алгоритм планирования реализованный в windows nt можно охарактеризовать как

02.08.202327.04.2023 admin 0 Comments

8. Процессы и нити. Алгоритмы планирования

Адресное пространство каждого процесса защищено от вмешательства в него любого другого процесса. Это обеспечивается механизмами виртуальной памяти. Операционная система, конечно, тоже защищена от прикладных процессов. Чтобы выполнить какую-либо процедуру ОС или прочитать что-либо из ее области памяти, нить должна выполняться в режиме ядра. Пользовательские процессы получают доступ к функциям ядра посредством системных вызовов. В пользовательском режиме выполняются не только прикладные программы, но и защищенные подсистемы Windows NT.

Напомним, что нить является выполняемой единицей, которая располагается в адресном пространстве процесса и использует ресурсы, выделенные процессу. Подобно процессу нить в Windows NT реализована в форме объекта и управляется менеджером объектов.

Кроме перечисленных, имеются и некоторые другие атрибуты.

Как видно из перечня, многие атрибуты объекта-нити аналогичны атрибутам объекта-процесса. Весьма сходны и сервисные функции, которые могут быть выполнены над объектами-процессами и объектами-нитями: создание, открытие, завершение, приостановка, запрос и установка информации, запрос и установка контекста и другие функции.

Алгоритм планирования процессов и нитей.В Windows NT реализована вытесняющая многозадачность, при которой операционная система не ждет, когда нить сама захочет освободить процессор, а принудительно снимает ее с выполнения после того, как та израсходовала отведенное ей время (квант), или если в очереди готовых появилась нить с более высоким приоритетом. При такой организации разделения процессора ни одна нить не займет процессор на очень долгое время.

Рис. 31. Граф состояний нити

Каждый раз, когда необходимо выбрать нить для выполнения, диспетчер прежде всего просматривает очередь готовых нитей реального времени и обращается к другим нитям, только когда очередь нитей реального времени пуста. Большинство нитей в системе попадают в класс нитей с переменными приоритетами, диапазон приоритетов которых от 0 до 15. Этот класс имеет название «переменные приоритеты» потому, что диспетчер настраивает систему, выбирая (понижая или повышая) приоритеты нитей этого класса.

Использование динамических приоритетов, изменяющихся во времени, позволяет реализовать адаптивное планирование, при котором не дискриминируются интерактивные задачи, часто выполняющие операции ввода-вывода и недоиспользующие выделенные им кванты. Если нить полностью исчерпала свой квант, то ее приоритет понижается на некоторую величину. В то же время приоритет нитей, которые перешли в состояние ожидания, не использовав полностью выделенный им квант, повышается. Приоритет не изменяется, если нить вытеснена более приоритетной нитью.

Для того, чтобы обеспечить хорошее время реакции системы, алгоритм планирования использует наряду с квантованием концепцию абсолютных приоритетов. В соответствии с этой концепцией при появлении в очереди готовых нитей такой, у которой приоритет выше, чем у выполняющейся в данный момент, происходит смена активной нити на нить с самым высоким приоритетом.

В многопроцессорных системах при диспетчеризации и планировании нитей играет роль их процессорная совместимость: после того, как ядро выбрало нить с наивысшим приоритетом, оно проверяет, какой процессор может выполнить данную нить и, если атрибут нити «процессорная совместимость» не позволяет нити выполняться ни на одном из свободных процессоров, то выбирается следующая в порядке приоритетов нить.

Источник

19) Опишите смешанный алгоритм планирования в ос Windows nt.

Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как концепции квантования, так и приоритетов. Например, в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора потока из очереди готовых определяется приоритетами потоков. Именно так реализовано планирование в системе Windows NT, в которой квантование сочетается с динамическими абсолютными приоритетами. На выполнение выбирается готовый поток с наивысшим приоритетом. Ему выделяется квант времени. Если во время выполнения в очереди готовых появляется поток с более высоким приоритетом, то он вытесняет выполняемый поток. Вытесненный поток возвращается в очередь готовых, причем он становится впереди всех остальных потоков имеющих такой же приоритет.

20)Перечислите события, требующие перераспределения процессорного времени и поясните действия планировщика ос в каждом случае.

1-прерывание таймера(конец кванта)-планировщик переводит задачу или поток в состояние канта что бы получить след. Квант

2-активная задача выполнила сис. вызов –запрос на вод-вывод, который в настоящий момент занят, переводит в состояние ожидания и выполняет перепланировку

3-активная задача выполнила сис.вызов связанный с освобождением ресурсов-планировщик получает ресурс и переводит в состояние готовности.

4-внешнее аппаратное прерывание, сигнализирующая о завершении УВМ операций в.-в.,в этом случае планировщик переводит задачу в очередь готовых и производит перепланировку

5-внутриние прерывание сигнала-планировщик снимает задачу и производит перепланировку.

21) Опишите моменты перепланировки в среде ос рв.

При возникновении событий, требующих перераспределения процессорного времени, планировщик ОС просматривает очереди задач и решает, какая задача будет выполняться следующей. Также существует ряд других событий, часто связанных с системными вызовами, требующие перепланировки. Например, запрос пользователя или приложения на создание задачи. В системах РВ для обработки статического расписания планировщик активизируется по требованию таймера (32 мс). После каждого прерывания планировщик просматривает расписание и проверяет, не пора ли переключить задачи.

22)Как осуществляются диспетчеризация и учёт приоритетов прерываний в ос?

При возникновении приоритета диспетчер прерываний вызывается первым, запрашивает не на долго все прерывания, выясняет причину и источник прерывания, затем сравнивается назначенный данному источнику приоритет с текущим приоритетом команд и если новый выше текущего то запускается обработчик и в этот момент проц. уже может выполнять инструкции другого прерывания. Если приоритет нового запроса выше текущего то выполнение текущего приостанавливается, иначе в очередь помещается обработчик нового запроса.

23) Как работает диспетчер прерываний?

Диспетчер прерывания является важной функцией реализованных во всех мультипроцессорных ос и в общем случае реализовывается двух уровневым механизмом работ: верхний уровень выполняется диспетчером приоритетов, а в оставшимся проц. время распределяется другим диспетчером потоков.

Источник

Простая модель планировщика ОС

Не так давно пытался найти здесь какую-нибудь информацию о планировщике Windows и к своему удивлению не нашёл ничего конкретного о планировщиках вообще, поэтому решил запостить вот этот пример планировщика, надеюсь кому-то он окажется полезен. Код написан на Turbo Pascal со вставками ассемблера 8086.

Что собственно планирует планировщик?

Алгоритмы планирования

Критические секции

C процессорным временем или стеком вроде бы всё просто, а что если потоку требуется например напечатать на принтере котёнка? А что если таких потоков два? При невытесняющей многозадачности всё пройдёт как по маслу: один поток отпечатает котёнка, завершится и отдаст управление планировщику, который позволит печатать второму потоку. Но если многозадачность вытесняющая, планировщик может переключить потоки в момент, когда те ещё не завершили печать и получится что-то вроде этого:

Чтобы такого не происходило вводится механизм критических секций. Поток, которой хочет занять некий неразделяемый ресурс, сообщает об этом планировщику. Если ресурс ещё не занят другим потоком — планировщик разрешает потоку продолжить работу, а сам помечает ресурс, как занятый. Если же ресурс занят — поток помещается в очередь, где он ожидает, когда тот освободится. По завершении работы с таким ресурсом поток должен сообщить планировщику о том что ресурс теперь могут использовать другие потоки. Эти два действия: попытка захватить ресурс и сообщение о прекращении работы с ним называются критическими скобками. Кстати при неумелой их расстановке может возникнуть ситуация взаимной блокировки потоков, которая не всегда хорошо и быстро диагностируется и может вызвать неиллюзорный батхёрт у разработчика и пользователя уже после релиза продукта.

Взаимная блокировка

Допустим у нас есть неразделяемые ресурсы А и Б и потоки Х, Y, которые хотят задействовать эти ресурсы. Если некий ~~криворукий~~ недостаточно компетентный программист расставит критические скобки вот так:
…
Поток X
Занять Ресурс(А)
Занять Ресурс(Б)
…
Отдать Ресурс(А)
Отдать Ресурс(Б)
Поток Y
Занять Ресурс(Б)
Занять Ресурс(А)
…
Отдать Ресурс(Б)
Отдать Ресурс(А)

через некоторое время возникнет вот такая ситуация:

Сладенькое

Ну и собственно то ради чего это всё писалось. Как уже было сказано код нашего планировщика будет выполнен на языке Turbo Pascal.
Механизм критических секций реализован в процедурах EnterCritical(), LeaveCritical(). Вспомним ещё раз: чтобы войти в критическую секцию — нужно проверить не занята ли она, и по результату — либо занять её и разрешить потоку ей пользоваться, либо поставить поток в очередь и передать управление кому-то другому.

C LeaveCritical() вроде бы и так всё ясно:

Сама процедура переключения потоков написана с использованием ассемблерных вставок, поэтому можно увидеть момент переключения потоков от одного к другому с точностью до машинной команды:

Сама процедура скомпилирована с директивой interrupt, то есть является обработчиком прерывания. Которое может быть спровоцировано как аппаратно, так и программно вызовом int 08h, вот так:

Так же необходимо описать сами процедуры регистрации, включения и остановки потоков. Если кому-то интересно — можно посмотреть в исходниках процедуры RegistrThread, RunThread, StopThread.
Вот и всё! Наш планировщик готов.
Исходники вместе примером многопоточной программы написаной под этот планировщих и досовским турбиком можно скачать здесь. Можно поиграться и посмотреть как по разному будут выполняться потоки при вытесняющей и невытесняющей многозадачности (процедура ExecuteRegisterThreads(true/false)), смоделировать ситуацию взаимной блокировки и убедиться в том, что она не всегда диагностируема (я однажды минуту ждал пока возникнет дедлок).
Запускать в системах новее Win98 советую из под DOSbox.

Источник

Планирование процессов в Windows

В разных ОС процессы реализуются по-разному. Эти различия заключаются в том, какими структурами данных представлены процессы, как они именуются, какими способами защищены друг от друга и какие отношения существуют между ними. Процессы Windows NT имеют следующие характерные свойства:

 Процессы Windows NT реализованы в форме объектов, и доступ к ним осуществляется посредством службы объектов.

 Процесс Windows NT имеет многонитевую организацию.

 Как объекты-процессы, так и объекты-нити имеют встроенные средства синхронизации.

 Менеджер процессов Windows NT не поддерживает между процессами отношений типа «родитель-потомок».

В любой системе понятие «процесс» включает следующее:

 собственное адресное пространство, которое представляет собой совокупность виртуальных адресов, которые может использовать процесс,

 ресурсы системы, такие как файлы, семафоры и т.п., которые назначены процессу операционной системой.

 хотя бы одну выполняемую нить.

В число атрибутов тела объекта-процесса входят:

Объект-нить имеет следующие атрибуты тела:

В Windows NT реализована вытесняющая многозадачность, при которой операционная система не ждет, когда нить сама захочет освободить процессор, а принудительно снимает ее с выполнения после того, как та израсходовала отведенное ей время (квант), или если в очереди готовых появилась нить с более высоким приоритетом. При такой организации разделения процессора ни одна нить не займет процессор на очень долгое время.

В ОС Windows NT нить в ходе своего существования может иметь одно из шести состояний (рисунок 1.3). Жизненный цикл нити начинается в тот момент, когда программа создает новую нить. Запрос передается NT executive, менеджер процессов выделяет память для объекта-нити и обращается к ядру, чтобы инициализировать объект-нить ядра. После инициализации нить проходит через следующие состояния:

Рис. 1.3. Граф состояний нити

 Готовность. При поиске нити на выполнение диспетчер просматривает только нити, находящиеся в состоянии готовности, у которых есть все для выполнения, но не хватает только процессора.

 Первоочередная готовность (standby). Для каждого процессора системы выбирается одна нить, которая будет выполняться следующей (самая первая нить в очереди). Когда условия позволяют, происходит переключение на контекст этой нити.

 Выполнение. Как только происходит переключение контекстов, нить переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо ядро не вытеснит ее из-за того, что появилась более приоритетная нить или закончился квант времени, выделенный этой нити, либо нить завершится вообще, либо она по собственной инициативе перейдет в состояние ожидания.

 Ожидание. Нить может входить в состояние ожидания несколькими способами: нить по своей инициативе ожидает некоторый объект для того, чтобы синхронизировать свое выполнение; операционная система (например, подсистема ввода-вывода) может ожидать в интересах нити; подсистема окружения может непосредственно заставить нить приостановить себя. Когда ожидание нити подойдет к концу, она возвращается в состояние готовности.

 Переходное состояние. Нить входит в переходное состояние, если она готова к выполнению, но ресурсы, которые ей нужны, заняты. Например, страница, содержащая стек нити, может быть выгружена из оперативной памяти на диск. При освобождении ресурсов нить переходит в состояние готовности.

 Завершение. Когда выполнение нити закончилось, она входит в состояние завершения. Находясь в этом состоянии, нить может быть либо удалена, либо не удалена. Это зависит от алгоритма работы менеджера объектов, в соответствии с которым он и решает, когда удалять объект. Если executive имеет указатель на объект-нить, то она может быть инициализирована и использована снова.

Использование динамических приоритетов, изменяющихся во времени, позволяет реализовать адаптивное планирование, при котором не дискриминируются интерактивные задачи, часто выполняющие операции ввода-вывода и недоиспользующие выделенные им кванты. Если нить полностью исчерпала свой квант, то ее приоритет понижается на некоторую величину. В то же время приоритет нитей, которые перешли в состояние ожидания, не использовав полностью выделенный им квант, повышается. Приоритет не изменяется, если нить вытеснена более приоритетной нитью.

Для того, чтобы обеспечить хорошее время реакции системы, алгоритм планирования использует наряду с квантованием концепцию абсолютных приоритетов. В соответствии с этой концепцией при появлении в очереди готовых нитей такой, у которой приоритет выше, чем у выполняющейся в данный момент, происходит смена активной нити на нить с самым высоким приоритетом.

Источник

Состояния потока

За время своего существования в системе поток может многократно находиться в одном из трех состояний:

· выполнение – активное состояние, во время которого поток обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

· готовность – пассивное состояние, поток заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами; в очередь готовых к выполнению попадает вновь созданный процесс;

· ожидание – пассивное состояние, находясь в котором поток заблокирован по своим внутренним причинам (ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода/вывода).

Возможные переходы между состояниями:

· Поток выбран на выполнение;

· Поток ожидает завершения ввода/вывода;

· Ввод/вывод завершен (событие произошло);

В состоянии выполнения в однопроцессорной системе может находиться не более одного потока, а в каждом из состояний ожидания и готовности – несколько потоков. Эти потоки организуются в очереди.

17. Планирование и диспетчеризация потоков, моменты перепланировки

На протяжении существования процесса выполнение его потоков может быть многократно прервано и продолжено. Переход от одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации.

Планирование включает в себя решение двух задач:

· определение момента времени для смены текущего активного потока;

· выбор для выполнения потока из очереди готовых потоков.

Планирование может быть динамическим (решения принимаются во время работы системы на основе анализа текущей ситуации) и статическим (решения приняты заранее, работа по расписанию).

Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования решения, то есть в переключении процессора с одного потока на другой.

Диспетчеризация сводится к следующему:

· сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить;

· загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования;

· запуск нового потока на выполнение.

Ситуации, когда необходимо планирование:

1) Время, отведенное активной задаче на выполнение, закончилось. Планировщик переводит задачу в состояние готовности и выполняет перепланирование.

2) Активная задача выполнила системный вызов, связанный с запросом на ввод/вывод или на доступ к ресурсу, который в настоящий момент занят. Планировщик переводит задачу в состояние ожидания и выполняет перепланирование.

3) Активная задача выполнила системный вызов, связанный с освобождением ресурса. Если есть, то она переводится из состояния ожидания в состояние готовность. Проверяются приоритеты готовых к выполнению задач.

4) Завершение периферийным устройством операции ввода/вывода переводит соответствующую задачу в очередь готовых, и выполняется планирование.

5) Внутреннее прерывание сигнализирует об ошибке, которая произошла в результате выполнения активной задачи. Планировщик снимает задачу и выполняет перепланирование.

18. Алгоритм планирования, основанный 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;

· 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. Чем больше квант, тем выше вероятность того, что потоки завершатся в результате первого же цикла выполнения, и тем менее явной становится зависимость времени ожидания потоков от их времени выполнения. При достаточно большом кванте алгоритм квантования вырождается в алгоритм последовательной обработки, присущий однопрограммным системам, при котором время ожидания задачи в очереди вообще никак не зависит от ее длительности.

19. Приоритетное планирование

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 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.

Рисунок 2. Приоритеты потоков в Windows NT

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 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.

20. Алгоритмы планирования ОС пакетной обработки: «первым пришел – первым обслужен», «кратчайшая задача – первая», «наименьшее оставшееся время выполнения»

В таких ОС критерием эффективности служит максимальная загрузка аппаратуры.

· FIFO. Процессам предоставляется доступ к процессору в том порядке, в котором они его запрашивают. Достоинства: простота реализации. Недостатки: если есть один процесс, ограниченный возможностями процессора, то они замедлят работу процесса.

· Наименьшее оставшееся время выполнения. Это версия предыдущего алгоритма с переключениями. В соответствии с этим алгоритмом планировщик каждый раз выбирает процесс с наименьшим оставшимся временем выполнения. В этом случае также необходимо заранее знать время выполнения задач. Когда поступает новая задача, ее полное время выполнения сравнивается с оставшимся временем выполнения текущей задачи. Если время выполнения новой задачи меньше, текущий процесс приостанавливается и управление передается новой задаче. Эта схема позволяет быстро обслуживать короткие запросы.

21. Алгоритмы планирования в интерактивных ОС: циклическое, приоритетное, гарантированное, лотерейное, справедливое планирование

Циклическое планирование. Самый простой алгоритм планирования и часто используемый. Каждому процессу предоставляется квант времени процессора. Когда квант заканчивается, процесс переводится планировщиком в конец очереди, а управление передается следующему за ним процессу.

· справедливость (как в очереди покупателей, каждому только по килограмму).

· слишком малый квант времени (по сравнению с временем переключения контекстов) приводит к частому переключению процессов и снижению производительности;

· слишком большой квант может привести к увеличению времени ответа на интерактивный запрос.

Приоритетное планирование. Каждому процессу присваивается приоритет, и управление передается процессу с самым высоким приоритетом. Обычно процессы объединяют по приоритетам в группы, и применяют приоритетное планирование среди групп, а внутри группы используют циклическое планирование.

Гарантированное планирование. ОС гарантирует существующим потокам, что они получат гарантированную справедливую часть процессорного времени. n потоков, 1/n частей процессорного времени каждому. Стс должна вести учет времени, получаемого каждым потоком, в момент перепланировки вычисляется отношение фактически получаемого воремени к времени гарантированному. На выполнение выбирается тот поток, у которого это отношение наименьшее.

Лотерейное планирование. Процессам раздаются «лотерейные билеты», дающие право доступа к ресурсам. Планировщик может выбрать любой билет случайным образом. Чем больше билетов у процесса, тем больше у него шансов захватить ресурс. Взаимодействующие процессы могут при необходимости обмениваться билетами.

Справедливое планирование.Учитывается принадлежность процессов пользователям, в отличие от других алгоритмов. Процессорное время делится между пользователями.

22. Алгоритм планирования Windows NT

· в очереди готовых появляется более приоритетная нить.

Планирование в ОС реального времени

ОС реального времени предназначены для управления различными техническими объектами или технологическими процессами. В таких системах мультипрограммная смесь обычно представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется по прерываниям (исходя из состояния управляемого объекта) или в соответствии с расписанием плановых работ. Критерий эффективности работы ОС реального времени – способность системы выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (реактивность системы).

Системы реального времени делятся на:

Внешние события, на которые система должна реагировать, делятся:

· периодические – начиная с момента первоначального запроса все будущие моменты возникновения задачи можно определить заранее;

· Статический: до запуска системы составляется расписание. Все решения сделаны заранее, во время выполнения реализуется это расписание;

· Динамический: работает после запуска системы, не имея предварительных сведений.

Источник

Мой клан: моды, читы, скины, текстуры, карты

алгоритм планирования реализованный в windows nt можно охарактеризовать как

8. Процессы и нити. Алгоритмы планирования

19) Опишите смешанный алгоритм планирования в ос Windows nt.

20)Перечислите события, требующие перераспределения процессорного времени и поясните действия планировщика ос в каждом случае.

21) Опишите моменты перепланировки в среде ос рв.

22)Как осуществляются диспетчеризация и учёт приоритетов прерываний в ос?

23) Как работает диспетчер прерываний?