Архитектура операционной системы UNIX (ЛП) - Бах Морис Дж.

Проблемы возникают тогда, когда драйвер прерывает работу системы и его семафор захвачен: программа обработки прерываний не может быть вызвана, так как иначе возникла бы угроза разрушения данных. С другой стороны, ядро не может оставить прерывание необработанным. Система 3B20A выстраивает прерывания в очередь и ждет момента освобождения семафора, когда вызов программы обработки прерываний не будет иметь опасные последствия.

Когда ядро выполняет переключение контекста в однопроцессорной системе, оно функционирует в контексте процесса, уступающего управление (см. главу 6). Если в системе нет процессов, готовых к запуску, ядро переходит в состояние простоя в контексте процесса, выполнявшегося последним. Получив прерывание от таймера или других периферийных устройств, оно обрабатывает его в контексте того же процесса.

В многопроцессорной системе ядро не может простаивать в контексте процесса, выполнявшегося последним. Посмотрим, что произойдет после того, как процесс, приостановивший свою работу на процессоре A, выйдет из состояния приостанова. Процесс в целом готов к запуску, но он запускается не сразу же по выходе из состояния приостанова, даже несмотря на то, что его контекст уже находится в распоряжении процессора A. Если этот процесс выбирается для запуска процессором B, последний переключается на его контекст и возобновляет его выполнение. Когда в результате прерывания процессор A выйдет из простоя, он будет продолжать свою работу в контексте процесса A до тех пор, пока не произведет переключение контекста. Таким образом, в течение короткого промежутка времени с одним и тем же адресным пространством (в частности, со стеком ядра) будут вести работу (и, что весьма вероятно, производить запись) сразу два процессора.

Решение этой проблемы состоит в создании некоторого фиктивного процесса; когда процессор находится в состоянии простоя, ядро переключается на контекст фиктивного процесса, делая этот контекст текущим для бездействующего процессора. Контекст фиктивного процесса состоит только из стека ядра; этот процесс не является выполнимым и не выбирается для запуска. Поскольку каждый процессор простаивает в контексте своего собственного фиктивного процесса, навредить друг другу процессоры уже не могут.

Пользовательский интерфейс системы Tunis совместим с аналогичным интерфейсом системы UNIX, но ядро этой системы, разработанное на языке Concurrent Euclid, состоит из процессов, управляющих каждой частью системы. Проблема взаимного исключения решается в системе Tunis довольно просто, так как в каждый момент времени исполняется не более одной копии управляемого ядром процесса, кроме того, процессы работают только с теми структурами данных, которые им принадлежат. Системные процессы активизируются запросами на ввод, защиту очереди запросов осуществляет процедура программного монитора. Эта процедура усиливает взаимное исключение, разрешая доступ к своей исполняемой части в каждый момент времени не более, чем одному процессу. Механизм монитора отличается от механизма семафоров тем, что, во-первых, благодаря последним усиливается модульность программ (операции P и V присутствуют на входе в процедуру монитора и на выходе из нее), а во-вторых, сгенерированный компилятором код уже содержит элементы синхронизации. Холт отмечает, что разработка таких систем облегчается, если используется язык, поддерживающий мониторы и включающий понятие параллелизма (см. [Holt 83], стр.190). При всем при этом внутренняя структура системы Tunis отличается от традиционной реализации системы UNIX радикальным образом.

В данной главе нами были рассмотрены два метода реализации многопроцессорных версий системы UNIX: конфигурация, состоящая из главного и подчиненного процессоров, в которой только один процессор (главный) функционирует в режиме ядра, и метод, основанный на использовании семафоров и допускающий одновременное исполнение в режиме ядра всех имеющихся в системе процессов. Оба метода инвариантны к количеству процессоров, однако говорить о том, что с ростом числа процессоров общая производительность системы увеличивается с линейной скоростью, нельзя. Потери производительности возникают, во-первых, как следствие конкуренции за ресурсы памяти, которая выражается в увеличении продолжительности обращения к памяти. Во-вторых, в схеме, основанной на использовании семафоров, к этой конкуренции добавляется соперничество за семафоры; процессы зачастую обнаруживают семафоры захваченными, больше процессов находится в очереди, долгое время ожидая получения доступа к семафорам. Первая схема, основанная на использовании главного и подчиненного процессоров, тоже не лишена недостатков: по мере увеличения числа процессоров главный процессор становится узким местом в системе, поскольку только он один может функционировать в режиме ядра. Несмотря на то, что более внимательное техническое проектирование позволяет сократить конкуренцию до разумного минимума и в некоторых случаях приблизить скорость повышения производительности системы при увеличении числа процессоров к линейной (см., например, [Beck 85]), все построенные с использованием современной технологии многопроцессорные системы имеют предел, за которым расширение состава процессоров не сопровождается увеличением производительности системы.

1. Решите проблему функционирования многопроцессорных систем таким образом, чтобы все процессоры в системе могли функционировать в режиме ядра, но не более одного одновременно. Такое решение будет отличаться от первой из предложенных в тексте схем, где только один процессор (главный) предназначен для реализации функций ядра. Как добиться того, чтобы в режиме ядра в каждый момент времени находился только один процессор? Какую стратегию обработки прерываний при этом можно считать приемлемой?

2. Используя системные функции работы с разделяемой областью памяти, протестируйте программу, реализующую семафорную блокировку (Рисунок 12.6). Последовательности операций P-V над семафором могут независимо один от другого выполнять несколько процессов. Каким образом в программе следует реализовать индикацию и обработку ошибок?

3. Разработайте алгоритм выполнения операции CP (условный тип операции P), используя текст алгоритма операции P.

4. Объясните, зачем в алгоритмах операций P и V (Рисунки 12.8 и 12.9) нужна блокировка прерываний. В какие моменты ее следует осуществлять?

5. Почему при выполнении "циклической блокировки" вместо строки:

while (! CP(семафор));

ядро не может использовать операцию P безусловного типа? (В качестве наводящего вопроса: что произойдет в том случае, если процесс запустит операцию P и приостановится?)

6. Обратимся к алгоритму getblk, приведенному в главе 3. Опишите реализацию алгоритма в многопроцессорной системе для случая, когда блок отсутствует в буферном кеше.

*7. Предположим, что при выполнении алгоритма выделения буфера возникла чрезвычайно сильная конкуренция за семафор, принадлежащий списку свободных буферов. Разработайте схему ослабления конкуренции за счет разбиения списка свободных буферов на два подсписка.

*8. Предположим, что у терминального драйвера имеется семафор, значение которого при инициализации сбрасывается в 0 и по которому процессы приостанавливают свою работу в случае переполнения буфера вывода на терминал. Когда терминал готов к приему следующей порции данных, он выводит из состояния ожидания все процессы, приостановленные по семафору. Разработайте схему возобновления процессов, использующую операции типа P и V. В случае необходимости введите дополнительные флаги и семафоры. Как должна вести себя схема в том случае, если процессы выводятся из состояния ожидания по прерыванию, но при этом текущий процессор не имеет возможности блокировать прерывания на других процессорах?