Операционные сети сущ. ОС. Обзор содержания дисциплины операционные системы Обсуждение функций и эксплуатационных требований к ос

• Название: Обзор содержания дисциплины операционные системы Обсуждение функций и эксплуатационных требований к ос
• Анкор: Операционные сети сущ
• Дата: 18.03.2021
• Размер: 356.76 Kb.
• Имя файла: ОС.docx
• Тип: Документы; #186086
• страница: 5 из 16

Вход=ID-задачи+S+Р (лог. адрес) Физический адрес страницы=Выход

ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ

В системе с ВП у каждого процесса создается иллюзия. Что все приложение находится в ОЗУ. При обращении процесса к информации, которой нет в ОЗУ, вырабатывается прерывание, управление передается супервизору, который перемещает нужную информацию с внешнего устройства в ОЗУ и процесс получает доступ к ней.

В самом общем случае ВП организуется в виде многоуровневой памяти. Каждый уровень М(i) имеет более высокую скорость доступа, меньшую емкость и более высокую удельную стоимость хранения по сравнению с уровнем М(j) при i

СТРАТЕГИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ ПРИ СЕГМЕНТАЦИИ И СТРАНИЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ.

Сегментация и страничная организация – это логический и физический подходы применяемые к пространству программных адресов и пространству адресов памяти.

Существенное различие между разбиением на сегменты и страницы состоит в том, что сегменты – блоки переменной длины, страницы – блоки фиксированной длины. Отсюда проблемы: размещения логических сегментов в памяти, разбиение программ на страницы.

Важнейшие вопросы реализации:

1. 
   Как распределять память каждого уровня (для страничной организации задача проста – ОС ведет таблицу программных страниц и координат соответствующих физических страниц, для сегментации задача более сложная).
   
2. 
   Какие критерии применять при подкачке блоков (различают 2 стратегии: опережающая и по запросу).
   
3. 
   Какие критерии применять при вытеснении блоков (существует много стратегий).
   

1. СТРАТЕГИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛЯ СЕГМЕНТОВ ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНЫ

Задача: найти стратегию, которая хорошо загружает память при минимальных издержках распределяющих алгоритмов.

Решение: список свободной памяти или уплотнение.

ВАРИАНТЫ СПИСКОВ СВОБОДНОЙ ПАМЯТИ.

Список свободной памяти, упорядоченный по возрастанию адресов.

Каждая пустота, входящая в список, содержит указатель на следующую и поле длины (количество блоков пустой области). Освобожденная область вставляется в список с сохранением упорядоченности адресов по возрастанию. Если предшествующая и (или)

последующая область списка пустот примыкают к вновь освобожденной, то они объединяются в одну пустоту.

Из списка пустот память может распределяться по 2-м стратегиям:

1. 
   Выбор 1-й подходящей пустоты (при запросе пустоты размера k выделяется первая пустота размера >=k).
   
2. 
   Выбор самой подходящей пустоты (просматривается весь список и выбирается наименьшая пустота размера >=k).
   

Если нет пустоты размера >=k, то запрос остается неудовлетворенным, либо уплотнение (если сумма длин пустот в списке >=k).

Во многих случаях 1-я стратегия лучше заполняет память, чем 2-я.
Список свободной памяти, упорядоченный по возрастанию размера пустот. Поиск первой подходящей пустоты дает самую подходящую.

Модификация:

Список пустот дополняется списком указателей {Р1,Р2,…,Рm}, Pi – указывает на первую пустоту в исходном списке размера от iC до (i+1)C блоков (C=const). Этот набор указателей позволяет ускорить поиск пустоты нужного размера, но при высокой динамике содержания списка его сопровождение очень дорогое. Главная трудность состоит в сложности вставки вновь освободившейся области в список пустот (требует много времени).

Организация пустот системой расщепления

Память вычислителя представляется блоками длины 2 k , k>=0. Список k содержит блоки 2 k .

Пусть объем распределяемой памяти = 2 S , тогда в системе всего S+1 список 0  k  S . Сначала все списки пусты, кроме Cписка S, который указывает на первое слово в распределяемой памяти.

При поступлении запроса на пустоту размера 2 k :

1. 
   Просматривается Список k, если он не пуст, то выделяется пустота иначе…
   
2. 
   Просматривается Список k+1, если он не пуст, один из его блоков расщепляется на 2 половинки, одна выделяется по запросу, а другая помещается в Список k, иначе…
   
3. 
   Процесс поиска пустоты продолжается до тех пор, пока не будет найден непустой Список.
   

4. 
   Если Списки J для k  J
   

 S , то запрос не удовлетворяется.

При таком способе организации управления списками адрес каждого блока длины 2 k без остатка делится на 2 k , тогда для каждого блока размера 2 k легко найти адрес того блока

длины 2 k  1 , от которого он был отщеплен. Как только два парных блока длины 2 k –

двойняшки , получившиеся в результате расщепления одного блока длины свободными, они объединяются.

УПЛОТНЕНИЕ

₂ k  1

окажутся

Если запрошена область длины превосходящей наибольшую пустоту, то возможны следующие действия:

1. 
   Отказ в удовлетворении запроса.
   
2. 
   Вытеснение какого-либо сегмента.
   
3. 
   Уплотнение – перегруппировка памяти и объединение мелких пустот.
   

Обычно уплотнение выгодно когда: запросы на память велики по размеру и из-за внешней фрагментации образуется большой процент пустот, ЦП не занят выполнением активных заданий (простаивает) и его можно занять уплотнением – операция будет бесплатной.

2. СТРАТЕГИИ ПОДКАЧКИ ОБЪЕКТОВ

2 стратегии: по запросу (по прерыванию), опережающая.

Экономия опережающей подкачки определяются исключением прерываний (их число определяется объемом опережения) = затраты на обслуживание прерываний – затраты на опережающий выбор объектов. Этот выигрыш имеет место при условии. Что объекты будут введены не преждевременно и к ним будет обращение до вытеснения (при высокой вероятности использования объектов)! Обычно это наблюдается при известной логической связи между объектами (например – медиа файл). В большинстве случаев подкачка по запросу выгоднее опережающей подкачки.

2. СТРАТЕГИИ ВЫТЕСНЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ИЗ ПАМЯТИ

Правила вытеснения оцениваются и сопоставляются по критерию того насколько хорошо они сокращают ожидаемый объем движения объектов между уровнями памяти. Нужно не вытеснять НУЖНЫЕ объекты!

Стратегии вытеснения:

1. 
   Случайный выбор – легко реализуемая стратегия, но часто вытесняются НУЖНЫЕ объекты.
   
2. 
   FIFO – первым пришёл – первым ушёл. Легко реализуется для страниц фиксированной длины – физические страницы образуют список из К элементов, упорядоченный по номерам страниц, указатель ссылается на самую новую страницу. Когда необходимо ввести какую-либо страницу содержимое указателя складывается по модулю К с единицей и страница, на которую указывает полученное значение, удаляется. Однако данная стратегия существенно ограничивает производительность системы т.к. самая старая страница не обязательно наименее нужная.
   
3. 
   По давности использования (LRU – Least Recently Used). Удаляется тот объект, обращения к которому не было дольше, чем на все остальные объекты. Трудно реализуемая дорогая стратегия (требует мониторинга частоты обращения), но в большинстве случаев работает хорошо!
   
4. 
   Предписанные пользователем (программистом) приоритеты. Используется при известной связи приоритетов с НУЖНОСТЬЮ объектов.
   

5. Приоритеты, задаваемые системой.

6. 
   Оптимальное вытеснение. Вытесняется тот объект, обращение к которому не произойдет дольше всего. Стратегия не реализуема т.к. в любой момент времени нельзя знать о будущих обращениях к памяти, НО используется как эталон для реализуемых стратегий при апостериорном анализе свойств реализуемой стратегии.
   
7. 
   Смешанные методы – основаны на здравом смысле. Для вытеснения предлагается на выбор список возможностей, упорядоченных по убыванию степени их желательности. Например:
   

а) принадлежащий неактивной задаче объект, использованный только для чтения; б) принадлежащий неактивной задаче объект, использованный только для записи; в) объект управляющей программы, к которому не было обращения заданное время; г) объект задачи, ожидающей в/в;

д) …

Система ведет списки для каждой подгруппы. Когда необходимо вытеснить объект, он выбирается из наиболее желательного непустого списка.

ЛЕКЦИЯ 6 УПРАВЛЕНИЕ ВНЕШНЕЙ ПАМЯТЬЮ

Важнейшим ресурсом системы является внешняя магнитная память (обычно на магнитных дисках – МД).

Время доступа к конкретной записи данных складывается из:

1. 
   Времени поиска цилиндра t1 (механическое перемещение магнитных головок на нужный цилиндр).
   
2. 
   Времени поиска записи t2 (определяется скоростью вращения дисковых пластин, обычно t1>> t2).
   
3. 
   Времени чтения-записи данных t3 (определяется скоростью вращения дисковых пластин).
   

Необходимость планирования работы МД возникает в мультипрограммных системах с высокой интенсивностью обмена данными, порождающей много запросов на доступ к МД. Чтобы минимизировать время доступа нужно спланировать работу МД в соответствии с некоторым принципом. Планировщик должен:

1. 
   Анализировать позиционные взаимосвязи между ожидающими запросами.
   
2. 
   Перестраивать очередь запросов так, чтобы их реализация обеспечивалась при минимальных механических перемещениях магнитных головок чтения/записи (МГ) МД.
   

Различают 2 вида планирования: а) оптимизация по времени поиска цилиндра; б) оптимизация по времени ожидания записи.

Цели и критерии принципов планирования (по множеству запросов).

1. 
   Пропускная способность дискового накопителя Сmax.
   
2. 
   Среднее время ответа Tmin.
   
3. 
   Дисперсия времени доступа / пропускной способности (мера справедливости, разброса, предсказуемости показателя) D(Т)min / D(С)min.
   

Планирование улучшает скоростные характеристики в целом, но за счет некоторых отдельных запросов. Критерий №3 – мера того, насколько далеко значения операционной характеристики отдельных запросов могут отклоняться от среднего значения показателя. Если не использовать 3-й показатель, то некоторые запросы могут ждать обслуживания неопределенно долго, а некоторые полностью игнорироваться

Стратегии оптимизации поиска цилиндра:

1. 
   FCFS – «Обслуживание в порядке поступления». Это справедливый метод обслуживания запросов, но характеризуется случайностью поиска – последовательно поступающие запросы на обслуживание могут вызвать длительные подводы считывающих головок от внутренних цилиндров к внешним (и наоборот). Данная стратегия дает небольшую дисперсию, но очень большое значение Т и низкую скорость С. Стратегия применяется при низкой нагрузке.
   
2. 
   SSTF (Shortest-Seek-Time-First) – «Обслуживание с наименьшим временем поиска первым». При позиционировании каретки с МГ чт/зп следующим выбирается запрос, требующий минимального перемещения МГ. Для данной стратегии характерна резкая дискриминация (игнорирование) определенных запросов. Обращения к МД имеют тенденцию к концентрации. В результате запросы далеко отстоящие от центра концентрации игнорируются. Стратегия дает высокую пропускную способность (максимальную), малое среднее время позиционирования, НО высокую дисперсию.
   

Стратегия используется в системах пакетной обработки, мало пригодна в интерактивных системах из-за плохой предсказуемости т.к. возможно ∞ откладывание запросов.

3. 
   SCAN – «Обслуживание в порядке сканирования». Каретка с МГ совершает движение от внешних цилиндров к внутренним и обратно, обслуживая запросы встречающиеся на пути. Каретка меняет направление движения в том случае, если в текущем направлении больше нет запросов для обслуживания или не достигнет крайнего цилиндра. SCAN аналогичен SSTF, но выбирает запрос, для которого характерно минимальное расстояние поиска в привилегированном направлении. SCAN уступает SSTF и – дает высокую пропускную способность, низкое среднее время ответа, достаточно низкую дисперсию, НО при сканировании МГ на крайних дорожках бывают реже, чем на средних и все еще возможно ∞ откладывание запросов. Используется при малых нагрузках.
   
4. 
   N-Step SCAN – «Обслуживание в порядке N-шагового сканирования». Это модификация SCAN, в которой при движении МГ обслуживаются только те запросы, которые существовали на момент начала прохода. Запросы, поступающие во время прохода, группируются и упорядочиваются так, чтобы их можно было оптимально обслужить во время обратного хода. Стратегия обеспечивает значения характеристик немного уступающих стратегии SCAN высокую пропускную способность, низкое среднее время ответа, малую дисперсию. Главное достоинство N-Step SCAN состоит в полном исключении ∞ откладывания запросов т.к. при поступлении большого количества запросов к текущему цилиндру они запоминаются для обслуживания при обратном ходе МГ. Используется при очень больших нагрузках.
   
5. 
   C-SCAN – «Обслуживание в порядке циклического сканирования». Обслуживание запросов производится при движении МГ к внутренним цилиндрам по наикратчайшему времени поиска. Если по направлению движения больше нет запросов, МГ возвращаются скачком к началу на обслуживание запроса, ближайшего к внешнему цилиндру и возобновляет выполнение запросов на рабочем ходе каретки с МГ. Данную стратегию можно гибридизировать со стратегией N-Step SCAN (запросы, поступающие во время текущего прямого рабочего хода, обслуживаются при следующем ходе). Гибрид полностью исключает дискриминацию запросов к внутренним или внешним цилиндрам и дает самую малую дисперсию времени ответа. Используется при средних и больших нагрузках.
   
6. 
   Схема Эшенбаха – «Обслуживание в порядке циклического сканирования только одной дорожки на цилиндре» не зависимо от наличия др. запросов на цилиндре. Предусматривается переупорядочение запросов с учетом углового положения записей. Стратегия находит применение при больших нагрузках в специальных системах.
   

Оптимизация по времени ожидания записи.

В условиях очень высоких нагрузок растет вероятность одновременного обращения к некоторому цилиндру. В этих условиях целесообразно оптимизация по времени ожидания записи. Стратегия SLTF (Shortest-Latency-Time-First) «Обслуживание с наименьшим временем ожидания первым» – аналог SSTF.

ОРГАНИЗАЦИЯ В/В И ФАЙЛОВЫЕ СИСТЕМЫ

Файл – физическое представление информации о совокупности объектов. Файл состоит из единиц информации – записей. Свойства объекта кодируются в полях записей.

Система Управления Файлами (СУФ) – часть ОС реализующая работу с файлами. Файлы именованные объекты, имя файла определяет функцию отображения адресов в объекты внутри файла.

Требования к СУФ. СУФ должна обеспечивать:

1. 
   Эффективное распределение внешней памяти;
   
2. 
   Гибкий и многосторонний доступ к данным;
   
3. 
   Максимальную маскировку механизма реализации от пользователя;
   
4. 
   Максимальную независимость реализации от типа ЭВМ, ОС, ВнУ (обеспечивает простоту портирования);
   
5. 
   Возможность совместного использования (разделения) общих файлов;
   
6. 
   Безопасность и целостность информации, хранимой файлах.
   
7. 
   Эффективную работу с файлами (согласование скоростей, кэширование). СУФ хранит информацию о файлах в справочниках:
   

1. 
   Пользовательское имя файла.
   
2. 
   Местоположение файла.
   
3. 
   Уникальный идентификатор файла, одинаковый для всей пользователей.
   
4. 
   Тип доступа, разрешенный пользователям.
   
5. 
   Дата возникновения, дата последнего использования.
   
6. 
   Частота использования.
   
7. 
   Размер записей.
   

Запрос на доступ к записям файла предусматривает выполнение следующих действий:

1. 
   По имени файла находится уникальный идентификатор.
   
2. 
   Определяется местоположение файла.
   
3. 
   Определяется местоположение записи (собственно доступ к файлу).
   
4. 
   Генерация команд в/в для аппаратуры.
   

СУФ имеет многоуровневую структуру:

1. 
   Система в/в – нижний уровень, реализует операции в/в, здесь учитывается специфика работы различных внешних устройств. Состоит из иерархии каналов в/в, устройств управления, ВнУ, программ канала (управляют в/в). Реализует а) стандартную связь между ЦП и аппаратурой в/в; б) управление ВнУ асинхронными взаимодействующими процессами; в) контроль ошибок в/в; г) локализует на своем уровне специфику работы с ВнУ.
   
2. 
   Базисная система управления файлами – преобразует уникальный идентификатор файла в дескриптор, содержащий физический адрес файла и размер его сегментов, реализует расчленение файлов на подфайлы (директории).
   
3. 
   Логическая система управления файлами – осуществляет связь уникального идентификатора с пользовательским именем файла (преобразует локальные имена файлов пользователей в системно-ориентированные уникальные идентификаторы), реализует логические команды а) создать файл; б) уничтожить файл; в) открыть файл; г) закрыть файл; д) читать запись; е) писать запись.
   
4. 
   Методы доступа – обеспечивают логический доступ к записям файла возможно отличный от физической реализации размещения данных. Различают методы доступа по виду доступа и типу синхронизации. По виду доступа методы различают на последовательные (последовательное чтение и запись данных) и прямые (прямая адресация извлекаемых и записываемых данных в файле), по типу синхронизации – на базисные (асинхронный доступ по требованию) и с очередями (синхронный доступ с опережающей подкачкой записей и буферированием записываемых данных). Последовательный метод доступа организует записи логического файла в последовательном порядке, прямой – дает возможность обращаться к записям в произвольном порядке. В базисном методе доступа пользователь должен сам
   

предусмотреть буферизацию и синхронизацию чтения-обработки-записи данных, в методе доступа с очередями ОС дает стандартную схему буферизации, но пользователь должен соблюдать соглашения связанные с механизмом буферизации.

Естественным расширением СУФ является СУБД, которая обеспечивает гибкий программный интерфейс для пользователя по организации доступа к экземплярам данных в соответствии с различными логическими структурами.