Операционные системы можно классифицировать с точки зрения критериев эффективности и стратегий использования центрального процессора. Можно выделить три основных класса операционных систем: пакетные операционные системы, системы разделения времени и системы реального времени. Остановимся на каждой из них поподробнее.
Пакетная операционная система — это система, критерием эффективности функционирования которой минимизация потерь работы центрального процессора. Иными словами, отношение всего времени работы процессора ко времени исполнения пользовательских программ должно быть близко к единице. Традиционно пакетные системы предназначались для решения расчетных задач, т.е. задач, требующие определенного объема времени работы процессора. Как следует из названия, эти системы оперируют термином пакет программ.
Пакет программ — это некоторая совокупность программ, которые необходимо обработать системе. Особенность пакетных систем прослеживается в стратегии переключения выполнения процессов на процессоре. Переключение выполнения процессов происходит только по одной из трех причин.
Первая причина — завершение выполнения процесса (в силу успешного перехода на точку завершения программы или же в силу возникновения ошибки).
Вторая причина — обращение к внешнему устройству с целью осуществить обмен, т.е. возникновение прерывания по вводу-выводу, поскольку операция обмена так или иначе требует какого-то минимального интервала времени.
И, наконец, третья причина — фиксация факта зацикливания. В принципе точно определить факт зацикливания программы сложно, но все-таки возможно. На практике зачастую под фактом зацикливания считают исчерпание процессорного времени (положим, полтора часа).
Очевидно, что переключение процессов в подобных системах происходит лишь по необходимости, а это означает, что происходит редкое обращение к функции ОС смены контекстов обрабатываемых процессов, что ведет к максимальному снижению накладных расходов. В подобных системах степень полезной загрузки процессора составляет от 90% и выше.
Следующая модель — система разделения времени. Данная модель может рассматриваться как развитие модели пакетных систем. В дополнение ко всем свойствам пакетных систем необходимо добавить дополнительную характеристику. Для каждого процесса в системе определяется квант процессорного времени, который может быть единовременно использован процессом. Под квантом времени центрального процессора понимается некоторый фиксированный ОС промежуток времени работы процессора. Соответственно, переключение процессов происходит по тем же причинам, что и в пакетных системах (завершение процесса, возникновение прерывания, фиксация факта зацикливания), но необходимо добавить еще одну причину — исчерпался выделенный квант времени.
Критерием эффективности подобных систем служит вовсе не загрузка процессора, а время отклика системы на запрос пользователя (положим, если пользователь набирает текст в текстовом редакторе, т.е. будет важно, что набранные им только что символы отображались на экране достаточно быстро, иначе работать с системой ему будет неудобно). Очевидно, что в подобных системах происходит частая смена контекстов, что связано с большими накладными расходами. В подобных системах эффективность может составлять порядка 30–40%, а, соответственно, 60–70% будут составлять накладные расходы.
Варьируя размерами кванта времени, можно получать системы для решения тех или иных задач. Увеличивая квант времени до некоторого среднего размера (порядка нескольких секунд), можно получить пакетную систему, ориентированную на обработку отладочных программ. А если увеличить размер кванта до бесконечности, получится пакетная система в чистом виде.
Еще один класс систем представляют операционныесистемы реального времени. Это специализированные системы, которые предназначены для функционирования в рамках вычислительных систем, обеспечивающих управление и взаимодействие с различными технологическими процессами. При разработке подобных систем фиксируется некоторый набор событий, при возникновении любого из которых гарантируется обработка этого события за некоторый промежуток времени, не превосходящий определенного предельного значения.
Для иллюстрации можно привести следующий пример. Рассмотрим процесс кипячения молока. Если емкость с молоком постоянно нагревать, то через некоторое время оно начинает кипеть, а еще через некоторый достаточно короткий период оно «убегает» (после чего вообще начинает подгорать). Процесс кипячения молока можно автоматизировать, если в сосуд с молоком поместить датчик температуры, который снимает текущее значение температуры молока и передает это значение компьютеру. Соответственно, ставится задача «поймать» момент фиксации температуры кипения молока, причем среагировать необходимо за некоторый фиксированный промежуток времени. Если реакция произойдет, положим, через минуту, то молоко «убежит», и, соответственно, польза от такой системы будет минимальной. Таким образом, имеется фиксированный период времени, в течение которого компьютер должен снять показания датчика, определить, не достигнута ли точка кипения молока, и в случае кипения выключить подогрев сосуда с молоком.
Сфер применения систем реального времени в жизни очень много. Выделяют различные группы систем реального времени (жесткого времени, мягкого времени и пр.), но основной принцип их функционирования одинаков и подобен тому, который был проиллюстрирован выше.
И, в заключение, кратко остановимся на рассмотрении сетевых и распределенных операционных систем. Как уже отмечалось выше, одиночные однопроцессорные системы уходят в прошлое, и во многих случаях процессорный элемент или компьютерный элемент рассматривается как составляющая многопроцессорных или многомашинных ассоциаций. И с этой точки зрения операционные системы можно разделить на две категории.
В первую категорию можно отнести т.н. сетевые ОС. Сетевая операционная система — это система, обеспечивающая функционирование и взаимодействие вычислительной системы в пределах сети. Это означает, что сетевая ОС устанавливается на каждом компьютере сети и обеспечивает функционирование распределенных приложений, т.е. тех приложений, реализация функций которых распределена по разным компьютерам сети. Примеров можно привести достаточно много. Так, почтовая приложение может быть распределенным: есть функции перемещения, есть сервер-получатель, есть клиентская часть, обеспечивающая интерфейс работы пользователя с указанным сервером.
Рис. 67. Структура сетевой ОС.
Вторую категорию составляют распределенные ОС. Распределенной операционной системой считается система, функционирующая на многопроцессорном или многомашинном комплексе, при этом на каждой машине функционирует отдельное ядро, а сама система обеспечивает реализацию распределенных возможностей ОС (т.н. сервисы или услуги). Примером распределенных функций может служить функция управления заданиями (напомним, что в кластерных системах задание может представлять собою целое множество процессов, и ставится задача распределить эти процессы по имеющимся процессорным узлам). Другим примером может служить распределенная файловая система: традиционная файловая система ОС Unix просто не справится с потоками информации между узлами многопроцессорных систем, поэтому необходимы принципиально новые решения организации хранения и доступа к файлам.
Рис. 68. Структура распределенной ОС.
Управление процессами
Основные концепции
Выше уже встречалось понятие процесса и некоторые его определения. Итак, под процессом понимается совокупность машинных команд и данных, обрабатываемая в вычислительной системе и обладающая правами на владение некоторым набором ресурсов ВС. Также уже говорилось, что ресурсы могут декларироваться посредством различных стратегий, причем ресурс может эксклюзивно принадлежать одному единственному процессу, а может быть разделяемым, когда доступ к нему могут иметь два и более процесса.
Также ранее отмечалось, что одной из функций логического блока управления процессами ОС является функция поддержания жизненного цикла процесса. Жизненный цикл процесса — это те этапы, через которые может проходить процесс в ходе своей обработки и исполнении в рамках вычислительной системы. В реальности жизненный цикл процесса представляет собою характеристику конкретной операционной системы.
Выделим следующие типовые этапы жизненного цикла процесса:
- образование (порождение или формирование) процесса,
- исполнение процесса на процессоре,
- ожидание постановки процесса на исполнение — обычно это ожидание какого-либо события: ожидание окончания обмена, ожидание выделения ресурса центрального процессора и пр.,
- завершение процесса — важный этап, связанный с возвратом процессом принадлежащих ему ресурсов.