Глава 4 Планирование выполнения процессов

Глава 4

Планирование выполнения процессов

В предыдущей главе были рассмотрены процессы — абстракция операционной системы, связанная с активным программным кодом. В этой главе представлен планировщик процессов — код, который позволяет процессам выполняться.

Планировщик (scheduler) — это компонент ядра, который выбирает из всех процессов системы тот, который должен выполняться следующим. Таким образом, планировщик (или, как еще его называют, планировщик выполнения процессов) можно рассматривать как программный код, распределяющий конечные ресурсы процессорного времени между теми процессами операционной системы, которые могут выполняться. Планировщик является основой многозадачных (multitasking) операционных систем, таких как ОС Linux. Принимая решение о том, какой процесс должен выполняться следующим, планировщик несет ответственность за наилучшее использование ресурсов системы и создает впечатление того, что несколько процессов выполняются одновременно.

Идея, лежащая в основе планирования выполнения процессов, достаточно проста. При наличии готовых к выполнению процессов, для того чтобы лучше использовать процессорное время, необходимо, чтобы всегда выполнялся какой-нибудь процесс. Если в системе процессов больше, чем процессоров, то некоторые процессы будут выполняться не во все моменты времени. Эти процессы готовы к выполнению (runnable). Исходя из информации о наборе готовых к выполнению процессов, выбор того процесса, который должен выполняться в следующий момент времени, и есть то фундаментальное решение, которое принимает планировщик.

Многозадачные операционные системы— это те, которые могут выполнять попеременно или одновременно несколько процессов. На однопроцессорной машине такие системы создает иллюзию того, что несколько процессов выполняются одновременно. На многопроцессорной машине они позволяют процессам действительно выполняться параллельно на нескольких процессорах. На машинах любого типа эти системы позволяют процессам выполняться в фоновом режиме и не занимать процессорное время, если нет соответствующей работы. Такие задания, хотя и находятся в памяти, но не готовы к выполнению. Вместо этого данные процессы используют ядро, чтобы блокироваться до тех пор, пока не произойдет некоторое событие (ввод с клавиатуры, приход данных по сети, наступление некоторого момента времени в будущем и т.д.). Следовательно, ОС Linux может содержать 100 процессов в памяти, но только один из них будет в исполняемом состоянии.

Многозадачные (multitasking) операционные системы бывают двух видов: системы с кооперативной (cooperative) многозадачностью и системы с вытесняющей (preemptive, преемптивной) многозадачностью. Операционная система Linux, так же как и большинство вариантов ОС Unix и других современных операционных систем, обеспечивает вытесняющую многозадачность. В системе с вытесняющей многозадачностью решение о том, когда один процесс должен прекратить выполнение, а другой возобновить его, принимает планировщик. Событие, заключающееся в принудительном замораживании выполняющегося процесса, называется вытеснением (preemption) этого процесса. Период времени, в течение которого процесс выполняется перед тем, как будет вытеснен, известен заранее. Этот период называется квантом времени (timeslice) процесса. В действительности квант времени соответствует той части процессорного времени, которая выделяется процессу. С помощью управления величинами квантов времени процессов планировщик принимает также и глобальное решение о планировании работы всей системы. При этом, кроме всего прочего, предотвращается возможность монопольного использования ресурсов всей системы одним процессом. Как будет показано далее, величины квантов времени в операционной системе Linux рассчитываются динамически, что позволяет получить некоторые интересные преимущества.

В противоположность рассмотренному выше типу многозадачности, в системах с кооперативной многозадачностью процесс продолжает выполняться до тех пор, пока он добровольно не примет решение о прекращении выполнения. Событие, связанное с произвольным замораживанием выполняющегося процесса, называется передачей управления (yielding). У такого подхода очень много недостатков: планировщик не может принимать глобальные решения относительно того, сколько процессы должны выполняться; процесс может монополизировать процессор на большее время, чем это необходимо пользователю; "зависший" процесс, который никогда не передает управление системе, потенциально может привести к неработоспособности системы. К счастью, большинство операционных систем, разработанных за последнее десятилетие, предоставляют режим вытесняющей многозадачности. Наиболее известным исключением является операционная система Mac OS версии 9 и более ранних версий. Конечно, операционная система Unix имеет вытесняющую многозадачность с момента своего создания.

При разработке ядер ОС Linux серии 2.5, планировщик ядра был полностью реконструирован. Новый тип планировщика часто называется O(1)-планировщиком (O(1) scheduler) в связи с соответствующим масштабированием времени выполнения алгоритма планирования[19]. Этот планировщик позволяет преодолеть недостатки предыдущих версий планировщика ядра Linux и обеспечить расширенную функциональность, а также более высокие характеристики производительности. В этой главе будут рассмотрены основы работы планировщиков, как эти основы использованы в О(1)-планировщике, а также цели создания O(1)-планировщика, его устройство, практическая реализация, алгоритмы работы и соответствующие системные вызовы.