхронизации:
  • — двоичные семафоры;
  • — сигналы реального времени;
  • — передача сообщений. Этот сервис позволяет задаче с наивысшим приоритетом получать процессор по первому запросу, а значит, гарантирует быструю реакцию для наиболее критичных по времени задач;
  • — вытесняющее планирование с приоритетами;
• 2. Сервисы времени.

Следующий сервис важен для реализации событий таймера с высоким разрешением и выполнения измерений в системах реального времени:

• — часы и таймеры реального времени;
• 3. Сервисы управления памятью:
  • — захват памяти задачей (см. следующий раздел);
  • — файлы, проецируемые на память, и разделяемая память;
• 4. сервисы ввода/вывода:
  • — синхронный ввод/вывод;
  • — асинхронный ввод/вывод. Этот сервис необходим для реализации перекрытия между процессорными вычислениями и вводом/выводом.

Стандарт POSIX 1003.1с добавляет к POSIX спецификацию параллельных потоков, которые позволяют программе запускать несколько экземпляров процедуры, выполняемых в раздельных потоках управления (задачах). Исполняемая программа представляет собой тяжеловесный процесс, имеющий собственное адресное пространство. Поток внутри него — это облегченный процесс.

В терминологии POSIX тяжеловесные процессы называются просто процессами, а облегченные процессы — потоками (thread). Все потоки внутри данного процесса функционируют в одном и том же адресном пространстве.

Операционные системы реального времени. Большинство систем реального времени поддерживают ядро или микроядро. Рассмотрим требования к операционной системе реального времени. Итак, операционная система реального времени должна:

• — поддерживать многозадачность;
• — реализовывать вытесняющее планирование с приоритетами. Это означает, в частности, что у каждой задачи должен быть свой приоритет;
• — предоставлять механизмы синхронизации и обмена информацией между задачами;
• — давать задачам возможности захвата памяти. В системах реального времени с жесткими временными ограничениями параллельные задачи обычно находятся в памяти целиком. Это устраняет неопределенность и разброс во времени отклика, обусловленные подкачкой страниц. Механизм захвата памяти позволяет задаче с жесткими ограничениями по времени выполнения разместиться в оперативной памяти, не опасаясь, что операционная система выгрузит ее;
• — включать механизм наследования приоритета. Когда задача, А входит в критическую секцию, ее приоритет должен быть повышен. В противном случае задача, А может быть вытеснена другой высокоприоритетной задачей, которая не сумеет войти в эту же критическую секцию, поскольку она занята задачей А. Таким образом, высокоприоритетная задача окажется навечно заблокированной;
• — иметь предсказуемое поведение (например, при выполнении контекстного переключения, синхронизации задач и обработке прерываний). Это означает, что максимальное время отклика должно быть прогнозируемо при любой ожидаемой нагрузке на систему.

Существует много специализированных операционных систем реального времени, в том числе pSOS, VRTX и iRMX. Растет также число систем реального времени, совместимых со стандартом POSIX: это, например, LynxOS, QNX и HP-RT. Кроме того, есть системы, доводящие Windows NT до уровня системы реального времени: RTX, INTime и Hyperkernel [29].