3. Как правило, контекст потоков меньше, чем контекст процессов, а значит, время переключения между задачами-потоками меньше, чем между задачами-процессами.
4. Так как все потоки, а иногда и само ядро РВ размещаются в одном ЕХЕмодуле, значительно упрощается использование программ-отладчиков (debugger).
3.1.2. Недостатки потоков
1. Как правило, потоки не могут быть подгружены динамически. Чтобы добавить новый поток, необходимо провести соответствующие изменения в исходных текстах и перекомпилировать приложение. Процессы, в отличие от потоков, подгружаемы, что позволяет динамически изменять функции системы в процессе ее работы. Кроме того, так как процессам соответствуют отдельные программные модули, они могут быть разработаны различными компаниями, чем достигается дополнительная гибкость и возможность использования ранее наработанного ПО.
2. То, что потоки имеют доступ к областям данных друг друга, может привести к ситуации, когда некорректно работающий поток способен испортить данные другого потока. В отличие от этого процессы защищены от взаимного влияния, а попытка записи в «не свою» память приводит, как правило, к возникновению специального прерывания по обработке «исключительных ситуаций». Реализация механизмов управления процессами и потоками, возможность их взаимного сосуществования и взаимодействия определяются конкретным ПО РВ.
3.2. Основные свойства задач
Как правило, вся важная, с точки зрения операционной системы, информация о задаче хранится в унифицированной структуре данных управляющем блоке (Task Control Block, TCB). В блоке хранятся такие параметры, как имя и номер задачи, верхняя и нижняя границы стека, ссылка на очередь сообщений, статус задачи, приоритет и т. п.
Приоритет - это некое целое число, присваиваемое задаче и характеризующее ее важность по сравнению с другими задачами, выполняемыми в системе. Приоритет используется в основном планировщиком задач для определения того, какая из готовых к работе задач должна получить управление. Различают системы с динамической и статической приоритетностью. В первом случае приоритет задач может меняться в процессе исполнения, в то время как во втором приоритет задач жестко задается на этапе разработки или во время начального конфигурирования системы.
Контекст задачи - это набор данных, содержащий всю необходимую информацию для возобновления выполнения задачи с того места, где она была ранее прервана. Часто контекст хранится в ТСВ и включает в себя такие данные, как счетчик команд, указатель стека, регистры СРU и FPU и т. п. Планировщик задач в случае необходимости сохраняет контекст текущей активной задачи и восстанавливает контекст задачи, назначенной к исполнению. Такое переключение контекстов и является, по сути, основным механизмом ОС РВ при переходе от выполнения одной задачи к выполнению другой.
Состояние (статус) задачи. С точки зрения операционной системы, задача может находиться в нескольких состояниях. Число и название этих состояний различаются от одной ОС к другой. По-видимому, наибольшее число состояний задачи определено в языке Ada. Тем не менее практически в любой ОС РВ загруженная на выполнение задача может находиться, по крайней мере, в трех состояниях.
1. Активная задача - это задача, выполняемая системой в текущей момент времени.
2. Готовая задача - это задача, готовая к выполнению и ожидающая у планировщика своей «очереди».
3. Блокированная задача - это задача, выполнение которой приостановлено до наступления определенных событий. Такими событиями могут быть освобождение необходимого задаче ресурса, поступление ожидаемого сообщения, завершение интервала ожидания и т. п.
Пустая задача (Idle Task) - это задача, запускаемая самой операционной системой в момент инициализации и выполняемая только тогда, когда в системе нет других готовых для выполнения задач. Пустая задача запускается с самым низким приоритетом и, как правило, представляет собой бесконечный цикл «ничего не делать». Наличие пустой задачи предоставляет операционной системе удобный механизм отработки ситуаций, когда нет ни одной готовой к выполнению задачи.
Многократный запуск задач. Как правило, многозадачные ОС позволяют запускать несколько копий одной и той же задачи. При этом для каждой такой копии создается свой ТСВ и выделяется своя область памяти. В целях экономии памяти может быть предусмотрено совместное использование одного и того же исполняемого кода для всех запущенных копий. В этом случае программа должна обеспечивать повторную входимость (реентерабельность). Кроме того, программа не должна использовать временные файлы с фиксированными именами и должна корректно осуществлять доступ к глобальным ресурсам.
Реентерабельность (повторная входимость) означает возможность без негативных последствий временно прервать выполнение какой-либо функции или подпрограммы, а затем вызвать эту функцию или подпрограмму снова. Частным проявлением реентерабельности является рекурсия, когда тело подпрограммы содержит вызов самой себя. Классическим примером нереентерабельной системы является DOS, а типичной причиной нереентерабельности служит использование глобальных переменных. Предположим, что у нас есть функция, реализующая низкоуровневую запись на диск, и пусть она использует глобальную переменную write_sector, которая устанавливается в соответствии с параметром, передаваемым этой функции при вызове. Предположим теперь, что Задача А вызывает эту функцию с параметром 3, то есть хочет записать данные в сектор номер 3. Допустим, что когда переменная write_sector уже равна 3, но сама запись еще не произведена, выполнение Задачи А прерывается и начинает выполняться Задача В, котораявызывает ту же функцию, но с аргументом 10. После того как запись в сектор номер 10 будет произведена, управление рано или поздно вернется к Задаче А, которая продолжит работу с того же места. Однако, так как переменная write_sector имеет теперь значение 10, данные Задачи А, предназначавшиеся для сектора номер 3, будут вместо этого записаны в сектор номер 10. Из приведенного примера видно, что ошибки, связанные с нереентерабельностью, трудно обнаружить, а последствия они могут вызвать самые катастрофические.
3.3. Планирование задач
Важной частью любой ОС РВ является планировщик задач. Несмотря на то, что в разных источниках он может называться по-разному (диспетчер задач, супервизор и т. п.), его функции остаются теми же: определить, какая из задач должна выполняться в системе в каждый конкретный момент времени. Самым простым методом планирования, не требующим никакого специального ПО и планировщика как такового, является использование циклического алгоритма в стиле round robin:
void main (void)
{
for (;;) {
task0();
task1();
task2();
/* и т. д. */
}
Каждая «задача», представляющая собой отдельную подпрограмму, выполняется циклически. При этом надо придерживаться следующих правил:
1. Подпрограммы не должны содержать циклов ожидания в стиле
while (TRUE) {
if (switch_up()) {
lamp_off();
break;
2. Подпрограммы должны выполнять свою работу как можно быстрее, чтобы дать возможность работать следующей подпрограмме.
3. При необходимости подпрограмма может сохранять свое окружение и текущие результаты, чтобы в следующем цикле возобновить работу с того же места. Можно отметить следующие преимущества циклического алгоритма.
1. Простота использования и прозрачность для понимания.
2. Если исключить из рассмотрения прерывания, система полностью детерминирована. Задачи всегда вызываются в одной и той же последовательности, что позволяет достаточно просто произвести анализ «наихудшего случая» и вычислить максимальную задержку.
3. Минимальные размеры кода и данных. Кроме того, в отличие от алгоритмов с вытеснением, для всех задач необходим только один стек.
4. Отсутствуют ошибки, обусловленные «гонками».
К недостаткам циклического алгоритма можно отнести отсутствие приоритетности и очередей. К тому же задачи вызываются независимо от того, должны ли они в данный момент чтолибо делать или нет, а на прикладного программиста ложится максимальная ответственность за работоспособность системы.
Перейдем теперь к другому широко используемому алгоритму планирования. Речь пойдет о режиме разделения времени. Существуют различные реализации в рамках этого алгоритма, и некоторые западные специалисты даже различают такие в общем-то идентичные для нас понятия, как timeslicing и time-sharing. Как правило, алгоритм реализуется следующим образом: каждой задаче отводится определенное количество квантов времени (обычно кратно 1 мс), в течение которых задача может монопольно занимать процессорное время. После того как заданный интервал времени истекает, управление передается следующей готовой к выполнению задаче, имеющей наивысший приоритет. Та, в свою очередь, выполняется в течение отведенного для нее промежутка времени, после чего все повторяется в стиле round robin. Легко заметить, что такой алгоритм работы может привести к определенным проблемам. Представим, что в системе работают 7 задач, 3 из которых имеют высокий приоритет, а 4 - низкий. Низкоприоритетные задачи могут никогда не получить управление, так как три высокоприоритетные задачи будут делить все процессорное время между собой. Единственную возможность для низкоприоритетных задач получить управление предоставляет ситуация, когда все высокоприоритетные задачи находятся в блокированном состоянии.
Для решения этой проблемы применяется прием, получивший название равнодоступность (fairness). При этом реализуется принцип адаптивной приоритетности, когда приоритет задачи, которая выполняется слишком долго, постепенно уменьшается, позволяя менее приоритетным задачам получить свою долю процессорного времени. Равнодоступность применяется главным образом в многопользовательских системах и редко применяется в системах реального времени.
Кооперативная многозадачность - это еще один алгоритм переключения задач, с которым широкие массы компьютерной общественности знакомы по операционной системе Windows 3.х. Задача, получившая управление, выполняется до тех пор, пока она сама по своей инициативе не передаст управление другой задаче. По сути это продолжение идеологии round robin, и нет нужды объяснять, почему алгоритм кооперативной многозадачности в чистом виде мало применяется в системах реального времени.
Страницы: 1, 2, 3, 4
