Тема 5. Ресурсы и управление ими в операционных системах

Содержание разделов курса

Основные сведения об операционных системах
Операционная система (ОС) – комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами,
а с другой – предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.
В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций:
- предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера абстрактной виртуальной машины, с которой удобней работать и которую легче программировать;
- повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.

Функциональные компоненты операционной системы
Функции операционной системы автономного компьютера обычно группируются либо в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС, либо в соответствии со специфическими задачами, применимыми ко всем ресурсам.
Такие группы функций называют функциональными компонентами или подсистемами.

Повторно используемые ресурсы
Объекты вычислительной системы
Относительно стабильные
часто дефицитные
неоднократно используемые
Запрашивают
Освобождают
Используют
развивающиеся
Компоненты аппаратуры
Части программного обеспечения
Программы
Данные
Повторно используемые ресурсы – относительно стабильные, неоднократно используемые, часто дефицитные объекты вычислительной системы, которые запрашиваются, используются и освобождаются развивающимися процессами.

Потребляемые ресурсы
Объекты вычислительной системы
Процессы
Взаимодействие
Синхронизация
Сообщения
Данные
Потребляемые ресурсы – объекты, появляющиеся в ситуациях синхронизации и связи взаимодействующих выполняющихся процессов, не возвращающиеся в систему после однократного их использования/потребления.
Сигналы
Процессы
Процессы
Процессы
Взаимодействие
Синхронизация
Время работы процессора – самый дорогой потребляемый ресурс!
Расходные материалы, использующиеся в работе повторно используемых ресурсов, так же относят к потребляемым ресурсам: картридж, чернила, бумага.

Общее свойство всех ресурсов
Процесс будет приостановлен из-за неудовлетворенного запроса на ресурс!
ОБОБЩЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА:
Ресурсом в вычислительной системе является всё то,
отсутствие чего может вызвать
переход какого-либо процесса в состояние логической блокировки

Критерии эффективности управления ресурсами
Пропуская способность вычислительной системы
Время реакции системы
Большинство функций управления ресурсами выполняются операционной системой автоматически и прикладному программисту недоступны.

Задачи управления ресурсами
Управление ресурсами
Планирование распределения ресурсов
Отслеживание состояния и учет использования ресурсов
Удовлетворение запроса на ресурс
Определение, какому процессу, когда и в каком количества (если ресурс выделяется частями) следует выделить ресурс
Ведение списка ожидания – перечня процессов, ожидающих получения ресурса
Ведение описи доступности ресурса

Дескриптор ресурса
Идентификатор ресурса
Опись доступности ресурса
Дескриптор (описатель) ресурса –
системная структура данных,
хранящая основные сведения о ресурсе, позволяющие осуществлять
в отношении ресурса функции учёта и распределения
Список ожидающих процессов
Минимальный состав дескриптор ресурса

Дескриптор ресурса
Идентификатор ресурса Id, присвоенный ресурсу системой,
SR – логическая метка повторно используемого ресурса
Систему учета ресурса.
Адреса программ вставки в опись новых элементов
и
удаления из описи распределенных ресурсов
Информация о процессах, заблокированных из-за отсутствия или недостаточности ресурса

Методы учёта ресурсов
Наиболее распространенные методы учета ресурсов
Параметрический
метод
Табличный метод
Метод
двоичных шкал
Метод
связных списков

Методы учёта ресурсов
Наиболее распространенные методы учета ресурсов
Параметрический
метод
Табличный метод
Метод
двоичных шкал
Метод
связных списков
При использовании параметрического метода учета ресурс описывается либо количественно, либо адресами.
Пример: описание свободной памяти (адрес начала и адрес конца либо адрес начала и размер).
Для хранения данных о ресурсах операционная система создает специальную таблицу системных указателей.

Методы учёта ресурсов
Наиболее распространенные методы учета ресурсов
Табличный метод
Параметрический
метод
Метод
двоичных шкал
Метод
связных списков
Табличный метод используется для учета внешних устройств.
В системе используется набор таблиц 2-х типов:
1 глобальная и
несколько локальных таблиц.

Методы учёта ресурсов. Табличный метод
Количество столбцов состояния устройства и их названия зависят от устройства.
Количество строк локальной таблицы определяется числом устройств данного вида, указанным в глобальной таблице.
Глобальная таблица
N - число строк глобальной таблицы определяется числом видов учитываемых в системе устройств.
локальная таблица N
локальная таблица i
Каждой строке глобальной таблицы соответствует отдельная локальная таблица.
локальная таблица 1

Методы учёта ресурсов
Наиболее распространенные методы учета ресурсов
Параметрический
метод
Табличный метод
Метод
двоичных шкал
Метод
связных списков
Метод двоичных шкал используется чаще всего тогда, когда ресурс можно представить совокупностью равных по размеру частей(элементов).
Обычно используется при учете оперативной памяти или дискового пространства.

Методы учёта ресурсов. Метод двоичных шкал
Используются (к+1) шкала разрядностью N (N - максимальное число единиц ресурса, для которого ведется учет).
К шкал по числу процессов, использующих данный ресурс, плюс 1 шкала – системная.
Разряды системной шкалы принимают значения :
1(единица ресурс свободна) или 0 (единица ресурс занята).
Разряды шкалы процесса принимают значения :
1(единица ресурс не доступна) или 0 (единица ресурс используется процессом).
При выделение ресурсов разряды системной шкалы просматриваются слева направо.

Методы учёта ресурсов
Наиболее распространенные методы учета ресурсов
Параметрический
метод
Табличный метод
Метод
двоичных шкал
Метод
связных списков
Ресурсы, выделяемые процессам, и свободный ресурс описываются связными списками (иногда двунаправленным), причем каждому процессу соответствует свой отдельный список.
Свободная часть ресурс описывается отдельным списком.
Элемент списка соответствует фрагменту ресурса произвольного размера.
Элемент списка в простейшем случае должен содержать указатель на следующий элемент списка.
В общем случае элемент списка содержит:
1) указатель на то, какому процессу выделен ресурс ,
2) в каком количестве процессу выделен ресурс,
3) ссылка на следующий элемент,
4) ссылка на предыдущий элемент.
Среди системных объектов обязательно хранится указатель на начало списка.

Разделяемые и закрепляемые ресурсами
В зависимости от метода организации доступа ресурсы можно
разделить на две категории: разделяемые и закрепляемые/выделенные.
Ресурсы вычислительной системы
разделяемые -
ресурсы, которые могут
(условно) одновременно использоваться несколькими процессами,
например,
процессор, память, жесткие диски и т.д.
Способность некоторого ресурса быть разделяемым в большей степени обусловлена порядком организации работы с этим ресурсом, а не его конструктивными особенностями,
т.е. один и тот же ресурс может быть разделяемым в одной ОС и закрепляемым в другой.
Закрепляемые или выделенные -
ресурсы, которые должны отдаваться процессу в монопольное использование, например CD/DVD дисководы, принтеры и т.д.
Для монополизации ресурса он должен закрепляться за процессом средствами ОС.

Способы управления ресурсами
Способы управления ресурсами
Статическое управление -
предполагает, что все ресурсы, необходимые для выполнения процесса, выделяется при его создании (до начала его выполнения)
Динамическое управление
предполагает, что ресурсы выделяются процессам по мере выполнения процессов и по ходу возникновения запросов на ресурс
Процесс никогда не будет заблокирован из-за отсутствия ресурсов
Увеличивает стоимость системы из-за необходимости наличия большого количества ресурсов
-
+
Снижение числа ресурсов в системе, следовательно, снижение её стоимости
Возможные блокировки процессов и тупиковая ситуация в работе операционной системы
-
+

Проблема «тупика»
«Тупик» - состояние операционной системы, при котором она не может нормально развиваться, то есть выполнять некоторые процессы, так как они заблокированы из-за недоступности необходимого ресурса.
Решить проблему «тупика» позволяет «алгоритм банкира».

Постановка задачи обслуживания разделяемых ресурсов
Пусть есть несколько процессов, разделяющих в ходе своего выполнения общий ресурс.
Процессы выдают запросы на ресурс, указывая необходимое число его единиц.
Известны максимальные потребности в ресурсах каждого из процессов и общее число ресурсов в системе.
После завершения процесса происходит возврат в систему всего освобождённого ресурса.
Необходимо запрограммировать обслуживание запросов так, чтобы не возникала «тупиковая» ситуация.

«Алгоритм банкира»
Решить проблему «тупика» позволяет «алгоритм банкира»
достаточно ли запрашиваемого процессом ресурса для того, чтобы этот процесс завершился?
ресурс
выделяется
будет ли достаточно ресурса, оставшегося после удовлетворения текущего запроса, для завершения какого-либо процесса?
ДА
ДА
НЕТ
Блокировка процесса
Конец
1-ая проверка
2-ая проверка

«Алгоритм банкира». Ошибки формулировки.
Решить проблему «тупика» позволяет «алгоритм банкира»
достаточно ли запрашиваемого процессом ресурса для того, чтобы какой-либо процесс завершился?
ресурс
выделяется
будет ли достаточно ресурса, оставшегося после удовлетворения текущего запроса, для завершения какого-либо другого процесса?
ДА
ДА
НЕТ
Блокировка процесса
Конец
1-ая проверка
2-ая проверка

ресурс
выделяется
«Алгоритм банкира». Ошибки формулировки.
Комментарии.
Решить проблему «тупика» позволяет «алгоритм банкира»
достаточно ли запрашиваемого процессом ресурса для того, чтобы какой-либо процесс завершился?
будет ли достаточно ресурса, оставшегося после удовлетворения текущего запроса, для завершения какого-либо другого процесса?
ДА
ДА
НЕТ
Блокировка процесса
Конец
1-ая проверка
2-ая проверка
Какое отношение имеют другие процессы к текущему запросу?
На каком основании исключается рассмотрение дальнейшего развитие текущего процесса?

«Алгоритм банкира». Пример
2) будет ли достаточно ресурса, оставшегося после удовлетворения текущего запроса, для завершения какого-либо процесса?
Если да, запрос удовлетворяется (ресурс выделяется); если нет, процесс, породивший запрос, блокируется.
1) достаточно ли запрашиваемого процессом ресурса для того, чтобы этот процесс завершился?
если да, ресурс выделяется, если нет, выполняется вторая проверка;