Презентация Операционные системы. Управление центральным процессором и объединение ресурсов онлайн

Содержание слайда: Операционные системы Управление центральным процессором и объединение ресурсов

Содержание слайда: Управление центральным процессором… Общие аспекты

Содержание слайда: Общие аспекты Контекст процесса, переключение контекста Дисциплины обслуживания Модели многопоточности

Содержание слайда: Контекст процесса Контекст – хранит состояние регистров, состояние программного счетчика, режим работы процессора, незавершенные операции ввода-вывода, информация о выполненных системных вызовах. Для хранения информации, необходимой для совершения операции над процессом, используется структура данных PCB (Process Control Block – блок управления процессом). Конкретный состав PCB зависит ОС и обычно содержит: регистровый контекст процессора – все регистры и программный счетчик; системный контекст процессора (контекст ядра ОС). Кроме того к контексту процесса относят пользовательский контекст процесса, который включает код и данные, находящиеся в адресном пространстве процесса.

Содержание слайда: Process Control Block

Содержание слайда: Переключение контекста Переключение процессора с выполнения команд одного потока на выполнение команд другого называют переключением контекста.

Содержание слайда: Вопрос Как Вы думаете какое влияние оказывает частое переключение контекста на производительность системы? Почему?

Содержание слайда: Переключение контекста и производительность системы Время, затраченное на переключение контекста, не используется вычислительной системой для совершения полезной работы и представляет собой накладные расходы, снижающие производительность системы. Оно меняется от машины к машине и обычно находится в диапазоне от 1 до 1000 микросекунд. Чем чаще происходит переключение контекста, тем система более реактивна, но при этом обладает меньшей пропускной способностью, т.к. чаще происходит переключение контекста.

Содержание слайда: Сопутствующие факторы, влияющие на производительность При переключении контекста происходят аппаратные действия, влияющие на производительность: очистка конвейера команд и данных процессора; очистка TLB, отвечающего за страничное отображение линейных адресов на физические. Кроме того, следует учесть следующие факты, влияющие на состояние системы: содержимое кэша (особенно кэша 1-го уровня) накопленное и «оптимизированное» под выполнение одного потока оказывается совершенно неприменимым к новому потоку, на который происходит переключение; при переключении контекста, на поток, который до этого долгое время не использовался, многие страницы могут физически отсутствовать в оперативной памяти, что порождает подгрузку вытесненных страниц из вторичной памяти.

Содержание слайда: Методы снижения ресурсоемкости переключения контекста Использование многопоточности при переключении контекста между потоками одного процесса, регистр CR3 не меняется и содержимое TLB сохраняется Размещение ядра ОС в адресном пространстве пользовательского процесса при переключении контекста между user-space и kernel-space (и обратно), что, например, происходит при выполнении системных вызовов, регистр CR3 не меняется и содержимое TLB сохраняется Минимизация перемещения потоков при диспетчеризации в SMP-системе улучшается эффективность работы кэша 2-го уровня Оптимизация восстановления контекста потока под операции с регистрами общего назначения реальное сохранение/восстановление контекста регистров сопроцессора плавающей точки и MMX/SSE контекст происходит при первом обращении нового потока

Содержание слайда: Классификация дисциплин обслуживания (1)

Содержание слайда: Классификация дисциплин обслуживания (2) Бесприоритетные дисциплины – выбор из очереди производится без учета относительной важности задач и времени их обслуживания. Приоритетное обслуживание – отдельным задачам предоставляется преимущественное право перейти в состояние ВЫПОЛНЕНИЯ. Фиксированные приоритеты – являются величиной постоянной на всем жизненном цикле процесса. Динамические приоритеты – изменяются в зависимости от некоторых условий в соответствии с определенными правилами. Для реализации динамических приоритетов необходимы дополнительные затраты, но их использование предполагает более справедливое распределение процессорного времени между процессами.

Содержание слайда: Линейные бесприоритетные дисциплины FCFS (First-Come, First-Served) обслуживание процессов в порядке поступления SJF (Shortest-Job-First) обслуживание самого короткого процесса первым без прерывания при поступлении более короткого процесса SRTF (Shortest-Remaining-Time-First) обслуживание самого короткого процесса первым с прерыванием при поступлении процесса более короткого, чем остаток выполняющегося

Содержание слайда: First-Come, First-Served (очередь) FCFS (или FIFO) – самая простая дисциплина обслуживания, в соответствии с которой процессы получают доступ к процессору в порядке поступления. FCFS – реализует невытесняющую многозадачность. (с) 2004 Deitel & Associates, Inc.

Содержание слайда: Пример FCFS – Вариант 1

Содержание слайда: Пример FCFS – Вариант 2

Содержание слайда: Shortest Job First Эффект, продемонстрированный примерами FSFS, носит название эффекта сопровождения (convoy effect) – увеличение среднего времени ожидания процессов в случаях, если короткий процесс обслуживается после долгого процесса. Для решения этой проблемы появилась стратегия Shortest Job First (SJF, обслуживание самого короткого задания первым) – стратегия диспетчеризации процессора, при которой процессор предоставляется в первую очередь наиболее короткому процессу из имеющихся в системе.

Содержание слайда: Пример SJF

Содержание слайда: Shortest-Remaining-Time-First Обслуживание самого короткого процесса первым. Если приходит новый процесс, время активности которого меньше, чем оставшееся время активного процесса, – прерывание активного процесса. Достоинство – сокращение среднего времени ожидания. Недостаток – прерывание активного процесса будет приводить к дополнительным издержкам, связанным со сменой контекста процессора.

Содержание слайда: Пример SRTF

Содержание слайда: Квантование времени (1) Квантование времени (или Round Robin) – бесприоритетная циклическая дисциплина обслуживания: каждый процесс (поток) получает небольшой квант процессорного времени, обычно – 10-100 миллисекунд; после того, как это время закончено, процесс прерывается и помещается в конец очереди готовых. (с) 2004 Deitel & Associates, Inc.

Содержание слайда: Квантование времени (2) Квантование времени реализует вытесняющую многозадачность – если всего n процессов в очереди готовых к выполнению, и квант времени – q, то каждый процесс получает 1/n процессорного времени порциями самое большее по q единиц за один раз. Ни один процесс не ждет больше, чем (n-1)q единиц времени. (с) 2004 Deitel & Associates, Inc.

Содержание слайда: Производительность квантования времени если q велико, то стратегия фактически эквивалентна стратегии FCFS; если q мало, то q должно быть большим, чем время переключения контекста процессора, иначе слишком велики окажутся накладные расходы на переключения с одного процесса на другой.

Содержание слайда: Многоуровневая очередь Поскольку процессы в системе могут иметь различную специфику (например, пакетные и интерактивные), то на практике в ОС очередь готовых процессов может быть разделена на две очереди (по сути это уже 2 уровня приоритетов):  основная (интерактивные процессы); фоновая (пакетные процессы). Каждая очередь имеет свой собственный алгоритм диспетчеризации: основная – квантование времени; фоновая – FCFS.

Содержание слайда: Виды диспетчеризации между очередями При данной смешанной стратегии необходима также диспетчеризация между очередями, т.е. стратегия выбора процессов из той или иной очереди. Различаются следующие виды диспетчеризации между очередями: с фиксированным приоритетом  – обслуживание всех процессов из основной очереди, затем – из фоновой. При этом имеется вероятность «голодания» фоновых процессов. выделение отрезка времени – каждая очередь получает некоторый отрезок времени ЦП, который она может распределять между процессами; например, 80% на основную очередь; 20% на фоновую очередь.

Содержание слайда: Пример многоуровневой очереди

Содержание слайда: Модели многопоточности Многие к одному (Many-to-One) Несколько потоков пользовательского уровня отображаются в один поток ядра (многопоточность на уровне пользователя) Один к одному (One-to-One) Каждый поток пользовательского уровня отображается в один поток ядра (однопоточность или многопоточность на уровне ядра) – Windows 2000+ Многие ко многим (Many-to-Many) Несколько потоков пользовательского уровня могут отображаться в несколько потоков ядра (комбинация 2-х предыдущих вариантов) – Solaris, Windows 2000+ (fibers)

Содержание слайда: Многопоточность на уровне пользователя можно реализовать в ОС, не поддерживающей потоки без каких-либо изменений в ОС; высокая производительность, поскольку процессу не нужно переключаться в режим ядра и обратно; управление потоками возлагается на программу пользователя, которая может использовать собственные алгоритмы планирования потоков с учетом их специфики.

Содержание слайда: Многопоточность на уровне ядра возможно планирование работы нескольких потоков одного и того же процесса на нескольких процессорах; реализуется мультипрограммирование в рамках всех процессов (в том числе одного); при блокировании одного из потоков процесса ядро может выбрать другой поток этого же (или другого процесса); процедуры ядра могут быть многопоточными.