Сравнение mutex и двоичного семафора
Любое взаимодействие процессов, связанное с разделением ресурсов или обменом данными, требует их синхронизации. Синхронизация заключается в согласовании скоростей процессов путем приостановки одного или нескольких из них до наступления некоторого события и последующей активизации при наступлении этого события.
Mutex(англ.mutex, отmutual exclusion — «взаимное исключение») — аналог одноместногосемафора, служащий впрограммированиидлясинхронизацииодновременно выполняющихсяпотоков.
Семафор — объект, ограничивающий количество потоков, которые могут войти в заданный участок кода. Семафоры используются для синхронизации и защиты передачи данных через разделяемую память, а также для синхронизации работы процессов и потоков.
Задача mutex— защита объекта от доступа к нему других потоков, отличных от того, который завладел mutex. В каждый конкретный момент только один поток может владеть объектом, защищённым mutex. Если другому потоку будет нужен доступ к переменной, защищённой mutex, то этот поток блокируется до тех пор, пока mutex не будет освобождён.
Цель использования mutex— защита данных от повреждения в результате асинхронных изменений.
Mutex отличается отсемафоратем, что только владеющий импотокможет его освободить, т.е. перевести в отмеченное состояние. Mutex— это один из вариантов семафорных механизмов для организации взаимного исключения. Они реализованы во многихОС, их основное назначение — организация взаимного исключения для потоков из одного и того же или из разных процессов.
|
|
|
| Семафор - это защищенная переменная, значение которой можно опрашивать и менять только при помощи специальных операций wait и signal и операции инициализации init. Двоичные семафоры могут принимать только значения 0 и 1. Используя семафор, можно организовать работу программы таким образом, что к ресурсу одновременно смогут получить доступ несколько потоков, однако количество этих потоков будет ограничено. Создавая семафор, указывается максимальное количество потоков, которые одновременно смогут работать с ресурсом. | Mutex — это простейшие двоичные семафоры, которые могут находиться в одном из двух состояний — отмеченном или неотмеченном (открыт и закрыт соответственно). Когда какой-либо поток, принадлежащий любому процессу, становится владельцем объекта mutex, последний переводится в закрытое состояние. Если задача освобождает mutex, его состояние становится открытым. Ни один другой поток не может завладеть mutex, который уже принадлежит одному из потоков. Если mutex защищает какие-то совместно используемые данные, он сможет выполнить свою функцию только в случае, если перед обращением к этим данным каждый из потоков будет проверять состояние этого mutex. |
Пример mutex: Mutex можно рассматривать как комнату изначально открытую. Первый процесс, который зашел под mutex, то первый человек вошедший в комнату закрывает ее. Другие процессы или другие люди не могут попасть в эту комнату пока предыдущий процесс, то есть человек не откроет комнату и не выйдет из нее. То есть мы имеем взаимное исключение при доступе к общему ресурсу в чистом виде.
|
|
|
Управление оперативной памятью
Оперативная память — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.
Оперативная память Вашей системы может быть следующих видов:
ü обычная или базовая память;
ü дополнительная память;
ü расширенная память;
ü верхняя память.
Ø Базовая память. Операционная система MS DOS, а, следовательно, и подавляющее большинство работающих под ее управлением программ могут использовать лишь первый мегабайт памяти, который часто называют базовой памятью. Эта память в рамках ДОС поделена на две неравные части: первые 640 К (1К = 1024 байт) отводятся для программ пользователя и отдельных частей самой ДОС и называются стандартной памятью (conventional memory). Для использования стандартной памяти не нужны никакие дополнительные драйверы, поскольку операционная система MS-DOS изначально создана для работы в адресах 0-640 Кбайт. Оставшиеся 384 К зарезервированы для памяти видеоадаптеров и ПЗУ и называются верхним блоком памяти (UMB - Uper Memory Block).
|
|
|
Ø Дополнительная память. Память ПК, остающаяся за вычетом первого мегабайта (т.е. за вычетом базовой памяти), называется дополнительной (Extended Memory). Дополнительная память является естественным дополнением к обычной (базовой) памяти компьютера, на что и указывает само её название. Однако единственный (но, к сожалению, определяющий) факт, в котором нет никакой естественности, заключается в том, что подавляющему большинству программ MS DOS она не доступна! Чтобы использовать дополнительную память, процессор компьютера должен работать в специальном режиме, называемом защищённым. А операционная система MS DOS не поддерживает этого режима процессора.
Ø Расширенная память. Ранние IBM-совместимые ПК типа IBM PC/XT оснащались микропроцессорами 8088 или 8086, способными работать с оперативной памятью емкостью не более 1 Мбайт. Несмотря на значительные размеры этой памяти, в ряде прикладных программ ее оказывается недостаточно. Такие программы вынуждены интенсивно использовать диск для размещения больших объемов данных, что сильно снижает их производительность. Поэтому почти одновременно с появлением компьютеров IBM PC/XT начались поиски путей повышения производительности крупных прикладных пропоим (табличных процессоров, систем управления базами данных и т.п.) за счет использования оперативной памяти большего чем 1 Мбайт размера. Эти поиски привели к выработке соглашения между ведущими фирмами-разработчиками программно-аппаратных средств, которое известно, как EMS LIM (от Expanded Memory Specification - спецификация расширенной памяти, удовлетворяющая стандарту фирм Lotus-Intel-Microsoft). В соответствии с этим стандартом ПК оснащаются специальными EMS-платами, содержащими собственно расширенную память н микросхемы, обеспечивающие доступ к ней. Память, организованная по принципам спецификации EMS, называется расширенной памятью.
|
|
|
Ø Верхняя память. Помимо базовой, расширенной и дополнительной памяти, в ПК существует еще так называемая верхняя память. Как известно, 20-разрядный адрес при работе ПК в реальном режиме образуется путем сложения двух 16-разрядных слов - сегмента и смещения. Перед сложением сегмент смещается на 4 разряда влево (умножается на 16), что и обеспечивает 20-разрядный результат сложения - адрес конкретного байта. Формальное сложение сегмента и смещения может привести к переполнению 20-разрядной адресной сетки.
ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), оно же RAM ("Random Access Memory" — память с произвольным доступом), представляет собой область временного хранения данных, при помощи которой обеспечивается функционирование программного обеспечения. Физически, оперативная память в системе представляет собой набор микросхем или модулей (содержащих микросхемы), которые обычно подключаются к системной плате.
В процессе работы память выступает в качестве временного буфера (в ней хранятся данные и запущенные программы) между дисковыми накопителями и процессором, благодаря значительно большей скорости чтения и записи данных.
По своей структуре память напоминает пчелиные соты, т.е. состоит из ячеек, каждая из которых предназначена для хранения мёда определенного объема данных, как правило, одного или четырех бит. Каждая ячейка оной имеет свой уникальный «домашний» адрес, который делится на два компонента — адрес горизонтальной строки (Row) и вертикального столбца (Column).
Ячейки представляют собой конденсаторы, способные накапливать электрический заряд. С помощью специальных усилителей аналоговые сигналы переводятся в цифровые, которые в свою очередь образуют данные). Для передачи на микросхему памяти адреса строки служит некий сигнал, который зовется RAS (Row Address Strobe), а для адреса столбца — сигнал CAS (Column Address Strobe). Схема работы оперативной памяти (рис. 11):
Рис. 11. Работа оперативной памяти
Обмен данными между процессором и памятью может происходить напрямую, но чаще все же бывает с участием кэш-памяти.
Оперативной памятью управляет контроллер, который находится в чипсете материнской платы, а точнее в той его части, которая называется North Bridge (северный мост) — он обеспечивает подключение CPU (процессора) к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер (смотрите изображение).
Рассмотрим еще один важный аспект работы ОП — это ее деление на несколько разделов с помощью специального программного обеспечения (ПО), которое поддерживается операционными системами.
Дело в том, что современные устройства оперативной памяти являются достаточно объемными (привет двухтысячным, когда хватало и 32 Mб), чтобы в ней можно было размещать данные от нескольких одновременно работающих задач. Процессор также может одновременно обрабатывать несколько задач. Это обстоятельство способствовало развитию так называемой системы динамического распределения памяти, когда под каждую обрабатываемую процессором задачу отводятся динамические (переменные по своей величине и местоположению) разделы оперативной памяти.
Динамический характер работы позволяет распоряжаться имеющейся памятью более экономно, своевременно «изымая» лишние участки памяти у одних задач и «добавляя» дополнительные участки — другим (в зависимости от их важности, объема обрабатываемой информации, срочности выполнения и т.п.). За «правильное» динамическое распределение памяти в ПК отвечает операционная система, тогда как за «правильное» использование памяти, отвечает прикладное программное обеспечение.
Совершенно очевидно, что прикладные программы должны иметь способность работать под управлением операционной системы, в противном случае последняя не сможет выделить такой программе оперативную память или она не сможет «правильно» работать в пределах отведенной памяти. Именно поэтому не всегда удается запустить под современной ОС, ранее написанные программы, которые работали под управлением устаревших систем, например, под ранними версиями Windows (Windows 98).
Виртуальная память
В настоящее время виртуальная память аппаратно поддерживается в большинстве современных процессоров. В то же время в микроконтроллерах и в системах специального назначения, где требуется либо очень быстрая работа, либо есть ограничения на длительность отклика (системы реального времени) виртуальная память используется относительно редко. Также в таких системах реже встречается многозадачность и сложные иерархии памяти.
Прежде чем виртуальная память смогла быть использована в распространённых операционных системах, должен был быть решен ряд проблем. Динамическая трансляция адресов требовала дорогого и сложного в изготовлении специального оборудования. Первые реализации замедляли доступ к памяти. Существовали опасения, что новые общесистемные алгоритмы, использующие внешнюю память, будут менее эффективны, чем ранее использовавшиеся алгоритмы конкретных приложений. К 1969 году дебаты вокруг виртуальной памяти для промышленно выпускаемых компьютеров были завершены: команда исследователей из IBM под руководством Дэвида Сейра (англ. David Sayre) показала, что созданная ими система виртуальной памяти во всех отношениях превосходит самые лучшие системы, управляемые вручную. Первым мини-компьютером, в котором была использована виртуальная память, был норвежский NORD-1. В 1970-е годы реализации виртуальной памяти появились в других мини-компьютерах, наиболее известным является VAX, работающий под управлением операционной системы VMS.
Виртуальная память в архитектуре x86 была реализована с появлением защищенного режима процессора 80286, однако она использовала сегментацию памяти, и метод подкачки сегментов плохо масштабировался для больших размеров сегментов. В процессоре 80386 была введена поддержка подкачки страниц, не приводящая к возникновению двойной ошибки, если во время обработки другого исключения возникло исключение ошибки страницы. Поверх системы подкачки страниц работал существующий механизм сегментации памяти. Однако загрузка дескрипторов сегментов являлась дорогостоящей операцией, заставляя разработчиков операционных систем полагаться только на механизм подкачки страниц, а не на комбинацию подкачки страниц и сегментации.
Программа (процесс) обращается к памяти только по виртуальным адресам, а перевод виртуального адреса в реальный производится только при обращении по этому адресу. Между двумя обращениями по одному и тому же виртуальному адресу процесс может быть перемещен операционной системой в другую область реальной памяти. Системные средства, ответственные за привязку адресов, будут "знать" о произведенном перемещении и при втором обращении привяжут тот же виртуальный адрес к новому реальному адресу. Поскольку виртуальный адрес не изменился, то перемещение оказалось совершенно прозрачным для процесса, такие процессы называются перемещаемыми динамически. При такой трансляции адресов привязка выполняется при каждом обращении к памяти, то есть, очень часто. Поэтому естественным решением является выполнение этой функции на аппаратном уровне. Аппаратура переводит виртуальные адреса в реальные, используя некоторые таблицы трансляции. Подготовка таблиц трансляции адресов - операция, выполняемая для процесса одноразово, модификация их производится также нечасто (при перемещении процесса), поэтому задача формирования и модификации таблиц трансляции возлагается на ОС.
Нам неизвестны ОС, поддерживающие односегментную модель "в чистом виде", но ее рассмотрение облегчит понимание более сложных моделей.
Внешне (с точки зрения программиста) эта модель очень похожа на модель с фиксированными разделами: программа-процесс готовится в плоском виртуальном адресном пространстве. Процесс занимает непрерывное пространство виртуальной памяти, и в реальную память он также загружается в один непрерывный раздел (сегмент). Сегмент может начинаться с любого адреса реальной памяти и иметь любой раздел, не превышающий, однако, размера реальной памяти. Существенное отличие сегментной модели состоит в том, что она использует аппаратную динамическую трансляцию адресов. Загруженный в реальную память и выполняющийся процесс продолжает обращаться к памяти, используя виртуальные адреса, и лишь при каждом конкретном обращении виртуальный адрес аппаратно переводится в реальный. В вычислительной системе, поддерживающей односегментную модель, должен существовать регистр дескриптора сегмента, содержимое которого состоит из двух полей: начального (базового) адреса сегмента в реальной памяти и длины сегмента. Когда процесс размещается в памяти, для выделенного ему сегмента формируется дескриптор, который записывается в вектор состояния в контексте процесса. При переключении контекста дескриптор сегмента загружается в аппаратный регистр дескриптора сегмента и служит той "таблицей трансляции", по которой аппаратура переводит виртуальные адреса в реальные. Сама трансляция адресов происходит по простейшему алгоритму. Поскольку виртуальное адресное пространство процесса представляет собой линейную последовательность адресов, начинающуюся с 0, виртуальный адрес является простым смещением относительно начала сегмента. Реальный адрес получается сложением виртуального адреса с базовым адресом, выбранным из дескриптора сегмента, как показано на Рисунке 3.4. Единственный путь для выхода процесса за пределы своего виртуального адресного пространства - задание виртуального адреса, большего, чем размер сегмента. Этот путь легко может быть перекрыт, если аппаратура при трансляции адресов будет сравнивать виртуальный адрес с длиной сегмента и выполнять прерывание-ловушку, если виртуальный адрес больше.
Сегментация памяти
Подход к организации памяти опирается на тот факт, что программы обычно разделяются на отдельные области-сегменты. Каждый сегмент представляет собой отдельную логическую единицу информации, содержащую совокупность данных или программ и расположенную в адресном пространстве пользователя. Сегменты создаются пользователями, которые могут обращаться к ним по символическому имени. В каждом сегменте устанавливается своя собственная нумерация слов, начиная с нуля.
Обычно в подобных системах обмен информацией между пользователями строится на базе сегментов. Поэтому сегменты являются отдельными логическими единицами информации, которые необходимо защищать, и именно на этом уровне вводятся различные режимы доступа к сегментам. Можно выделить два основных типа сегментов: программные сегменты и сегменты данных (сегменты стека являются частным случаем сегментов данных). Поскольку общие программы должны обладать свойством повторной входимости, то из программных сегментов допускается только выборка команд и чтение констант. Запись в программные сегменты может рассматриваться как незаконная и запрещаться системой. Выборка команд из сегментов данных также может считаться незаконной и любой сегмент данных может быть защищен от обращений по записи или по чтению.
Для реализации сегментации было предложено несколько схем, которые отличаются деталями реализации, но основаны на одних и тех же принципах.
В системах с сегментацией памяти каждое слово в адресном пространстве пользователя определяется виртуальным адресом, состоящим из двух частей: старшие разряды адреса, рассматриваются как номер сегмента, а младшие — как номер слова внутри сегмента. Наряду с сегментацией может также использоваться страничная организация памяти. В этом случае виртуальный адрес слова состоит из трех частей: старшие разряды адреса определяют номер сегмента, средние — номер страницы внутри сегмента, а младшие — номер слова внутри страницы.
Как и в случае страничной организации, необходимо обеспечить преобразование виртуального адреса в реальный физический адрес основной памяти. С этой целью для каждого пользователя операционная система должна сформировать таблицу сегментов. Каждый элемент таблицы сегментов содержит описатель (дескриптор) сегмента (поля базы, границы и индикаторов режима доступа). При отсутствии страничной организации поле базы определяет адрес начала сегмента в основной памяти, а граница — длину сегмента. При наличии страничной организации поле базы определяет адрес начала таблицы страниц данного сегмента, а граница — число страниц в сегменте. Поле индикаторов режима доступа представляет собой некоторую комбинацию признаков блокировки чтения, записи и выполнения.
Таблицы сегментов различных пользователей операционная система хранит в основной памяти. Для определения расположения таблицы сегментов выполняющейся программы используется специальный регистр защиты, который загружается операционной системой перед началом ее выполнения. Этот регистр содержит дескриптор таблицы сегментов (базу и границу), причем база содержит адрес начала таблицы сегментов выполняющейся программы, а граница — длину этой таблицы сегментов. Разряды номера сегмента виртуального адреса используются в качестве индекса для поиска в таблице сегментов. Таким образом, наличие базово-граничных пар в дескрипторе таблицы сегментов и элементах таблицы сегментов предотвращает возможность обращения программы пользователя к таблицам сегментов и страниц, с которыми она не связана. Наличие в элементах таблицы сегментов индикаторов режима доступа позволяет осуществить необходимый режим доступа к сегменту со стороны данной программы. Для повышения эффективности схемы используется ассоциативная кэш-память.
Следует отметить, что в описанной схеме сегментации таблица сегментов с индикаторами доступа предоставляет всем программам, являющимся частями некоторой задачи, одинаковые возможности доступа, т. е. она определяет единственную область (домен) защиты. Однако для создания защищенных подсистем в рамках одной задачи для того, чтобы изменять возможности доступа, когда точка выполнения переходит через различные программы, управляющие ее решением, необходимо связать с каждой задачей множество доменов защиты. Реализация защищенных подсистем требует разработки некоторых специальных аппаратных средств. Рассмотрение таких систем, которые включают в себя кольцевые схемы защиты, а также различного рода мандатные схемы защиты, выходит за рамки данного обзора.
Алгоритмы подкачки
Для управления подкачки применяются следующие алгоритмы:
ü подкачка (вталкивание) по запросу (по требованию);
ü подкачка (вталкивание) с упреждением (опережением).
Подкачка по запросу предполагает, что система ждет ссылки на страницу или сегмент от выполняющегося процесса и только после появления такой ссылки начинает переписывать данную страницу или сегмент в первичную память. Подкачка по запросу имеет положительные и отрицательные стороны.
К положительным сторонам относятся:
Ø гарантировано, что в первичную память будут переписываться только те страницы (сегменты), которые необходимы для работы процесса;
Ø накладные расходы на то, чтобы определить, какие страницы или сегменты следует передавать в первичную память, минимальны.
К недостаткам подкачки по запросу относится тот факт, что процесс в этом случае накапливает в первичной памяти требуемые ему страницы (сегменты) по одной. При появлении ссылки на каждую новую страницу (сегмент) процессу приходится ждать, когда эта страница (или сегмент) будет передана в первичную память. В зависимости от того, сколько страниц (сегментов) данного процесса уже находится в первичной памяти, эти периоды ожидания будут обходиться все более дорого, поскольку ожидающие процессы будут занимать все больший объем памяти.
Подкачка с упреждением предполагает, что система пытается заблаговременно определить, к каким страницам или сегментам будет обращаться процесс. Если вероятность обращения высока и в первичной памяти имеется свободное место, то соответствующие страницы или сегменты будут переписываться в первичную память еще до того, как к ним будет явно производиться обращение. При правильном выборе страниц (сегментов) для упреждающей подкачки удается существенно сократить общее время выполнения данного процесса и уменьшить значение показателя “пространство-время”.
К недостаткам стратегии подкачки с упреждением можно отнести тот факт, что, согласно теории вычислимости, точно предсказать путь, по которому будет развиваться процесс, в общем случае невозможно. Поэтому вполне возможны ситуации, когда решения о выборе станиц (сегментов) для упреждающей подкачки будет в большинстве случаев приниматься неверно для одного или нескольких процессов, развивающихся в системе, что в свою очередь приведет к резкому снижению скорости работы этих процессов из-за увеличения времени ожидания необходимых им страниц или сегментов.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 716; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!