Квантование и его использование в системах реального времени.

Квантование и его использование в системах реального времени.

Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как концепции квантования, так и приоритетов. К примеру, в базе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора потока из очереди готовых определяется приоритетами потоков. Именно так реализовано планирование в системе Windows NT, в которой квантование сочетается с динамическими абсолютными приоритетами. На выполнение выбирается готовый поток с наивысшим приоритетом. Ему выделяется квант времени. В случае если во время выполнения в очереди готовых появляется поток с более высоким приоритетом, то он вытесняет выполняемый поток. Вытесненный поток возвращается в очередь готовых, причем он становится впереди всœех остальных потоков имеющих такой же приоритет.

Для реализации алгоритма планирования ОС должна получать управление всякий раз, когда в системе происходит событие, требующее перераспределœения процессорного времени. К таким событиям бывают отнесены следующие:

Прерывание от таймера, сигнализирующее, что время, отведенное активной задаче на выполнение, закончилось. Планировщик переводит задачу в состояние готовности и выполняет перепланирование.

Активная задача выполнила системный вызов, связанный с запросом на ввод-вывод или на доступ к ресурсу, который в настоящий момент занят (к примеру, файл данных). Планировщик переводит задачу в состояние ожидания и выполняет перепланирование.

Активная задача выполнила системный вызов, связанный с освобождением ресурса. Планировщик проверяет, не ожидает ли данный ресурс какая-либо задача. В случае если да, то эта задача переводится из состояния ожидания в состояние готовности. При этом, возможно, что задача, которая получила ресурс, имеет более высокий приоритет, чем текущая активная задача. После перепланирования более приоритетная задача получает доступ к процессору, вытесняя текущую задачу.

Внешнее (аппаратное) прерывание, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сигнализирует о завершении периферийным устройством операции ввода-вывода, переводит соответствующую задачу в очередь готовых, и выполняется планирование.

Внутреннее прерывание сигнализирует об ошибке, которая произошла в результате выполнения активной задачи. Планировщик снимает задачу и выполняет перепланирование.

В системах реального времени, в которых главным критерием эффективности является обеспечение временных характеристик вычислительного процесса, планирование имеет особое значение. Любая система реального времени должна реагировать на сигналы управляемого объекта в течение заданных временных ограничений. Необходимость тщательного планирования работ облегчается тем, что в системах реального времени весь набор выполняемых задач известен заранее. Вместе с тем, часто в системе имеется информация о временах выполнения задач, моментах активизации, предельных допустимых сроках ожидания ответа и т. д. Эти данные бывают использованы планировщиком для создания статического расписания или для построения адекватного алгоритма динамического планирования.

При разработке алгоритмов планирования для систем реального времени крайне важно учитывать, какие последствия в этих системах возникают при несоблюдении временных ограничений. В случае если эти последствия катастрофичны, как, к примеру, для системы управления полетами или атомной электростанцией, то операционная система реального времени, на базе которой строится управление объектом, принято называть жесткой (hard). В случае если же последствия нарушения временных ограничений не столь серьезны, то есть сравнимы с той пользой, которую приносит система управления объектом, то система является мягкой (soft) системой реального времени. Примером мягкой системы реального времени является система резервирования билетов. В случае если из-за временных нарушений оператору не удается зарезервировать билет, это не очень страшно — можно просто послать запрос на резервирование заново.

 

Память

Как уже упоминалось выше, задержка на переключение контекста потока напрямую зависит от конфигурации памяти, т.е. от модели защиты памяти. Рассмотрим четыре наиболее распространенных в ОСРВ модели защиты памяти.

Модель без защиты – системное и пользовательское адресные пространства не защищены друг от друга, используется два сегмента памяти: для кода и для данных; при этом от системы не требуется никакого управления памятью, не требуется MMU (memory management unit – специальное аппаратное устройство для поддержки управления виртуальной памятью).

Модель защиты система/пользователь – системное адресное пространство защищено от адресного пространства пользователя, системные и пользовательские процессы выполняются в общем виртуальном адресном пространстве, при этом требуется MMU. Защита обеспечивается страничным механизмом защиты.

Различаются системные и пользовательские страницы. Пользовательские приложения никак не защищены друг от друга. Процессор находится в режиме супервизора, если текущий сегмент имеет уровень 0, 1 или 2. Если уровень сегмента – 3, то процессор находится в пользовательском режиме. В этой модели необходимы четыре сегмента – два сегмента на уровне 0 (для кода и данных) и два сегмента на уровне 3. Механизм страничной защиты не добавляет накладных расходов, т.к. защита проверяется одновременно с преобразованием адреса, которое выполняет MMU; при этом ОС не нуждается в управлении памятью.

Модель защиты пользователь/пользователь – к модели система/пользователь добавляется защита между пользовательскими процессами; требуется MMU. Как и в предыдущей модели, используется механизм страничной защиты. Все страницы помечаются как привилегированные, за исключением страниц текущего процесса, которые помечаются как пользовательские. Таким образом, выполняющийся поток не может обратиться за пределы своего адресного пространства. ОС отвечает за обновление флага привилегированности для конкретной страницы в таблице страниц при переключении процесса. Как и в предыдущей модели используются четыре сегмента.

Модель защиты виртуальной памяти – каждый процесс выполняется в своей собственной виртуальной памяти, требуется MMU. У каждого процесса имеются свои собственные сегменты и, следовательно, своя таблица описателей. ОС несет ответственность за поддержку таблиц описателей. Адресуемое пространство может превышать размеры физической памяти, если используется страничная организация памяти совместно с подкачкой. Однако в системах реального времени подкачка обычно не применяется из-за ее непредсказуемости. Для решения этой проблемы доступная память разбивается на фиксированное число логических адресных пространств равного размера. Число одновременно выполняющихся процессов в системе становится ограниченным.

Фундаментальное требование к памяти в системе реального времени заключается в том, что время доступа к ней должно быть ограничено (или, другими словами, предсказуемо). Прямым следствием становится запрет на использование для процессов реального времени техники вызова страниц по запросу (подкачка с диска). Поэтому системы, обеспечивающие механизм виртуальной памяти, должны уметь блокировать процесс в оперативной памяти, не допуская подкачки. Итак, подкачка недопустима в ОСРВ, потому что непредсказуема.

Если поддерживается страничная организация памяти (paging), соответствующее отображение страниц в физические адреса должно быть частью контекста процесса. Иначе опять появляется непредсказуемость, неприемлемая для ОСРВ. Для процессов, не являющихся процессами жесткого реального времени, возможно использование механизма динамического распределения памяти, однако при этом ОСРВ должна поддерживать обработку таймаута на запрос памяти, т.е. ограничение на предсказуемое время ожидания.

В обычных ОС при использовании механизма сегментации памяти для борьбы с фрагментацией применяется процедура уплотнения после сборки мусора. Однако такой подход неприменим в среде реального времени, т.к. во время уплотнения перемещаемые задачи не могут выполняться, что ведет к непредсказуемости системы. В этом состоит основная проблема применимости объектно-ориентированного подхода к системам реального времени. До тех пор, пока проблема уплотнения не будет решена, C++ и JAVA останутся не самым лучшим выбором для систем жесткого реального времени. В системах жесткого реального времени обычно применяется статическое распределение памяти.

В системах мягкого реального времени возможно динамическое распределение памяти, без виртуальной памяти и без уплотнения.

Планирование с переключением и без переключения

Планирование без переключения предусматривает, что после предоставления ресурсов ЦП какому-либо процессу, отобрать ЦП у этого процесса нельзя. Если же ресурсы ЦП можно отобрать, то говорят о планировании с переключением.

При использовании планирования без переключения коротким заданиям приходится больше ждать из-за выполнения длительных заданий, с другой стороны, для всех процессов создаются как бы равные условия, а времена ответа здесь более предсказуемы.

Планирование с переключением необходимо в системах, где процессы высокого приоритета требуют немедленного внимания, например в интерактивных системах разделения времени этот способ планирования позволяет гарантировать приемлемые времена ответа.

 

Приоритеты

Система может присваивать процессам приоритеты автоматически или они могут назначаться извне. Приоритеты могут быть заслуженными или купленными. Они могут быть статическими или динамическими. Они могут назначаться по какому-то рациональному принципу или присваиваться в ситуациях, когда системе просто необходимо каким-либо образом различать процессы.

Статические приоритеты не изменяются, такой механизм установки приоритетов достаточно прост и не сопряжен с большими издержками. Однако следует учитывать, что такой механизм недостаточно гибок, т.к. не реагирует на изменение окружающей ситуации.

Динамические приоритеты позволяют повысить реактивность системы, т.к. реагируют на изменения ситуации, и начальное значение приоритета процесса может быть изменено на новое, более подходящее значение.

Покупаемые приоритеты дают возможность пользователю повысить приоритет задания и получить более высокий уровень обслуживания за "дополнительную плату" (например, уменьшение кванта времени).

 

Алгоритмы планирования

Планирование по принципу FIFO (first-in-first-out)

Принцип FIFO, «первый пришедший обслуживается первым», является наиболее простой дисциплиной планирования. ЦП предоставляется процессам в порядке их прихода в очередь готовности.

После того, как процесс получает ЦП в свое распоряжение, он выполняется до завершения, т.е. это дисциплина планирования без переключения, поэтому ее не рекомендуют использовать в системах с разделением времени.

Статические алгоритмы

Примером такого алгоритма является алгоритм планирования со статическим расписанием. Он подразумевают, что расписание запуска задач составляется заранее, до старта системы. Планировщик лишь просто следует этому расписанию и не составляет его в ходе работы. Строго это относится, разумеется, только к периодическим задачам. Если же имеются еще и спорадические задачи, то планировщик, естественно, должен выбрать моменты времени запуска таких задач по ходу работы.

К преимуществам данного класса алгоритмов относят следующие обстоятельства:

• Исключительная простота, обусловленная отсутствием понятия "процесс"/"поток". Передача управления задаче — вызов подпрограммы
• Как следствие, результаты тестирований и поверок весьма надежны.

Благодаря этим качествам, алгоритмы именно этого типа чаще всего применяются там, где требуется высокая надежность (автопилоты и т.п.)

К недостаткам — следующие:

• Негибкость. Любое изменение (числа задач, времен исполнения и т.д.) требует останова системы и пересчета расписания.
• Планировщик фактически "отвязан" от внешного мира, так как работает по прерываниям от таймера. Учет спорадических задач довольно сложен.
• Размер таблицы с расписанием может оказаться большим при соответствующих соотношениях между периодами задач.

Динамические алгоритмы

Принцип работы планировщиков на основе приоритета задач состоит в том, что в каждый момент момент времени исполняется та задача, которая имеет наивысший приоритет. Различные виды планировщиков различаются правилами, в соответствии с которыми назначается приоритет. У работ одной и той же задачи может быть разный приоритет. В этом случае планировщик (или алгоритм) называется динамическим алгоритмом с динамическими приоритетами.

Рассмотрим 2 алгоритма динамического планирования с динамическими приоритетами

• EDF (earliest deadline first) — приоритет задачам назначается по принципу "в каждый момент времени наивысший приоритет имеет та задача, у которой осталось меньше всего времени до крайнего срока".
• LLF (least laxity first) — приоритет задачам назначается по принципу "в каждый момент времени наивысший приоритет имеет задача с наименьшим резервом времени (laxity)".
  Резервом (запасом) времени называется разность между временем, оставшимся до крайнего срока и временем, которое задаче еще нужно проработать

При этом имеются 2 модификации алгоритма EDF:

• с вытесненением задач
• без вытеснения задач

Под вытеснением имеется ввиду то, что если во время работы какой-то задачи возникает работа другой задачи с приоритетом выше, чем у работающей в данный момент, то управление передается вновь возникшей задаче.

При невытесняющем EDF задача всегда доделывает свою очередную работу до конца, независимо от того, появились ли во время работы этой задачи другие задачи с более высоким приоритетом или не появились.

Алгоритмы EDF и LLF считаются оптимальными для любого набора задач (периодические с любым соотношением между периодами и крайними сроками, спорадические) если:

• все задачи независимы
• возможно вытеснение
• вытеснение не требует временных затрат (что не соответствует реальному положению вещей)

Другим классом динамических алгоритмов являются динамические алгоритмы планирования со статическими приоритетами. Напомним, что принцип работы любого планировщика на основании приоритета состоит в том, что в каждый момент времени исполняется та задача, которая имеет наивысший приоритет. В случае динамических планировщиков со статическими приоритетами задач приоритет задачи, будучи однажды ей назначен, не изменяется с течением времени. Приводимые далее способы назначения приоритетов ориентированы на системы периодических задач.

Существует 2 распространенных способа назначения приоритетов:

• RMS (rate monotonic scheduling). Правило назначения приоритетов таково: чем меньше период задачи, тем выше у нее приоритет. Иными словами, чем чаще (отсюда rate) задача переходит в состояние готовности, тем ее приоритет выше.
• DMS (deadline monotonic scheduling). В этом алгоритме приоритеты назначаются по немного другому правилу: чем меньше относительный крайний срок задачи, тем выше ее приоритет.

Эти алгоритмы неоптимальны, так как при определенных условиях могут привести к превышению дедлайна, однако ввиду их относительной простоты именно они чаще используются в системах реального времени

 

Arinc-653

Стандарт ARINC-653 (Avionics Application Software Standard Interface) разработан компанией ARINC в 1997 г. Этот стандарт определяет универсальный программный интерфейс APEX (Application/Executive) между ОС авиационного компьютера и прикладным ПО. Требования к интерфейсу между прикладным ПО и сервисами операционной системы определяются таким образом, чтобы разрешить прикладному ПО контролировать диспетчеризацию, связь и состояние внутренних обрабатываемых элементов. В 2003 г. принята новая редакция этого стандарта. ARINC-653 в качестве одного из основных требований для ОСРВ в авиации вводит архитектуру изолированных (partitioning) виртуальных машин.

Osek

Стандарт OSEK/VDX является комбинацией стандартов, которые изначально разрабатывались в двух отдельных консорциумах, впоследствии слившихся. OSEK берет свое название от немецкого акронима консорциума, в состав которого входили ведущие немецкие производители автомобилей – BMW, Bosch, Daimler Benz (теперь Daimler Chrysler), Opel, Siemens и Volkswagen, а также университет в Карлсруэ (Германия). Проект VDX (Vehicle Distributed eXecutive) развивался совместными усилиями французских компаний PSA и Renault. Команды OSEK и VDX слились в 1994г.

Первоначально проект OSEK/VDX предназначался для разработки стандарта открытой архитектуры ОС и стандарта API для систем, применяющихся в автомобильной промышленности. Однако разработанный стандарт получился более абстрактным и не ограничивается использованием только в автомобильной индустрии.

Стандарт OSEK/VDX состоит из трех частей – стандарт для операционной системы (OS), коммуникационный стандарт (COM) и стандарт для сетевого менеджера (NM). В дополнение к этим стандартам определяется некий реализационный язык (OIL). Первым компонентом стандарта OSEK является стандарт для ОС, поэтому часто стандарт OSEK ошибочно воспринимается как стандарт ОСРВ. Хотя ОС и есть большая порция данного стандарта, мощность его состоит в интеграции всех его компонент.

 

29. Мультипроцессирование в СРВ.

Мультипрограммирование призвано повысить эффективность использования вычислительной системы [10, 17]. Однако эффективность может пониматься по -разному. Наиболее характерными показателями эффективности вычислительных систем являются:

· пропускная способность – количество задач, выполняемых системой в единицу времени;

· удобство работы пользователей, заключающихся, в частности, в том, что они могут одновременно работать в интерактивном режиме с несколькими приложениями на одной машине;

· реактивность системы – способность выдерживать заранее заданные (возможно, очень короткие) интервалы времени между запуском программы и получением конечного результата.

В зависимости от выбора одного из этих показателей эффективности ОС делятся на системы пакетной обработки, системы разделения времени и системы реального времени (некоторые ОС могут поддерживать одновременно несколько режимов).

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов [11]. Максимальная пропускная способность компьютера достигается в этом случае минимизацией простоев его устройств и прежде всего процессора. Для достижения этой цели пакет заданий формируется так, чтобы получающаяся мультипрограммная смесь сбалансированно загружала все устройства машины. Например, в такой смеси желательно присутствие задач вычислительного характера и с интенсивным вводом-выводом. Однако в этом случае трудно гарантировать сроки выполнения того или иного задания.

В благоприятных случаях общее время выполнения смеси задач меньше, чем суммарное время их последовательного выполнения. При этом времени выполнения отдельной задачи может быть затрачено больше, чем при монопольном ее выполнении (рис. 5.4).

В системах разделения времени пользователям (в частном случае – одному) предоставляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. Для этого каждое приложение должно регулярно получать возможность "общения" с пользователем. Эта проблема решается за счет того, что ОС принудительно периодически приостанавливает приложения, не дожидаясь, когда они "добровольно" освободят процессор.

Рис. 5.4. Иллюстрация эффекта мультипрограммирования

 

Всем приложениям попеременно выделяются кванты времени процессора, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог (рис. 5.5) со своего терминала. Если время кванта выбрано достаточно небольшим, то у всех пользователей складывается впечатление единоличной работы на машине.

Рис. 5.5. Система разделения времени

Системы реального времени предназначены для управления техническими объектами (спутник, ракета, атомные электростанции, станок, научная установка и др.), технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.), системами обслуживания разного рода (резервирование авиабилетов, оплата покупок и счетов и др.). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа управления объектом. В противном случае возможны нежелательные последствия вплоть до аварии.

Критерием эффективности ОС в этом случае является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата. Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство – реактивностью. Требования ко времени реакции зависят от специфики управляемого объекта или процесса. В системах реального времени мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ решения функциональных задач управления объектом или процессом. Выбор программы на выполнение осуществляется по прерываниям (исходя из текущего состояния объекта) или в соответствии с расписанием плановых работ.

В системе реального времени обычно закладывается запас вычислительной мощности на случай пиковой нагрузки, а также принимаются меры обеспечения высокой надежности работы системы (резервирование, дублирование, троирование с мажоритарным элементом и др.).

Интересная форма мультипрограммной работы связана с мультипроцессорной обработкой. Мультипроцессорная обработка – это способ организации вычислительного процесса в системе с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, потоков) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы. Концепция мультипроцессирования не нова, она известна с 70-х годов, однако стала доступной в широком масштабе лишь в последнее десятилетие, особенно с появлением многопроцессорных ПК (часто в качестве серверов ЛВС).

В отличие от мультипрограммной обработки, в мультипроцессорных системах несколько задач выполняется одновременно, т.к. имеется несколько процессоров. Однако это не исключает мультипрограммной обработки на каждом процессоре. При этом резко усложняются все алгоритмы управления ресурсами, т.е. операционная система. Современные ОС, как правило, поддерживают мультипроцессирование (Sun Solaris 2.x, Santa Cruz Operation Open Server 3.x, OS/2, Windows NT/2000/2003/XP, NetWare, начиная с версии 4.1 и др.).

Мультипроцессорные системы часто характеризуют как симметричные и как несимметричные. Эти термины относятся, с одной стороны, к архитектуре вычислительной системы, а с другой – к способу организации вычислительного процесса.

 

Симметричная архитектура мультипроцессорной системы предполагает однотипность и единообразие включения процессоров и большую разделяемую между этими процессорами память. Масштабируемость, т.е. возможность наращивания числа процессоров, в данном случае ограничена, т.к. все они используют одну и ту же оперативную память и, следовательно, должны располагаться в одном корпусе. В симметричных архитектурах вычислительных систем легко реализуется симметричное мультипроцессирование общей для всех процессоров операционной системой. При этом все процессоры равноправно участвуют и в управлении вычислительным процессом, и в выполнении прикладных задач. Разные процессоры могут в какой-то момент времени одновременно обслуживать как разные, так и одинаковые модули общей ОС. Для этого программы ОС должны быть реентерабельными (повторновходимыми).

Операционная система полностью децентрализована. Ее модули выполняются на любом доступном процессоре. Как только процессор завершает выполнение очередной задачи, он передает управление планировщику задач. Последний выбирает из общей для всех процессоров системной очереди задачу, которая будет выполняться на данном процессоре следующей.

В вычислительных системах с асимметричной архитектурой процессоры могут быть различными как по характеристикам (производительность, система команд), так и по функциональной роли в работе системы. Например, могут быть выделены процессоры для вычислений, ввода-вывода и др. Эта неоднородность ведет к структурным отличиям во фрагментах системы, содержащих разные процессоры (разные схемы подключения, наборы периферийных устройств, способы взаимодействия процессоров с устройствами и др.).

Масштабирование в таких системах реализуется иначе, поскольку отсутствует требование единого корпуса. Система может состоять из нескольких устройств, каждое из которых содержит один или несколько процессоров. Масштабирование в данном случае называют горизонтальным, а мультипроцессорную систему – кластерной. В кластерной системе может быть реализовано только асимметричное мультипроцессирование с организацией вычислительного процесса по принципу "ведущий – ведомый". Этот наиболее простой способ может быть использован и в вычислительных системах с симметричной архитектурой. В таких системах ОС работает на одном процессоре, который называется ведущим и организует централизованное управление вычислительным процессом и распределением всех ресурсов системы.

 

30. Параллельные и многонитевые структуры в системах РВ.

Многозадачность является важнейшим свойством современной ОС. Для поддержки этого свойства ОС определяет и оформляет для себя те внутренние единицы работы, между которыми и будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. Эти внутренние единицы работы в разных ОС носят разные названия – задача, задание, процесс, нить. В некоторых случаях сущности, обозначаемые этими понятиями, принципиально отличаются друг от друга.

Говоря о процессах, мы отмечали, что операционная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы – файлы, окна, семафоры и т.д. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы машины, конкурируют с друг другом. В общем случае процессы принадлежат разным пользователям, разделяющим один компьютер, и ОС берет на себя роль арбитра в спорах процессов за ресурсы.

При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем если бы он выполнялся в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса).

Однако задача, решаемая в рамках одного процесса, может обладать внутренним параллелизмом, который в принципе позволяет ускорить ее решение. Например, в ходе выполнения задачи происходит обращение к внешнему устройству, и на время этой операции можно не блокировать полностью выполнение процесса, а продолжить вычисления по другой «ветви» процесса.

Для этих целей современные ОС предлагают использовать сравнительно новый механизм – многонитевость (multithreading). При этом вводится новое понятие «нить» (thread), а понятие «процесс» в значительной степени меняет смысл.

Мультипрограммирование теперь реализуется на уровне нитей, и задача, оформленная в виде нескольких нитей в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет псевдопараллельного (или параллельного в мультипроцессорной системе) выполнения ее отдельных частей. Например, если электронная таблица была разработана с учетом возможностей многонитевой обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа и одновременно продолжать заполнять таблицу. Особенно эффективно можно использовать многонитевость для выполнения распределенных приложений, например, многонитевый сервер может параллельно выполнять запросы сразу нескольких клиентов.

Нити, относящиеся к одному процессу, не настолько изолированы друг от друга, как процессы в традиционной многозадачной системе, между ними легко организовать тесное взаимодействие. Действительно, в отличие от процессов, которые принадлежат разным, вообще говоря, конкурирующим приложениям, все нити одного процесса всегда принадлежат одному приложению, поэтому программист, пишущий это приложение, может заранее продумать работу множества нитей процесса таким образом, чтобы они могли взаимодействовать, а не бороться за ресурсы.

В традиционных ОС понятие «нить» тождественно понятию «процесс». В действительности часто бывает желательно иметь несколько нитей, разделяющих единое адресное пространство, но выполняющихся квазипараллельно, благодаря чему нити становятся подобными процессам (за исключением разделяемого адресного пространства).

Нити иногда называют облегченными процессами или мини-процессами. Действительно, нити во многих отношениях подобны процессам. Каждая нить выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Нити, как и процессы, могут, например, порождать нити-потомки, могут переходить из состояния в состояние. Подобно традиционным процессам (то есть процессам, состоящим из одной нити), нити могут находится в одном из следующих состояний: ВЫПОЛНЕНИЕ, ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ. Пока одна нить заблокирована, другая нить того же процесса может выполняться. Нити разделяют процессор так, как это делают процессы, в соответствии с различными вариантами планирования.

Однако различные нити в рамках одного процесса не настолько независимы, как отдельные процессы. Все такие нити имеют одно и то же адресное пространство. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждая нить может иметь доступ к каждому виртуальному адресу, одна нить может использовать стек другой нити. Между нитями нет полной защиты, потому что, во-первых, это невозможно, а во-вторых, не нужно.

Все нити одного процесса всегда решают общую задачу одного пользователя, и аппарат нитей используется здесь для более быстрого решения задачи путем ее распараллеливания. При этом программисту очень важно получить в свое распоряжения удобные средства организации взаимодействия частей одной задачи. Кроме разделения адресного пространства, все нити разделяют также набор открытых файлов, таймеров, сигналов и т.п.

Итак, нити имеют собственные: программный счетчик;стек; регистры; нити-потомки; состояние.

Нити разделяют: адресное пространство; глобальные переменные; открытые файлы; таймеры; семафоры; статистическую информацию.

Многонитевая обработка повышает эффективность работы системы по сравнению с многозадачной обработкой. Например, в многозадачной среде Windows можно одновременно работать с электронной таблицей и текстовым редактором. Однако, если пользователь запрашивает пересчет своего рабочего листа, электронная таблица блокируется до тех пор, пока эта операция не завершится, что может потребовать значительного времени. В многонитевой среде в случае, если электронная таблица была разработана с учетом возможностей многонитевой обработки, предоставляемых программисту, этой проблемы не возникает, и пользователь всегда имеет доступ к электронной таблице.

Широкое применение находит многонитевая обработка в распределенных системах. Некоторые прикладные задачи легче программировать, используя параллелизм, например задачи типа «писатель-читатель», в которых одна нить выполняет запись в буфер, а другая считывает записи из него. Поскольку они разделяют общий буфер, не стоит их делать отдельными процессами.

Другой пример использования нитей – это управление сигналами, такими как прерывание с клавиатуры (del или break). Вместо обработки сигнала прерывания, одна нить назначается для постоянного ожидания поступления сигналов. Таким образом, использование нитей может сократить необходимость в прерываниях пользовательского уровня. Важно не параллельное выполнение, а ясность программы.

В мультипроцессорных системах для нитей из одного адресного пространства имеется возможность выполняться параллельно на разных процессорах. Правильно сконструированные программы, которые используют нити, должны работать одинаково хорошо как на однопроцессорной машине в режиме разделения времени между нитями, так и на настоящем мультипроцессоре.

 

31. Виды изменения хода выполнения программы

Особенностью активной отладки является возможность изменения выполнения задачи.

• Изменение данных.

Отладчик имеет возможность изменять значения переменных, содержимое регистров и памяти. Это позволяет корректировать выполнение задачи, проверяя предположения об ошибках в ее коде.

• Продолжение выполнения задачи с любого адреса.

Пользователь может потребовать продолжить выполнение задачи с другого адреса (например, обходя критический участок кода).

• Продолжение выполнения задачи до некоторого адреса.

В этом случае ставится временная точка прерывания на нужный адрес, и задача выполняется, пока этот адрес не будет достигнут. Как и в случае с обычной точкой прерывания, отладчик обеспечивает установку временной точки прерывания на начало строки исходного текста, на конкретный адрес или на точку входа некоторой функции. Однако, помимо этого отладчик может ставить временную точку прерывания на адрес возврата текущей функции, реализуя выполнение задачи вплоть до завершения этой функции.

Механизм установки временной точки прерывания используется и в режиме пошаговой отладки. Тогда точка прерывания ставится на следующую исполняемую инструкцию или (в случае отладки без захода в вызываемые функции) на инструкцию, следующую за вызовом функции.

• Возврат из функции.

Может возникнуть ситуация, когда пользователю понадобится завершить выполнение функции с определенным возвращаемым значением. В этом случае отладчик выполняет следующие действия:

1. Приведение заданного пользователем значения к типу возвращаемого значения этой функции.
2. Восстановление сохраненных регистров.
3. Установка возвращаемого значения в требуемую область памяти/регистр.
4. Установка указателя стека на предыдущий кадр.
5. Установка точки выполнения программы на адрес возврата заданной функции.
6. Уничтожение текущего кадра стека.

Описывая отладочные действия, стоит упомянуть об инструментальной системе ЭСКОРТ ([27]), созданной в Научно-исследовательском институте системных исследований РАН как средство повышения производительности труда профессиональных программистов. Основу ЭСКОРТа составляет интегрированная система редактирования - компиляции - выполнения.

Программы в ЭСКОРТе имеют нетекстовое представление. Более точно, все программные объекты представлены как объекты базы данных. Средствами БД ЭСКОРТа реализовано хранение предыдущих состояний объектов (и, в частности, значений переменных), откатка, "откатка откатки" и т.п., что позволяет дать в руки программисту мощные средства контролируемого выполнения (пошаговое, с контролем значений переменных, обратное и т.д.). Правда, на сего