Каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный поток исполняемых команд.
В многопользовательских системах, при каждом обращении к одному и тому же сервису, приходится создавать новый процесс для обслуживания клиента. Это менее выгодно, чем создать квазипараллельный поток внутри этого процесса с одним адресным пространством.
Сравнение многопоточной системы с однопоточной
Модель потока
С каждым потоком связывается:
• Счетчик выполнения команд
• Регистры для текущих переменных
• Стек
• Состояние
Потоки делят между собой элементы своего процесса:
• Адресное пространство
• Глобальные переменные
• Открытые файлы
• Таймеры
• Семафоры
•Статистическую информацию.
В остальном модель идентична модели процессов.
В POSIX и Windows есть поддержка потоков на уровне ядра.
В Linux есть новый системный вызов cloneдля создания потоков, отсутствующий во всех остальных версиях системы UNIX.
В POSIX есть новый системный вызов pthread_createдля создания потоков.
В Windows есть новый системный вызов Createthreadдля создания потоков.
Преимущества использования потоков
• Упрощение программы в некоторых случаях, за счет использования общего адресного пространства.
• Быстрота создания потока, по сравнению с процессом, примерно в 100 раз.
• Повышение производительности самой программы, т.к. есть возможность одновременно выполнять вычисления на процессоре и операцию ввода/вывода. Пример: текстовый редактор с тремя потоками может одновременно взаимодействовать с пользователем, форматировать текст и записывать на диск резервную копию.
Реализация потоков в пространстве пользователя, ядра и смешанное
А - потоки в пространстве пользователя
B - потоки в пространстве ядра
В случае Аядро о потоках ничего не знает. Каждому процессу необходима таблица потоков, аналогичная таблице процессов.
Преимущества случая А:
• Такую многопоточность можно реализовать на ядре не поддерживающим многопоточность
• Более быстрое переключение, создание и завершение потоков
• Процесс может иметь собственный алгоритм планирования.
Недостатки случая А:
• Отсутствие прерывания по таймеру внутри одного процесса
•При использовании блокирующего (процесс переводится в режим ожидания, например: чтение с клавиатуры, а данные не поступают) системного запроса все остальные потоки блокируются.
• Сложность реализации
Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора, то есть прерывание — это принудительная передача управления от выполняемой программы системе (а через нее — к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.
Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Структуры систем прерывания (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность — прерывание непременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.
Механизм обработки прерываний независимо от архитектуры вычислительной системы подразумевает выполнение некоторой последовательности шагов.
1. Установление факта прерывания (прием сигнала запроса на прерывание) и идентификация прерывания (в операционных системах идентификация прерывания иногда осуществляется повторно, на шаге 4).
2. Запоминание состояния прерванного процесса вычислений. Состояние процесса выполнения программы определяется, прежде всего, значением счетчика команд (адресом следующей команды, который, например, в i80x86 определяется регистрами CS и IP — указателем команды [1, 8, 48]), содержимым регистров процессора, и может включать также спецификацию режима (например, режим пользовательский или привилегированный) и другую информацию.
3. Управление аппаратно передается на подпрограмму обработки прерывания. В простейшем случае в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры — информация из слова состояния.
4. Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спасти на шаге 2 с помощью аппаратуры. В некоторых процессорах предусматривается запоминание довольно большого объема информации о состоянии прерванных вычислений.
5. Собственно выполнение программы, связанной с обработкой прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограммой, на которую было передано управление на шаге 3, но в операционных системах достаточно часто она реализуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы.
6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу (этап, обратный шагу 4).
На рисунке показано, что при возникновении запроса на прерывание естественный ход вычислений нарушается и управление передается на программу обработки возникшего прерывания.
При этом средствами аппаратуры сохраняется (как правило, с помощью механизмов стековой памяти) адрес той команды, с которой следует продолжить выполнение прерванной программы.
После выполнения программы обработки прерывания управление возвращается на прерванную ранее программу посредством занесения в указатель команд сохраненного адреса команды, которую нужно было бы выполнить, если бы не возникло прерывание.
Однако такая схема используется только в самых простых программных средах. В мультипрограммных операционных системах обработка прерываний происходит по более сложным схемам.
Главные функции механизма прерываний — это:
· распознавание или классификация прерываний;
· передача управления соответствующему обработчику прерываний;
· корректное возвращение к прерванной программе.
Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выполняться как можно быстрей. Одним из самых простых и быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе перед передачей управления обработчику прерываний содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом, либо в системном стеке (system stack).
Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние (синхронные).
Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса, например:
· прерывания от таймера;
· прерывания от внешних устройств (прерывания по вводу-выводу);
· прерывания по нарушению питания;
· прерывания с пульта оператора вычислительной системы;
· прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы. Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются следующие запросы на прерывания:
· при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);
· при наличии в поле кода операции незадействованной двоичной комбинации;
· при делении на ноль;
· вследствие переполнения или исчезновения порядка;
· от средств контроля (например, вследствие обнаружения ошибки четности, ошибок в работе различных устройств).
Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом процессоре, они могут возникать одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания.
Так, со всей очевидностью, прерывания от схем контроля процессора должны обладать наивысшим приоритетом (действительно, если аппаратура работает неправильно, то не имеет смысла продолжать обработку информации).
Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерывания.
Программное управление специальными регистрами маски (маскирование сигналов прерывания) позволяет реализовать различные дисциплины обслуживания.
· С относительными приоритетами, то есть обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высокими приоритетами. После окончания обслуживания данного запроса обслуживается запрос с наивысшим приоритетом. Для организации такой дисциплины необходимо в программе обслуживания данного запроса наложить маски на все остальные сигналы прерывания или просто отключить систему прерываний.
· С абсолютными приоритетами, то есть всегда обслуживается прерывание с наивысшим приоритетом. Для реализации этого режима необходимо на время обработки прерывания замаскировать все запросы с более низким приоритетом. При этом возможно многоуровневое прерывание, то есть прерывание программ обработки прерываний. Число уровней прерывания в этом режиме изменяется и зависит от приоритета запроса.
· По принципу стека, или, как иногда говорят, по дисциплине LCFS (Last Come First Served - последним пришел, первым обслужен), то есть запросы с более низким приоритетом могут прерывать обработку прерывания с более высоким приоритетом. Дли этого необходимо не накладывать маску ни на один из сигналов прерывания и не выключать систему прерываний.
