Андрей Робачевский - Операционная система UNIX

UNIX является многозадачной системой, а это значит, что одновременно выполняются несколько приложений. Очевидно, что приложения предъявляют различные требования к системе с точки зрения их планирования и общей производительности. Можно выделить три основных класса приложений:

□ Интерактивные приложения . К этому классу относятся командные интерпретаторы, текстовые редакторы и другие программы, непосредственно взаимодействующие с пользователем. Такие приложения большую часть времени обычно проводят в ожидании пользовательского ввода, например, нажатия клавиш клавиатуры или действия мышью. Однако они должны достаточно быстро обрабатывать такие действия, обеспечивая комфортное для пользователя время реакции. Допустимая задержка для таких приложений составляет от 100 до 200 миллисекунд.

□ Фоновые приложения . К этому классу можно отнести приложения, не требующие вмешательства пользователя. Примерами таких задач могут служить компиляция программного обеспечения и сложные вычислительные программы. Для этих приложений важно минимизировать суммарное время выполнения в системе, загруженной другими процессами, порожденными, в частности, интерактивными задачами. Более того, предпочтительной является ситуация, когда интерактивные приложения не оказывают существенного влияния на среднюю производительность задач данного класса.

□ Приложения реального времени . Хотя система UNIX изначально разрабатывалась как операционная система разделения времени, ряд приложений требуют дополнительных системных возможностей, в частности, гарантированного времени совершения той или иной операции, времени отклика и т.п. Примером могут служить измерительные комплексы или системы управления. Видеоприложения также могут обладать определенными ограничениями на время обработки кадра изображения.

Планирование процессов построено на определенном наборе правил, исходя из которых планировщик выбирает, когда и какому процессу предоставить вычислительные ресурсы системы. При этом желательным является удовлетворение нескольких требований, например, минимальное время отклика для интерактивных приложений, высокая производительность для фоновых задач и т.п. Большинство из этих требований не могут быть полностью удовлетворены одновременно, поэтому в задачу планировщика процессов входит нахождение "золотой середины", обеспечивающей максимальную эффективность и производительность системы в целом.

В этом разделе мы рассмотрим основные принципы и механизмы планирования в традиционных UNIX-системах. Начнем с обработки прерываний таймера, поскольку именно здесь инициируются функции планирования и ряд других действий, например, отложенные вызовы (callout) и алармы (alarm).

Каждый компьютер имеет аппаратный таймер или системные часы, которые генерируют аппаратное прерывание через фиксированные интервалы времени. Временной интервал между соседними прерываниями называется тиком процессора или просто тиком (CPU tick, clock tick). Как правило, системный таймер поддерживает несколько значений тиков, но в UNIX это значение обычно устанавливается равным 10 миллисекундам, хотя это значение может отличаться для различных версий операционной системы. Большинство систем хранят это значение в константе HZ, которая определена в файле заголовков . Например, для тика в 10 миллисекунд значение HZустанавливается равным 100.

Обработка прерываний таймера зависит от конкретной аппаратной архитектуры и версии операционной системы. Мы остановимся на принципах обработки прерываний, общих для большинства систем. Обработчик прерываний ядра вызывается аппаратным прерыванием таймера, приоритет которого обычно самый высокий. Таким образом, обработка прерывания должна занимать минимальное количество времени. В общем случае, обработчик решает следующие задачи:

□ Обновление статистики использования процессора для текущего процесса

□ Выполнение ряда функций, связанных с планированием процессов, например пересчет приоритетов и проверку истечения временного кванта для процесса

□ Проверка превышения процессорной квоты для данного процесса и отправка этому процессу сигнала SIGXCPUв случае превышения

□ Обновление системного времени (времени дня) и других связанных с ним таймеров

□ Обработка отложенных вызовов (callout)

□ Обработка алармов (alarm)

□ Пробуждение в случае необходимости системных процессов, например диспетчера страниц и свопера

Часть перечисленных задач не требует выполнения на каждом тике. Большинство систем вводят нотацию главного тика (major tick), который происходит каждые n тиков, где n зависит от конкретной версии системы. Определенный набор функций выполняется только на главных тиках. Например, 4.3BSD производит пересчет приоритетов каждые 4 тика, a SVR4 обрабатывает алармы и производит пробуждение системных процессов раз в секунду.

Отложенный вызов определяет функцию, вызов которой будет произведен ядром системы через некоторое время. Например, в SVR4 любая подсистема ядра может зарегистрировать отложенный вызов следующим образом:

int co_ID = timeout(void (*fn)(), caddr_t arg, long delta);

где fn()определяет адрес функции, которую необходимо вызвать, при этом ей будет передан аргумент arg, а сам вызов будет произведен через deltaтиков.

Ядро производит вызов fn()в системном контексте, таким образом функция отложенного вызова не должна обращаться к адресному пространству текущего процесса (поскольку не имеет к нему отношения), а также не должна переходить в состояние сна.

Отложенные вызовы применяются для выполнения многих функций, например:

□ Выполнение ряда функций планировщика и подсистемы управления памятью

□ Выполнение ряда функций драйверов устройств для событий, вероятность ненаступления которых относительно велика. Примером может служить модуль протокола TCP, реализующий таким образом повторную передачу сетевых пакетов по тайм-ауту

□ Опрос устройств, не поддерживающих прерывания

Заметим, что функции отложенных вызовов выполняются в системном контексте, а не в контексте прерывания. Вызов этих функций выполняется не обработчиком прерывания таймера, а отдельным обработчиком отложенных вызовов, который запускается после завершения обработки прерывания таймера. При обработке прерывания таймера система проверяет необходимость запуска тех или иных функций отложенного вызова и устанавливает соответствующий флаг для них. В свою очередь обработчик отложенных вызовов проверяет флаги и запускает необходимые в системном контексте.