УМК ОС. Учебнометодический комплекс дисциплины Операционные сиcтемы по кредитной технологии обучения для студентов специальности
 Скачать 2.3 Mb.
|
|
Тема лекций №5: Взаимоблокировка процессов. План 1. Взаимоблокировка процессов. 2. Моделирование взаимоблокировок. 5.1 Взаимоблокировка процессов Взаимоблокировка процессов может происходить, когда несколько процессов борются за один ресурс. Ресурсы бывают выгружаемые и невыгружаемые, аппаратные и программные. Выгружаемый ресурс - этот ресурс безболезненно можно забрать у процесса (например: память). Невыгружаемый ресурс - этот ресурс нельзя забрать у процесса без потери данных (например: принтер). Проблема взаимоблокировок процессов возникает при борьбе за невыгружаемый ресурсы. Условия необходимые для взаимоблокировки: Условие взаимного исключения - в какой-то момент времени, ресурс занят только одним процессом или свободен. Условие удержания и ожидания - процесс, удерживающий ресурс может запрашивать новые ресурсы. Условие отсутствия принудительной выгрузки ресурса. Условие циклического ожидания - должна существовать круговая последовательность из процессов, каждый, из которого ждет доступа к ресурсу, удерживаемому следующим членом последовательности. 5.2 Моделирование взаимоблокировок Моделирование тупиков с помощью графов.  Условные обозначения На такой модели очень хорошо проверить возникает ли взаимоблокировка. Если есть цикл, значит, есть и взаимоблокировка. Рассмотрим простой пример: три процесса A, B, C три ресурса R, S, T  Последовательное выполнение процессов, взаимоблокировка не возникает Рассмотрим циклический алгоритм: три процесса A, B, C три ресурса R, S, T  Возникает взаимоблокировка Рассмотрим тот же самый случай, но допустим, что система, зная о предстоящей взаимоблокировке, заблокирует процесс B.  Взаимоблокировка не возникает. 5.3 Методы борьбы с взаимоблокировками Четыре стратегии избегания взаимоблокировок: Пренебрежением проблемой в целом (вдруг пронесет). Обнаружение и устранение (взаимоблокировка происходит, но оперативно ликвидируется). Динамическое избежание тупиков. Предотвращение четырех условий, необходимых для взаимоблокировок. 5.3.1 Пренебрежением проблемой в целом (страусовый алгоритм) Если вероятность взаимоблокировки очень мала, то ею легче пренебречь, т.к. код исключения может очень усложнить ОС и привести к большим ошибкам. Также многие взаимоблокировки тяжело обнаружить. Этот алгоритм используется как в UNIX, так и в Windows. Поэтому (и не только) на серверах часто устанавливают автоматическую перезагрузку (раз в сутки, как правило ночью), если возникнет взаимоблокировка, то после перезагрузки ее не будет. 5.3.2 Обнаружение и устранение взаимоблокировок Система не пытается предотвратить взаимоблокировку, а пытается обнаружить ее и устранить. Обнаружение взаимоблокировки при наличии одного ресурса каждого типа Под одним ресурсом каждого типа, подразумевается один принтер, один сканер и один плоттер и т.д. Рассмотрим систему из 7-ми процессов и 6-ти ресурсов.  Обнаружение взаимоблокировки при наличии одного ресурса каждого типа Визуально хорошо видна взаимоблокировка, но нам нужно чтобы ОС сама определяла взаимоблокировку. Для этого нужен алгоритм. Рассмотрим один из алгоритмов. Для каждого узла N в графе выполняется пять шагов. Задаются начальные условия: L-пустой список, все ребра не маркированы. Текущий узел добавляем вконец списка L и проверяем количество появления узла в списке. Если он встречается два раза, значит цикл и взаимоблокировка. Для заданного узла смотрим, выходит ли из него хотя бы одно немаркированное ребро. Если да, то переходим к шагу 4, если нет, то переходим к шагу 5. Выбираем новое немаркированное исходящее ребро и маркируем его. И переходим по нему к новому узлу и возвращаемся к шагу 3. Зашли в тупик. Удаляем последний узел из списка и возвращаемся к предыдущему узлу. Возвращаемся к шагу 3. Если это первоначальный узел, значит, циклов нет, и алгоритм завершается.  Алгоритм обнаружения взаимоблокировок Для нашего случая тупик обнаруживается в списке L=[B,T,E,V,G,U,D,T] Обнаружение взаимоблокировки при наличии нескольких ресурсов каждого типа Рассмотрим систему. m - число классов ресурсов (например: принтеры это один класс) n - количество процессов P(n) - процессы E - вектор существующих ресурсов E(i) - количество ресурсов класса i A - вектор доступных (свободных) ресурсов A(i) - количество доступных ресурсов класса i С - матрица текущего распределения (какому процессу, какие ресурсы принадлежат) R - матрица запросов (какой процесс, какой ресурс запросил)  C(ij) - количество экземпляров ресурса j, которое занимает процесс P(i). R(ij) - количество экземпляров ресурса j, которое хочет получить процесс P(i).  Общее количество ресурсов равно сумме занятых и свободных ресурсов Рассмотрим алгоритм поиска тупиков.  Алгоритм поиска тупиков при наличии нескольких ресурсов каждого типа Если остаются не маркированные процессы, значит, есть тупик. Рассмотрим работу алгоритма на реальном примере.  Используем алгоритм: Третий процесс может получить желаемые ресурсы, т.к. R (2 1 0 0) = A (2 1 0 0) Третий процесс освобождает ресурсы. Прибавляем их к A. А = (2 1 0 0) + (0 1 2 0) =(2 2 2 0). Маркируем процесс. Может выполняться процесс 2. По окончании А=(4 2 2 1). Теперь может работать первый процесс. Тупиков не обнаружено. Если рассмотреть пример, когда второму процессу требуются ресурсы (1 0 3 0), то два процесса окажутся в тупике. Когда можно искать тупики: Когда запрашивается очередной ресурс (очень загружает систему) Через какой то промежуток времени (в интерактивных системах пользователь это ощутит) Когда загрузка процессора слишком велика Выход из взаимоблокировки Восстановление при помощи принудительной выгрузки ресурса Как правило, требует ручного вмешательства (например: принтер). Восстановление через откат Состояние процессов записывается в контрольных точках, и в случае тупика можно сделать откат процесса на более раннее состояние, после чего он продолжит работу снова с этой точки. С принтером опять будут проблемы. Восстановление путем уничтожения процесса Самый простой способ. Но с принтером опять будут проблемы. В реальных системах они не годятся. 5.3.3 Динамическое избежание взаимоблокировок В этом способе ОС должна знать, является ли предоставление ресурса безопасным или нет. Траектории ресурсов Рассмотрим модель из двух процессов и двух ресурсов. А1 - запрос принтера процессом А А2 - запрос плоттера процессом А А3 - освобождение принтера процессом А А4 - освобождение плоттера процессом А В1 - запрос плоттера процессом В В2 - запрос принтера процессом В В3 - освобождение плоттера процессом В В4 - освобождение принтера процессом В  Динамическое избежание взаимоблокировок Т.к. процессор предоставляется поочередно, траектория может продолжаться только параллельно осям. Чтобы избежать тупика, процессам надо обойти прямоугольник, охватывающий всю заштрихованную область. Безопасные и небезопасные состояния В безопасном состоянии система может гарантировать, что все процессы закончат свою работу. Рассмотрим систему. 10 экземпляров ресурса 3 процесса  Процесс А занял 3 экземпляра, но ему необходимо 9. В этой ситуации можно спланировать так, сначала запустить процесс В, потом С и потом А. Процессы заканчивают работу без тупиковой ситуации. Рассмотрим другую ситуацию. Процесс А занял 4 экземпляра.  Возникает небезопасное состояние. В принципе, процесс А может в какой то момент ресурс освободить и тупика не возникнет. Видно, что в этом случае не стоило давать ресурс процессу А. Алгоритм банкира для одного вида ресурсов "Банкира", потому что аналогия такая, клиенты-процессы, кредиты-ресурсы. Рассмотрим систему: Банкир может дать 10 кредитов (ресурсы). К нему попеременно обращаются 4-ре клиента.  Алгоритм банкира: Банкиру поступает запрос от клиента на получение кредита Банкир проверяет, приводит ли этот запрос к небезопасному состоянию. Банкир в зависимости от этого дает или отказывает в кредите.  Алгоритм банкира Алгоритм банкира для несколько видов ресурсов Рассмотрим систему:  вектора: E=(6342) - существующие ресурсы P=(5322) - занятые ресурсы A=(1020) - доступные ресурсы Алгоритм поиска безопасного или небезопасного состояния:  Алгоритм банкира для несколько видов ресурсов Если состояние безопасное то ресурс дать можно, если нет то нельзя. На практике все эти алгоритмы тяжело реализовать. 5.3.4 Предотвращение четырех условий, необходимых для взаимоблокировок Предотвращение условия взаимного исключения Можно минимизировать количество процессов борющихся за ресурсы. Например, с помощью спулинга для принтера, когда только демон принтера работает с принтером. Предотвращение условия удержания и ожидания Один из способов достижения этой цели, это когда процесс должен запрашивать все необходимые ресурсы до начала работы. Если хоть один ресурс недоступен, то процессу вообще ничего не предоставляется. Предотвращение условия отсутствия принудительной выгрузки ресурса Можно выгружать ресурсы, но могут быть проблемы с принтером. Предотвращение условия циклического ожидания Способы предотвращения: Процесс сначала должен освободить занятый ресурс, прежде чем занять новый. Можно пронумеровать все ресурсы (и упорядочить), и процессы должны запрашивать ресурсы только по возрастающему порядку. Тема лекций №6: Управление памятью. Страничная организация. План 1. Основные понятия. 2. Методы с использованием внешней памяти 6.1 Основные понятия Менеджер памяти - часть операционной системы, отвечающая за управление памятью. Основные методы распределения памяти: Без использования внешней памяти (например: HDD) С использованием внешней памяти 6.2 Методы без использования внешней памяти 6.2.1 Однозадачная система без подкачки на диск Память разделяется только между программой и операционной системой. Схемы разделения памяти:  Схемы разделения памяти Третий вариант используется в MS-DOS. Та часть, которая находится в ПЗУ, часто называется BIOS. 6.2.2 Распределение памяти с фиксированными разделами. Память просто разделяется на несколько разделов (возможно, не равных). Процессы могут быть разными, поэтому каждому разделу необходим разный размер памяти. Системы могут иметь: общую очередь ко всем разделам к каждому разделу отдельную очередь  Распределение памяти с фиксированными разделами Недостаток системы многих очередей очевиден, когда большой раздел может быть свободным, а к маленькому выстроилась очередь. Алгоритмы планирования в случае одной очереди: поочередный выбирается задача, которая максимально займет раздел Также может быть смешанная система. 6.2.3 Распределение памяти динамическими разделами В такой системе сначала память свободна, потом идет динамическое распределение памяти.  Распределение памяти динамическими разделами. Недостатки: Сложность Память фрагментируется Перемещаемые разделы Это один из методов борьбы с фрагментацией. Но на него уходит много времени.  Перемещаемые разделы Рост разделов Иногда процессу может понадобиться больше памяти, чем предполагалось изначально.  Рост разделов Настройка адресов и защита памяти В предыдущих примерах мы можем увидеть две основные проблемы. Настройка адресов или перемещение программ в памяти Защита адресного пространства каждой программы Решение обоих проблем заключается в оснащении машины специальными аппаратными регистрами. Базовый (указывает начало адресного пространства программы) Предельный (указывает конец адресного пространства программы) 6.3 Методы с использованием внешней памяти (свопинг и виртуальная память) Так как памяти, как правило, не хватает. Для выполнения процессов часто приходится использовать диск. Основные способы использования диска: Свопинг (подкачка) - процесс целиком загружается в память для работы Виртуальная память - процесс может быть частично загружен в память для работы 6.3.1 Свопинг (подкачка) При нехватке памяти процессы могут быть выгружены на диск.  т.к. процесс С очень большой, процесс А был выгружен временно на диск, после завершения процесса С он снова был загружен в память. Как мы видим процесс А второй раз загрузился в другое адресное пространство, должны создаваться такие условия, которые не повлияют на работу процесса. Свопер - планировщик, управляющий перемещением данных между памятью и диском. Этот метод был основным для UNIX до версии 3BSD. Управление памятью с помощью битовых массивов Вся память разбивается на блоки (например, по 32бита), массив содержит 1 или 0 (занят или незанят). Чтобы процессу в 32Кбита занять память, нужно набрать последовательность из 1000 свободных блоков. Такой алгоритм займет много времени.  битовые массивы и списки Управление памятью с помощью связных списков Этот способ отслеживает списки занятых (между процессами) и свободных (процессы) фрагментов памяти. Запись в списке указывает на: занят (P) или незанят (H) фрагмент адрес начала фрагмента длину фрагмента  Четыре комбинации соседей для завершения процесса X Алгоритмы выделения блока памяти: первый подходящий участок. следующий подходящий участок, стартует не сначала списка, а с того места на котором остановился в последний раз. самый подходящий участок (медленнее, но лучше использует память). самый неподходящий участок, расчет делается на то, что программа займет самый большой участок, а лишнее будет отделено в новый участок, и он будет достаточно большой для другой программы. 6.3.2 Виртуальная память Основная идея заключается в разбиении программы на части, и в память эти части загружаются по очереди. Программа при этом общается с виртуальной памятью, а не с физической.  Диспетчер памяти преобразует виртуальные адреса в физические. Страничная организация памяти Страницы - это части, на которые разбивается пространство виртуальных адресов. Страничные блоки - единицы физической памяти. Страницы всегда имеют фиксированный размер. Передача данных между ОЗУ и диском всегда происходит в страницах.  Х - обозначает не отображаемую страницу в физической памяти. Страничное прерывание - происходит, если процесс обратился к странице, которая не загружена в ОЗУ (т.е. Х). Процессор передается другому процессу, и параллельно страница загружается в память. Таблица страниц - используется для хранения соответствия адресов виртуальной страницы и страничного блока. Таблица может быть размещена: в аппаратных регистрах (преимущество: более высокое быстродействие, недостаток - стоимость) в ОЗУ  Типичная запись в таблице страниц Присутствие/отсутствие - загружена или незагружена в память Защита - виды доступа, например, чтение/запись. Изменение - изменилась ли страница, если да то при выгрузке записывается на диск, если нет, просто уничтожается. Обращение - было ли обращение к странице, если нет, то это лучший кандидат на освобождение памяти. Информация о адресе страницы когда она хранится на диске, в таблице не размещается. Для ускорения доступа к страницам в диспетчере памяти создают буфер быстрого преобразования адреса, в котором хранится информация о наиболее часто используемых страниц. Страничная организация памяти используется, и в UNIX, и в Windows. Хранение страничной памяти на диске Статическая область свопинга После запуска процесса он занимает определенную память, на диске сразу ему выделяется такое же пространство. Поэтому файл подкачки должен быть не меньше памяти. А в случае нехватки памяти даже больше. Как только процесс завершится, он освободит память и место на диске. На диске всегда есть дубликат страницы, которая находится в памяти. Этот механизм наиболее простой.  Статический и динамический методы организации свопинга. Динамическая область свопинга Предполагается не выделять страницам место на диске, а выделять только при выгрузке страницы, и как только страница вернется в память освобождать место на диске. Этот механизм сложнее, так как процессы не привязаны к какому-то пространству на диске, и нужно хранить информацию (карту диска) о местоположении на диске каждой страницы. |