Архитектура операционной системы UNIX

Бах Морис Дж.

Если процессы должны выполняться на главном процессоре, желательно, чтобы главный процессор обрабатывал их как можно скорее и не заставлял их ждать своей очереди чересчур долго. Похожая мотивировка приводится в объяснение выгрузки процесса из памяти в однопроцессорной системе после выхода из системной функции с освобождением соответствующих ресурсов для выполнения более насущных счетных операций. Если в тот момент, когда подчиненный процессор делает запрос на исполнение системной функции, главный процесс выполняется в режиме задачи, его выполнение будет продолжаться до следующего переключения контекста. Главный процессор

реагировал бы гораздо быстрее, если бы подчиненный процессор устанавливал при этом глобальный флаг; проверяя установку флага во время обработки очередного прерывания по таймеру, главный процессор произвел бы в итоге переключение контекста максимум через один таймерный тик. С другой стороны, подчиненный процессор мог бы прервать работу главного и заставить его переключить контекст немедленно, но данная возможность требует специальной аппаратной реализации.

алгоритм schedule_process (модифицированный)

входная информация: отсутствует

выходная информация: отсутствует

{

 do while (для запуска не будет выбран один из процессов) 

{

if (работа ведется на главном процессоре)

for (всех процессов в очереди готовых к выполнению)

выбрать процесс, имеющий наивысший приоритет среди загруженных в память;

else /* работа ведется на подчиненном процессоре */

for (тех процессов в очереди, которые не нуждаются в главном процессоре)

выбрать процесс, имеющий наивысший приоритет среди загруженных в память;

if (для запуска не подходит ни один из процессов)

не загружать машину, переходящую в состояние простоя; /* из этого состояния машина выходит в результате прерывания */

 }

 убрать выбранный процесс из очереди готовых к выполнению;

 переключиться на контекст выбранного процесса, возобновить его выполнение;

}

Рисунок 12.3. Алгоритм диспетчеризации

алгоритм syscall /* исправленный алгоритм вызова системной функции */

входная информация: код системной функции

выходная информация: результат выполнения системной функции

{

 if (работа ведется на подчиненном процессоре)

 {

переустановить значение поля идентификации процессора в соответствующей записи таблицы процессов;

произвести переключение контекста;

 }

 выполнить обычный алгоритм реализации системной функции;

 перенастроить значение поля идентификации процессора, чтобы оно указывало

на "любой" (подчиненный);

 if (на главном процессоре должны выполняться другие процессы)

произвести переключение контекста;

}

Рисунок 12.4. Алгоритм обработки обращения к системной функции

Программа обработки прерываний по таймеру на подчиненном процессоре следит за периодичностью перезапуска процессов, не допуская монопольного использования процессора одной задачей. Кроме того, каждую секунду эта программа выводит подчиненный процессор из состояния бездействия (простоя). Подчиненный процессор выбирает для выполнения процесс с наивысшим приоритетом среди тех процессов, которые не нуждаются в главном процессоре.

Единственным местом, где целостность структур данных ядра еще подвергается опасности, является алгоритм диспетчеризации, поскольку он не предохраняет от выбора процесса на выполнение сразу на двух процессорах. Например, если в конфигурации имеется один главный процессор и два подчиненных, не исключена возможность того, что оба подчиненных процессора выберут для выполнения в режиме задачи один и тот же процесс. Если оба процессора начнут выполнять его параллельно, осуществляя чтение и запись, это неизбежно приведет к искажению содержимого адресного пространства процесса.

Избежать возникновения этой проблемы можно двумя способами. Во-первых, главный процессор может явно указать, на каком из подчиненных процессоров следует выполнять данный процесс. Если на каждый процессор направлять несколько процессов, возникает необходимость в сбалансировании нагрузки (на один из процессоров назначается большое количество процессов, в то время как другие процессоры простаивают). Задача распределения нагрузки между процессорами ложится на главное ядро. Во-вторых, ядро может проследить за тем, чтобы в каждый момент времени в алгоритме диспетчеризации принимал участие только один процессор, для этого используются механизмы, подобные семафорам.

12.3 СЕМАФОРЫ

Поддержка системы UNIX в многопроцессорной конфигурации может включать в себя разбиение ядра системы на критические участки, параллельное выполнение которых на нескольких процессорах не допускается. Такие системы предназначались для работы на машинах AT amp;T 3B20A и IBM 370, для разбиения ядра использовались семафоры (см. [Bach 84]). Нижеследующие рассуждения помогают понять суть данной особенности. При ближайшем рассмотрении сразу же возникают два вопроса: как использовать семафоры и где определить критические участки.

Как уже говорилось в главе 2, если при выполнении критического участка программы процесс приостанавливается, для защиты участка от посягательств со стороны других процессов алгоритмы работы ядра однопроцессорной системы UNIX используют блокировку. Механизм установления блокировки:

выполнять пока (блокировка установлена) /* операция проверки */

 приостановиться (до снятия блокировки);

установить блокировку;

механизм снятия блокировки: