Необходимость свопинга
Три основных состояния процессов, описанные в предыдущем разделе (готовый, выполняющийся и блокированный), позволяют смоделировать поведение процессов и получить представление о реализации операционной системы. Многие операционные системы разработаны на основе только этих трех состояний.
Можно привести "убедительные аргументы в пользу добавления в модель и других состояний. Чтобы понять, какие выгоды могут дать эти новые состояния, рассмотрим систему, не использующую виртуальную память, в которой каждый процесс перед выполнением нужно загрузить в основную память. Таким образом, все процессы, представленные на рис. 3.5,6, должны находиться в основной памяти.
Теперь вспомним, что причиной разработки всех этих схем послужило более медленное, по сравнению с вычислениями, выполнение операций ввода-вывода, приводящее к простоям процессора в однозадачной системе. Однако организация работы в соответствии со схемой, помещенной на рис. 3.5,6, полностью эту проблему не решает. Конечно, при работе в соответствии с такой моделью в памяти находится несколько процессов, и пока одни процессы ожидают окончания операций ввода-вывода, процессор может перейти к выполнению других процессов. Но процессор работает настолько быстрее выполнения операций ввода-вывода, что вскоре все находящиеся в памяти процессы оказываются в состоянии ожидания. Таким образом, процессор может простаивать даже в многозадачной системе.
Что же делать? Можно увеличить емкость основной памяти, чтобы в ней помещалось больше процессов. Но в таком подходе есть два недостатка. Во-первых, это ведет к резкому повышению стоимости памяти системы в пересчете на один бит. Во-вторых, аппетит программиста в использовании памяти для своих программ возрастает пропорционально падению ее стоимости, так что увеличение объема памяти приводит к увеличению размера процессов, а не к росту их числа.
Другим решением проблемы является свопинг, который включает в себя перенос части процессов из основной памяти на диск. Если в основной памяти нет ни одного готового к выполнению процесса, операционная система переносит один из блокированных процессов на диск (осуществляет его свопинг), помещая его в очередь приостановленных процессов, которые временно извлечены из основной памяти. Затем операционная система загружает другой процесс из очереди приостановленных, после чего продолжает его выполнение.
Тем не менее свопинг сам по себе является операцией ввода-вывода, поэтому есть риск ухудшить ситуацию, вместо того чтобы улучшить ее. Однако благодаря тому что обмен информацией с диском обычно происходит быстрее прочих операций ввода-вывода (например, запись-считывание с ленты или вывод на принтер), свопинг чаще всего повышает производительность работы системы в целом.
Если в модель поведения процессов ввести описанный свопинг, то нам придется ввести и новое состояние — состояние приостановленного процесса (рис. 3.6,о). Когда все процессы в основной памяти находятся в блокированном состоянии, операционная система может приостановить процесс, переведя его в приостановленное состояние и сбросив на диск. Освободившееся в основной памяти пространство можно будет использовать для загрузки другого процесса.
б) С двумя приостановленными состояниями
Рис. 3.6. Диаграмма переходов с учетом приостановленных процессов
После того как операционная система выгрузила один из процессов на диск, у нее есть две возможности выбора процесса для загрузки в основную память: она может либо создать новый процесс, либо загрузить процесс, который был приостановлен перед этим. Может показаться, что лучше было бы загрузить для обработки ранее приостановленный процесс, что не приведет к увеличению нагрузки на систему.
Однако это не совсем так. Все процессы перед тем как они были приостановлены, находились в блокированном состоянии. Ясно, что возвращение в память блокированного процесса не даст никаких результатов, потому что он по-прежнему не готов к выполнению. Вспомним также, что каждый процесс в приостановленном состоянии блокирован в ожидании какого-то определенного события, и если это событие происходит, процесс перестает быть блокированным и можно продолжить его выполнение.
Это следует учесть при разработке операционной системы. Мы имеем дело с двумя независимыми ситуациями: ожидает ли процесс какого-либо события (т.е. блокирован он или нет), и выгружен ли процесс из основной памяти (т.е. приостановлен он или нет). Чтобы учесть 2x2 возможных комбинации, нужны четыре перечисленных ниже состояния.
Готовый. Процесс, который находится в основной памяти и готов к выполнению.
Блокированный. Процесс, находящийся в основной памяти и ожидающий какого-то события.
Блокированный/Приостановленный. Процесс, находящийся во вторичной памяти (на диске) и ожидающий какого-то события.
Готовый/Приостановленный. Процесс, находящийся во вторичной памяти, но уже готовый к выполнению; для этого его нужно только загрузить в основную память.
Перед тем как составлять диаграмму переходов состояний, в которой учитываются два новых приостановленных состояния, следует упомянуть еще одно обстоятельство. До сих пор мы не учитывали существование виртуальной памяти; считалось, что процесс находится либо полностью в основной памяти, либо полностью вне ее. При наличии виртуальной памяти появляется возможность выполнять процесс, который загружен в основную память лишь частично. Если происходит обращение к отсутствующему в основной памяти адресу процесса, эта часть процесса может быть загружена. Казалось бы, использование виртуальной памяти избавляет от необходимости явного свопинга, потому что любой нужный адрес любого процесса можно перенести в основную память или из нее с помощью аппаратного обеспечения процессора, управляющего памятью. Однако, как мы увидим в главе 8, "Виртуальная память", при наличии достаточно большого количества активных процессов, которые полностью или частично находятся в основной памяти, производительность виртуальной памяти может оказаться недостаточной. Поэтому даже при наличии виртуальной памяти операционной системе время от времени требуется явно и полностью выгружать процессы из основной памяти ради повышения общей производительности.
А теперь рассмотрим модель переходов состояний, представленную на рис. 3.6,6 (пунктирными линиями показаны переходы, которые возможны, но не являются обязательными). Среди новых переходов наиболее важными являются следующие.
Блокированный —> Блокированный/Приостановленный. Если к выполнению не готов ни один процесс, то по крайней мере один блокированный процесс выгружается из памяти, чтобы освободить место для другого процесса, который не является блокированным. Этот переход можно выполнять и при наличии готовых к выполнению процессов, если операционная система определит, что для выполняющегося в настоящее время процесса или процесса, управление к которому перейдет в ближайшее время, нужно увеличить объем основной памяти для обеспечения адекватной производительности.
Блокированный/Приостановленный —> Готовый/Приостановленный. Процесс в состоянии блокированного приостановленного переходит в состояние готового к выполнению приостановленного процесса, если происходит событие, которого ожидал этот процесс. Заметим, что для такого перехода операционная система должна иметь доступ к информации о состоянии приостановленных процессов.
Готовый/Приостановленный —> Готовый. Когда в основной памяти нет готовых к выполнению процессов, операционной системе для продолжения вычислений требуется загрузить процесс в память. Может случиться и так, что у готового к выполнению приостановленного процесса окажется более высокий приоритет, чем у любого другого из готовых к выполнению процессов. В такой ситуации разработчик операционной системы может решить, что важнее обеспечить приоритет процесса, чем минимизировать свопинг.
Готовый —> Готовый/Приостановленный. Обычно операционная система предпочитает приостанавливать не готовый, а заблокированный процесс, поскольку к выполнению готового процесса можно приступить немедленно, а блокированный процесс только зря занимает основную память, поскольку не может быть выполнен. Однако иногда оказывается, что единственный способ освободить достаточно большой блок основной памяти — это приостановить готовый к выполнению процесс. Операционная система может также вместо блокированного процесса с более высоким приоритетом приостановить готовый к выполнению процесс с более низким приоритетом, если блокированный процесс достаточно скоро будет готов к выполнению.
Кроме того, заслуживают рассмотрения и другие переходы.
Новый —> Готовый/Приостановленный и Новый —> Готовый. После создания нового процесса этот процесс может быть добавлен либо в очередь готовых к выполнению, либо в очередь готовых к выполнению приостановленных процессов. В любом из этих случаев операционная система должна создать таблицы для управления процессом и выделить ему адресное пространство. Лучше выполнить эти действия на ранних этапах, чтобы иметь больший запас неблокированных процессов. Однако если придерживаться этой стратегии, то в основной памяти может не хватить места для нового процесса. По этой причине предусмотрен переход нового процесса в состояние приостановленного готового к выполнению. С другой стороны, создание процесса в "последний момент" приводит к уменьшению непроизводительных затрат и позволяет операционной системе выполнять свои обязанности по созданию процессов даже тогда, когда она переполнена блокированными процессами.
Блокированный/Приостановленный —> Блокированный. На первый взгляд может показаться, что учитывать такой переход бессмысленно. Зачем, в конце концов, загружать в память процесс, который не готов к выполнению? Однако рассмотрим такой сценарий: завершился некоторый процесс, освободив при этом определенную часть основной памяти. В очереди заблокированных приостановленных процессов находится процесс, приоритет которого выше, чем у любого процесса из очереди готовых к выполнению, но приостановленных процессов. Кроме того, операционная система располагает аргументами в пользу того, что довольно скоро произойдет событие, которое снимет блокировку с этого высокоприоритетного процесса. При таких обстоятельствах резонно отдать предпочтение блокированному процессу перед готовыми к выполнению, загрузив в основную память именно его.
Выполняющийся —> Готовый/Приостановленный. Обычно выполняющийся процесс, у которого вышло отведенное ему время, переходит в состояние готового к выполнению. Однако при наличии процесса с более высоким приоритетом, который находился в очереди блокированных приостановленных процессов и только что был разблокирован, операционная система может отдать предпочтение именно ему. Чтобы освободить часть основной памяти, она может перевести выполняющийся процесс непосредственно в состояние готового к выполнению приостановленного процесса.
Произвольное состояние —> Завершение. Обычно завершается выполняющийся в настоящий момент процесс — это происходит либо из-за того, что он выполнен до конца, либо из-за ошибок при его работе. Однако в некоторых операционных системах процесс может завершаться создавшим его процессом или вместе с завершением родительского процесса. Такое завершение возможно при условии, что процессы из любого состояния могут переходить в состояние завершения.
Другие использования приостановки
До сих пор концепция временной остановки процесса ассоциировалась у нас с его отсутствием в основной памяти. Процесс, который отсутствует в основной памяти, не может быть запущен немедленно, независимо от того, ожидает ли он какого-то события или нет.
Однако концепцию приостановленного процесса можно обобщить. Определим приостановленный процесс как такой, который удовлетворяет следующим критериям.
- Этот процесс не может быть запущен в данный момент.
- Этот процесс может как ожидать какого-то события, так и не находиться в состоянии ожидания. Если он находится в состоянии ожидания, то блокирующее событие не связано с условием приостановки, а наступление события не означает, что процесс может быть выполнен.
- Процесс приостанавливается самостоятельно, операционной системой или родительским процессом.
- Процесс не может выйти из состояния приостановленного до тех пор, пока не будет явно выведен из этого состояния приостановившим его агентом.
В табл. 3.3 перечислены некоторые причины, по которым процессы могут быть приостановлены. Одной из ранее обсуждавшихся причин является необходимость выгрузить процесс на диск, чтобы вместо него можно было загрузить готовый к выполнению процесс или просто ослабить нагрузку на виртуальную память, предоставив каждому из оставшихся процессов дополнительную порцию основной памяти. Могут быть и другие причины для того, чтобы приостановить процесс. Рассмотрим, например, процесс, который используется для наблюдения за работой системы. Этот процесс может использоваться для фиксирования интенсивности использования различных ресурсов (процессора, памяти, каналов) и скорости выполнения в системе пользовательских процессов. Если такой процесс выявит проблему (например, состояние взаимоблокировки, о котором рассказывается в главе 6, "Взаимоблокировка и голодание"), он может приостановить процесс. Другим примером служат неполадки в линии связи. В данной ситуации оператор может отдать операционной системе команду приостановить процесс, использующий эту линию, чтобы выполнить необходимые тесты и исправить ситуацию.
Таблица 3.3. Причины, по которым процессы переходят в состояние приостановленных
Другие причины временной остановки процессов связаны с действиями интерактивного пользователя. Например, если пользователь заподозрил, что в программе есть дефект, он может приступить к отладке программы, приостановив ее выполнение. При этом пользователь может тестировать и модифицировать программу или данные, а затем возобновить ее выполнение. Другим примером является фоновый процесс, собирающий информацию о системе. Не исключено, что пользователь захочет иметь возможность включать и выключать этот процесс.
Рассмотрение временного графика работы также может привести к решению о целесообразности свопинга. Например, процесс, который должен периодически активизироваться с большим интервалом времени между активизациями и долго простаивает, имеет смысл выгружать из основной памяти на то время, в течение которого он не используется. Примером такого процесса может быть программа, ведущая учет использования ресурсов или активности пользователей.
Наконец, родительский процесс может захотеть приостановить процесс, который он породил. Например, пусть процесс А породил процесс В, чтобы прочитать файл. Впоследствии при выполнении процесса В возникла ошибка чтения, и он сообщил об этом процессу А. Процесс А приостанавливает процесс В и пытается выяснить и устранить причину ошибки.
Во всех описанных выше случаях активизация приостановленного процесса происходит по запросу того агента, который перед этим вызвал временную остановку.
