Проектирование гипотетической операционной системы

 

В таблице 2.2 предлагается перечень основных системных вызовов ОС для управления процессами.

Таблица 2.2

Название вызова	Параметры	Возвращаемый результат	Описание
FindPName	pname	true/false	Проверка существования процесса
KillP	PID	отсутствует	Уничтожение процесса
DoP	PID	отсутствует	Перевод процесса в состояние выполнения
WaitP	PID	отсутствует	Перевод процесса в состояние ожидания
ReadyP	PID	отсутствует	Перевод процесса в состояние готовности
CheckRes	Res	true/false	Проверка занятости ресурса для запуска процесса

 

Продолжение таблицы 2.2

PIPE	fd	fd[0], fd[1]	Возвращение дескрипторов чтения и записи (соответственно в fd [0] и fd [1]) для данного канала
POpen	name	0/-1	Создание именованного канала
DelPIPE	dscr	0/-1	Удаление именованного канала
WritePIPE	dscr, addr	0/-1	Записи в именованный канал
ReadPIPE	dscr, addr	0/-1	Чтение с именованного канала
ShmGet	size	addr/-1	Создание новой области памяти, распределяется
ShmAt	id, addr	addr/-1	Присоединение области памяти, распределяется в виртуальное адресное пространство процесса

 

2.3 Диаграмма состояний  процессов

 

В многозадачной компьютерной системе процессы могут находиться в разных состояниях, которые показаны на рисунке 2.1. Как видно, некоторые процессы сохраняются в памяти, а другие — в виртуальной памяти.

Рисунок 2.1 - Диаграмма состояний процесса

 

Когда процесс создается впервые, он попадает в положение «создан» или «новый». В этом состоянии он ожидает входа в состояние «готов». В таком состоянии процесс может быть воспринят или отложен долгосрочным планировщиком.

«Готов» процесс уже загружен в оперативную память и ожидает выполнения центральным процессором (контекстное переключение будет осуществлено диспетчером или краткосрочным планировщиком).

«Запущенный» есть тот процесс, который в данный момент выполняется центральным процессором. Если процесс исчерпает отведенный ему интервал времени, операционная система переключит контекст процесса снова в состояние «готов». Переключение контекста также может произойти когда процесс завершится или когда от будет блокирован требуя некоторого ресурса (например ввода / вывода) и тогда он будет перемещен в положение «блокирован».

Если процесс «блокируется» на ресурсе (файле, семафоре, устройстве и т.п.), он будет отстранен от процессора (поскольку процесс не может продолжать исполнение) и переведен в блокированное состояние. Процесс будет оставаться «заблокированным» пока соответствующий ресурс не станет доступен. О разблокировании ресурса сообщает операционная система (о доступности ресурса сама операционная система сообщается с помощью прерывания). Только операционная система узнает, что процесс разблокирован, он переводится в состояние «готов», с которого он может быть переведен в состояние «исполняемый», в котором он сможет использовать заново доступный ресурс.

Процесс может завершиться либо когда он в состоянии «исполняемый» и завершит свое выполнение, либо когда он будет явно «снят» по команде оператора. В обоих случаях процесс переходит в состояние «завершен». Если процесс не будет устранен из памяти после завершения, это состояние называется "зомби".

В системах, которые поддерживают виртуальную память, процесс может быть выгружен из основной памяти и помещен в виртуальную память среднесрочным планировщиком. Оттуда процесс может быть выгружен в состояние «ожидающий».

Процессы, которые являются заблокированными, могут также быть выгружены. В этом случае процесс «заблокирован и ожидающий» и может быть выгружен в тех же случаях, что и «выгружен и ожидающий» процесс (хотя в этом случае процесс будет в блокированном состоянии и может все еще ожидать, пока ресурс станет доступным).

 

2.4 Приоритеты процессов 

 

Приоритет – это параметр, который характеризует степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем высший приоритет (низшее значение приоритету), тем выше привилегии.

В проектируемой системе необходимо реализовать абсолютные и статические приоритеты.

Появление процесса с высшим абсолютным приоритетом при отсутствии свободных ресурсов приводит к захвату ресурсов у менее приоритетных процессов. Например, вытеснение менее приоритетного процесса на процессоре из оперативной памяти во внешнюю.

Статический приоритет – это приоритет, который не изменяется за весь жизненный цикл, он не изменяет свои значения по ходу выполнения процессов. Такой приоритет устанавливается и изменятся только пользователем. Статические приоритеты система только учитывает в своей работе

 

2.5 Выбор дисциплины обслуживания  планировщика процессов. Алгоритм  работы планировщика процессов  в соответствии с выбранной  дисциплины обслуживания.

 

В данном проекте в качестве дисциплины обслуживания планировщика процессов является приоритетное планирование по вытеснению. Алгоритм работы планировщика показан на рисунке 2.2.

Принцип приоритетного обслуживания такой: каждый процесс имеет приоритет (в данном случае абсолютный), характеризующий степень привилегированности при использовании ресурсов.

Выбор процесса на выполнение осуществляется из очереди готовых процессов (выбирается процесс с наивысшим приоритетом). Время выполнения процесса равна его CPU burst (необходимое время выполнения), однако процесс с относительным приоритетом может покинуть процессор, если в очереди готовых процессов появился процесс с абсолютным приоритетом.

входная информация: отсутствует

исходная информация: отсутствует

{

выполнять пока (не выбран один из процессов)

{

для (каждого процесса из очереди готовых к выполнению)

если есть возможность выбрать процесс с абсолютным приоритетом;

иначе выбрать процесс с наибольшим приоритетом;

если (один из процессов не может быть избран для выполнения)

приостановить машину;

/* Машина выходит из  состояния простоя по прерыванию

если в очереди появляется процесс с абсолютным приоритетом то

приостановить выбранный приоритет */

}

удалить выбранный процесс из очереди готовых процессов;

}

Рисунок 2.2 - Алгоритм работы планировщика процессов

 

Пусть в очередь процессов, находящихся в состоянии готовность, поступают процессы и им присвоены приоритеты (таблица 2.3).

Таблица 2.3

Процесс	Время появления в очереди	Продолжительность процесса	Приоритет
p0	0	5	4
p1	2	2	3
p2	7	7	2
p3	0	5	1

Во всех наших примерах мы будем предполагать, что большее значение соответствует меньшему приоритету, т. е. наиболее приоритетным в нашем примере является процесс p3, а наименее приоритетным – процесс p0. Первым начнет исполняться процесс p3, а по его окончании – процесс p1. Однако в момент времени t = 7 он будет вытеснен процессом p2 и продолжит свое выполнение только в момент времени t = 14. Последним будет исполняться процесс p0. Пример предоставления процессора процессам в случае вытесняющего приоритетного планирования отображено в таблице 2.4.

Таблица 2.4.

Время

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

p0

Г

Г

Г

Г

Г

Г

Г

Г

Г

Г

Г

Г

Г

Г

И

И

И

И

И

p1

Г

Г

Г

И

Г

Г

Г

Г

Г

Г

Г

И

p2

И

И

И

И

И

И

И

p3

И

И

И

И

И

В рассмотренном выше примере приоритеты процессов с течением времени не изменялись. Такие приоритеты принято называть статическими. Механизмы статической приоритетности легко реализовать, и они сопряжены с относительно небольшими издержками на выбор наиболее приоритетного процесса. Однако статические приоритеты не реагируют на изменения ситуации в вычислительной системе, которые могут сделать желательной корректировку порядка исполнения процессов.

 

2.6 Межпроцессное взаимодействие

 

Взаимодействие между процессами — это механизм передачи данных, который позволяет операционной системе и запущенным в ней процессам следить за своим состоянием и корректно выполняться. Существуют различные типы межпроцессных взаимодействий. К ним относятся каналы, именованные каналы, сообщения, обменники, общие области оперативной памяти, распределяемая память, отображаемая память и семафоры. В данном курсовом проекте необходимо разработать такие средства межпроцессного взаимодействия, как каналы, именованные каналы, а также распределяемая память.

 

2.6.1 Каналы, именованные каналы

 

Программный канал в операционных системах представляет собой одно из средств взаимодействия между процессами с ограниченным объемом. Каналы позволяют передавать данные между процессами в порядке поступления FIFO («первым пришел — первым ушел»), а также синхронизировать выполнение процессов. Их использование дает процессам возможность взаимодействия между собой даже в случае, когда неизвестный процесс на другом конце канала. Традиционная реализация каналов использует файловую систему для хранения данных. Различают два вида каналов: именованные каналы и неименованные каналы, которые идентичны между собой во всем, кроме способа первоначального обращения к ним процессов. Для именованных каналов процессы используют системную функцию open, а неименованные используют pipe. Впоследствии, при работе с каналами процессы пользуются обычными системными функциями для файлов, такими как read, write и close. Разделять доступ к неименованным каналам могут только связанные процессы, которые являются потомками того процесса, который вызвал функцию pipe. Алгоритм реализации функции создания неименованного канала представлен на рисунке 2.3.

pipe (int w, int r)

{

i = 0; j = 0;

пока (i <количество процессов)

{

если (process [i]. pid == w)

{

j = 0;

пока (j <количество процессов)

{

если (process [j]. ppid == process [i]. pid && process [j]. pid == r)