Глава 2. Управление задачами

Понятия процесса (process) и потока выполнения (thread) нам уже известны. Мы теперь знаем, в чем здесь имеется сходство, а в чем — существенное различие. Од­нако в данной главе при рассмотрении вопросов распределения процессорного времени мы не всегда будем разделять эти понятия. Дело в том, что по отношению к этому ресурсу — процессорному времени — оба этих понятия практически экви­валенты. Они выступают просто как некоторая работа, для выполнения которой необходимо предоставить центральный процессор. Поэтому мы будем в основном использовать термин задача (task), который является как бы обобщающим. Ведь каждый поток выполнения на самом деле получает статус задачи, и для него созда­ется соответствующий дескриптор. Но мы должны помнить о различиях между дескриптором процесса и дескриптором задачи. Даже если процесс состоит из един­ственного потока, мы говорим о дескрипторе процесса, содержащем информацию, с помощью которой операционная система отслеживает все ресурсы, необходи­мые процессу для его выполнения. Один из основных модулей супервизора опера­ционной системы — диспетчер задач — переводит процессы в одно из состояний в зависимости от того, доступен тот или иной ресурс или не доступен. И посколь­ку в мультизадачной системе любой процесс содержит хотя бы один поток, то по­току (то есть задаче) ставится в соответствие дескриптор задачи, в котором сохра­няется контекст этих вычислений. Сказанное справедливо для мультипрограммных систем, поддерживающих мультизадачный режим. В мультипрограммных систе­мах, не поддерживающих мультизадачность, контекст прерванного процесса хра­нится в дескрипторе этого процесса. Заметим, что повсеместно распространенные системы Windows 9x/NT/2000/XP являются и мультипрограммными, и мульти­задачными. Не случайно начиная с Windows NT и Windows 95 компания Microsoft отказалась от термина «задача» и стала использовать понятия процесса и потока выполнения (треда, нити). Правда, для изложения вопросов диспетчеризации это становится неудобным, ибо здесь чаще используется обобщающее понятие.

Еще одним доводом в пользу термина «задача» при рассмотрении вопросов ор­ганизации распределения процессорного времени между выполняющимися вы­числениями является аналогичный выбор этой сущности разработчиками про-

Управление задачами__________________________________________________ 51

цессоров. Именно для отображения этой ситуации и обеспечения дополнитель­ными возможностями системных программистов в решении вопросов распреде­ления процессорного времени они вводят специальные информационные струк­туры и аппаратную поддержку для работы с ними. Во многих современных микропроцессорах, предназначенных для построения на их основе мощных муль­типрограммных и мультизадачных систем, имеются дескрипторы задач. Приме­ром, подтверждающим этот тезис, являются микропроцессоры, совместимые с архитектурой ia32, то есть с 32-разрядными процессорами фирмы Intel. Основ­ные архитектурные особенности этих микропроцессоров, специально прорабо­танные для организации мультизадачных операционных систем, рассматрива­ются достаточно подробно в главе 4. Здесь мы лишь отметим тот факт, что в этих процессорах имеется специальная аппаратная поддержка организации мульти­задачного (и мультипрограммного) режима. Речь идет о сегменте состояния за­дачи (Task State Segment, TSS), который предназначен, прежде всего, для сохра­нения контекста потока или процесса и который легко позволяет организовать и мультипрограммный, и мультизадачный режимы. Не случайно был введен тер­мин «задача», ибо он здесь применим и по отношению к полноценному вычисли­тельному процессу, и по отношению к легковесному процессу (потоку выполне­ния, треду, нити). На самом деле этот аппаратный механизм применяется гораздо реже, чем об этом думали разработчики архитектуры ia32. На практике оказа­лось, что для сохранения контекста потоков эффективнее использовать программ­ные механизмы, хотя они и не обеспечивают такой же надежности, как аппарат­ные.

Итак, операционная система выполняет следующие основные функции, связан­ные с управлением процессами и задачами:

- создание и удаление задач;

- планирование процессов и диспетчеризация задач;

- синхронизация задач, обеспечение их средствами коммуникации.

Создание задачи сопряжено с формированием соответствующей информаци­онной структуры, а ее удаление — с расформированием. Создание и удаление задач осуществляется по соответствующим запросам от пользователей или от самих задач. Задача может породить новую задачу. При этом между задачами появляются «родственные» отношения. Порождающая задача называется «от­цом», «родителем», а порожденная — «потомком». Отец может приостановить или удалить свою дочернюю задачу, тогда как потомок не может управлять от­цом.

Процессор является одним из самых необходимых ресурсов для выполнения вы­числений. Поэтому способы распределения времени центрального процессора меж­ду выполняющимися задачами сильно влияют и на скорость выполнения отдель­ных вычислений, и на общую эффективность вычислительной системы.

Основным подходом в организации того или иного метода управления процесса­ми, обеспечивающего эффективную загрузку ресурсов или выполнение каких-либо иных целей, является организация очередей процессов и ресурсов. При распреде-

52__________________________________________ Глава 2. Управление задачами

лении процессорного времени между задачами также используется механизм оче­редей.

Решение вопросов, связанных с тем, какой задаче следует предоставить процес­сорное время в данный момент, возлагается на специальный модуль операцион­ный системы, чаще всего называемый диспетчером задач. Вопросы же подбора вычислительных процессов, которые не только можно, но и целесообразно решать параллельно, возлагаются на планировщик процессов.

Вопросы синхронизации задач и обеспечение их различными средствами переда­чи сообщений и данных между ними вынесены в отдельную главу, и сейчас мы их рассматривать не будем.

Планирование и диспетчеризация процессов и задач

Когда говорят о диспетчеризации, то всегда в явном или неявном виде подразуме­вают понятие задачи (потока выполнения). Если операционная система не под­держивает механизм потоковых вычислений, то можно заменять понятие задачи понятием процесса. Ко всему прочему, часто понятие задачи используется в таком контексте, что для его трактовки приходится использовать термин «процесс».

Очевидно, что на распределение ресурсов влияют конкретные потребности тех задач, которые должны выполняться параллельно. Другими словами, можно столк­нуться с ситуациями, когда невозможно эффективно распределять ресурсы с тем, чтобы они не простаивали. Например, пусть всем выполняющимся процессам тре­буется некоторое устройство с последовательным доступом. Но поскольку, как мы уже знаем, оно не может разделяться между параллельно выполняющимися про­цессами, то процессы вынуждены будут очень долго ждать своей очереди, то есть недоступность одного ресурса может привести к тому, что длительное время не будут использоваться многие другие ресурсы.

Если же мы возьмем такой набор процессов, что они не будут конкурировать меж­ду собой за неразделяемые ресурсы при своем параллельном выполнении, то, ско­рее всего, процессы смогут выполниться быстрее (из-за отсутствия дополнитель­ных ожиданий), да и имеющиеся в системе ресурсы, скорее всего, будут использоваться более эффективно. Таким образом, возникает задача подбора та­кого множества процессов, которые при своем выполнении будут как можно реже конфликтовать за имеющиеся в системе ресурсы. Такая задача называется плани­рованием вычислительных процессов.

Задача планирования процессов возникла очень давно — в первых пакетных опе­рационных системах при планировании пакетов задач, которые должны были вы­полняться на компьютере и по возможности бесконфликтно и оптимально исполь­зовать его ресурсы. В настоящее время актуальность этой задачи стала меньше. На первый план уже очень давно вышли задачи динамического (или краткосроч­ного) планирования, то есть текущего наиболее эффективного распределения ре­сурсов, возникающего практически по каждому событию. Задачи динамического

Планирование и диспетчеризация процессов и задач__________________________ 53

планирования стали называть диспетчеризацией¹. Очевидно, что планирование процессов осуществляется гораздо реже, чем текущее распределение ресурсов меж­ду уже выполняющимися задачами. Основное различие между долгосрочным и краткосрочным планировщиками заключается в частоте их запуска, например: крат­косрочный планировщик может запускаться каждые 30 или 100 мс, долгосрочный — один раз в несколько минут (или чаще; тут многое зависит от общей длительности решения заданий пользователей).

Долгосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящихся во вход­ной очереди, в случае освобождения ресурсов памяти должен быть переведен в очередь процессов, готовых к выполнению. Долгосрочный планировщик выбира­ет процесс из входной очереди с целью создания неоднородной мультипрограмм­ной смеси. Это означает, что в очереди готовых к выполнению процессов должны находиться в разной пропорции как процессы, ориентированные на ввод-вывод, так и процессы, ориентированные преимущественно на активное использование центрального процессора.

Краткосрочный планировщик решает, какая из задач, находящихся в очереди го­товых к выполнению, должна быть передана на исполнение. В большинстве совре­менных операционных систем, с которыми мы сталкиваемся, долгосрочный пла­нировщик отсутствует.

Планирование вычислительных процессов и стратегии планирования

Прежде всего, следует отметить, что при рассмотрении стратегий планирования, как правило, идет речь о краткосрочном планировании, то есть о диспетчериза­ции. Долгосрочное планирование, как мы уже отметили, заключается в подборе таких вычислительных процессов, которые бы меньше всего конкурировали меж­ду собой за ресурсы вычислительной системы. Иногда используется термин стра­тегия обслуживания.

Стратегия планирования определяет, какие процессы мы планируем на выполне­ние для того, чтобы достичь поставленной цели. Известно большое количество различных стратегий выбора процесса, которому необходимо предоставить про­цессор. Среди них, прежде всего, можно выбрать следующие:

- по возможности заканчивать вычисления (вычислительные процессы) в том же самом порядке, в котором они были начаты;

- отдавать предпочтение более коротким вычислительным задачам;

- предоставлять всем пользователям (процессам пользователей) одинаковые услуги, в том числе и одинаковое время ожидания.

¹ К сожалению, здесь наблюдается терминологическая несогласованность. Собственно модули супер­визора, отвечающие за диспетчеризацию задач, часто называют планировщиками (scheduler). Одна­ко фактически, говоря о тех же планировщиках памяти или о каких-нибудь других модулях, отвеча­ющих за динамическое распределение ресурсов, имеют в виду, что эти планировщики осуществляют диспетчеризацию. Наконец, иногда диспетчеризацию называют краткосрочным планированием.

54__________________________________________ Глава 2. Управление задачами

Когда говорят о стратегии обслуживания, всегда имеют в виду понятие процесса, а не понятие задачи, поскольку процесс, как мы уже знаем, может состоять из не­скольких потоков выполнения (задач).

На сегодняшний день абсолютное большинство компьютеров — это персональные IBM-совместимые компьютеры, работающие на платформах Windows компании Microsoft. Это однопользовательские диалоговые мультипрограммные и мульти­задачные системы. При создании операционных систем для персональных компь­ютеров разработчики, прежде всего, стараются обеспечить комфортную работу с системой, то есть основные усилия уходят на проработку пользовательского ин­терфейса. Что касается эффективности организации вычислений, то она, видимо, тоже должна оцениваться с этих позиций. Если же считать системы Windows опе­рационными системами общего назначения, что тоже возможно, ибо эти системы повсеместно используют для решения самых разнообразных задач автоматизации, то также следует признать, что принятые в системах Windows стратегии обслужи­вания приводят к достаточно высокой эффективности вычислений. Некоторым даже удается использовать системы Windows NT/2000 для решения задач реаль­ного времени. Однако выбор этих операционных систем для таких задач скорее всего делается либо вследствие некомпетентности, либо из-за невысоких требова­ний ко времени отклика и гарантиям обслуживания со стороны самих систем ре­ального времени, которые реализуются на Windows NT/2000.

Прежде всего, система, ориентированная на однопользовательский режим, долж­на обеспечить хорошую реакцию системы на запросы от того приложения, с кото­рым сейчас пользователь работает. Мало пользователей, которые могут параллель­но работать с большим числом приложений. Поэтому по умолчанию для задачи, с которой пользователь непосредственно работает и которую называют задачей пе­реднего плана (foreground task), система устанавливает более высокий уровень приоритета. В результате процессорное время прежде всего предоставляется теку­щей задаче пользователя, и он не будет испытывать лишний раз дискомфорт из-за медленной реакции системы на его запросы. Для обеспечения надлежащей работы коммуникационных процессов и для возможности выполнять системные функ­ции приоритет задач пользователя должен быть ниже, чем у тех задач, которые реализуют операции ввода-вывода и иные управляющие функции.

Например, в Windows 2000 можно открыть окно Свойства системы, перейти на вкладку Дополнительно, щелчком на кнопке Параметры быстродействия открыть од­ноименное окно и с помощью переключателя в разделе Отклик приложений уста­новить режим Оптимизировать быстродействие приложений. Это будет соответство­вать выбору такой стратегии диспетчеризации задач, в соответствии с которой приоритет на получение процессорного времени будут иметь задачи пользовате­ля, а не фоновые служебные вычисления. В предыдущей версии ОС — Windows NT 4.0 — для выбора нужной ему стратегии пользователь должен был на вкладке Быстродействие окна Свойства системы установить желаемое значение в поле Уско­рение приложения переднего плана. Это ускорение можно сделать максимальным (по умолчанию), а можно его свести к нулю. Последний вариант означал бы, что все запущенные пользователем приложения будут иметь одинаковый приори-

Планирование и диспетчеризация процессов и задач__________________________ 55

тет. Последнее важно, если пользователь часто запускает сразу по нескольку за­дач, каждая из которых требует длительных вычислений, причем эти приложе­ния часто используют операции ввода-вывода. Например, если нужно обрабо­тать несколько десятков музыкальных или графических файлов, причем каждый файл имеет большие размеры, то выполнение всей этой работы как множества параллельно исполняющихся задач будет завершено за меньшее время, если ука­зать стратегию равенства обслуживания. Должно быть очевидным, что любой другой вариант решения этой задачи потребует больше времени. Например, по­следовательное выполнение задач обработки каждого файла (то есть обработка следующего файла может начинаться только по окончании обработки предыду­щего) приведет к самому длительному варианту. Стратегия предоставления про­цессорного времени в первую очередь текущей задаче пользователя, которая установлена в системах Windows по умолчанию, приведет нас к промежуточно­му (по затратам времени) результату.

Очевидно, что в идеале в очереди готовых к выполнению задач должны находить­ся в разной пропорции как задачи, ориентированные на ввод-вывод, так и задачи, ориентированные преимущественно на работу с центральным процессором. Прак­тически все операционные системы стараются учесть это требование, однако не всегда оно выполняется настолько удачно, что пользователь получает превосход­ное время реакции системы на свои запросы и при этом видит, что его ресурсоем­кие приложения выполняются достаточно быстро.