Многозадачные операционные системы
Почти все современные операционные системы (Windows 95, Windows NT, Windows 2000, Unix) поддерживают преимущественную многозадачность (preemptive multi-tasking). Этот термин, который часто переводят как вытесняющая многозадачность, означает, что процесс или, точнее, его поток, который в данный момент активен, имеет преимущество перед другими конкурирующими потоками с одинаковым приоритетом. Системы Windows 3.1 и Macintosh поддерживают кооперативную многозадачность (cooperative multi-tasking), в которой все управление отдано системе. В такой системе легче программировать, но она менее эффективна.
Основным признаком многозадачной ОС является способность совмещать выполнение нескольких прикладных программ. Большое значение при этом имеет способ совмещения, то есть на каком уровне или как конкретно реализовано совмещение. Если однопроцессорная, но многозадачная, система выделяет каждой прикладной программе определенный квант времени (lime slice), спустя который она переключается на выполнение следующей программы, то это система с разделением времени (time-sharingsystem). Системы с разделением времени появились в начале 60-х. Они управлялись main/rame-компьютерами, обслуживающими многочисленные удаленные терминалы. В качестве терминалов сначала использовались обычные телетайпы, которые умели только вводить или выводить информацию.
Благодаря огромной разнице в скорости работы таких устройств, как телетайп и процессор, системы с разделением времени успевали переключаться между многими терминалами и вводить или выводить информацию так, что каждому пользователю казалось, что он единолично управляет удаленным процессором. Затем появились персональные компьютеры, которые стали использоваться в качестве удаленных терминалов. В связи с этим для операционной системы главного процессора (например, IBM-370) отпала необходимость заниматься посимвольным вводом-выводом. Теперь акцент в разработке операционных систем был перенесен на управление выполняемыми программными модулями, принадлежащими разным пользователям и одновременно находящимися в памяти главного компьютера. Появились такие понятия, как очередь заданий – очередь на обслуживание каким-либо устройством: принтером, плоттером, накопителем на магнитном носителе, приоритет задания, ожидаемое время завершения задания и т. д.
В настоящее время, когда каждый пользователь имеет достаточно мощный персональный компьютер, акценты в развитии ОС снова изменились. Теперь большое значение приобретает развитие сетевых, многозадачных ОС. В сущности, теперь пользователь имеет возможность установить на отдельном персональном компьютере многозадачную ОС и разрабатывать приложения, совмещающие выполнение нескольких процессов. Каждый процесс, в свою очередь, может состоять из нескольких потоков, выполняемых в адресном пространстве процесса.
Первые операционные системы, реализованные на персональных компьютерах, сильно уступали в концептуальном плане и по своим реальным возможностям системам с разделением времени, давно реализованным в mainframe- компьютерах. В WIN 16, например, тоже существует понятие многозадачности. Реализовано оно следующим образом: обработав очередное сообщение, приложение передает управление операционной системе, которая может передать управление другому приложению. Такой вид многозадачности, при котором операционная система передает управление от одного приложения другому не в любой момент времени, а только когда текущее приложение отдает управление системе, получил, как было упомянуто, название кооперативной многозадачности (cooperative multi-tasking).
Если при таком подходе обработка сообщения затягивается, то пользователь увидит реакцию системы только после завершения обработки текущим приложением текущего сообщения. Обычно при выполнении длительных операций программист изменяет форму курсора (песочные часы), вызвав API-функцию BeginWaitCursor. Иногда, если это предусмотрел разработчик программы, в таких случаях застрявшее приложение даже вызывает функцию PeekMessage, сообщая системе, что она может обработать очередное сообщение, а текущее приложение способно и подождать. Но главная неприятность при таком подходе заключается в том, что в случае бесконечного цикла, вызванного ошибкой в программе, ОС не имеет шансов получить управление и также зависнет. Пользователю придется перезагружать систему.
В Windows начиная с Windows 95 реализован принципиально другой вид многозадачности, в котором операционная система действительно контролирует и управляет процессами, потоками и их переключением. Способность операционной системы прервать выполняемый поток практически в любой момент времени и передать управление другому ожидающему потоку определяется термином preemptive multitasking – преимущественная, или вытесняющая, многозадачность. Реализация ее выглядит так: все существующие в данный момент потоки, часть из которых может принадлежать одному и тому же процессу, претендуют на процессорное время и, с точки зрения пользователя должны выполняться одновременно. Для создания этой иллюзии система через определенные промежутки времени забирает управление, анализирует свою очередь сообщений, распределяет сообщения по другим очередям в пространстве процессов и, если считает нужным, переключает потоки (рис. 12.5).
Реализация вытесняющей многозадачности в Windows 2000 дает не только возможность плавного переключения задач, но и устойчивость среды к зависаниям, так как ни одно приложение не может получить неограниченные права на процессорное время и другие ресурсы. Так система создает эффект одновременного выполнения нескольких приложений. Если компьютер имеет несколько процессоров, то системы Windows NT/2000 могут действительно совмещать выполнение нескольких приложений. Если процессор один, то совмещение остается иллюзией. Когда заканчивается квант времени, отведенный текущей программе, система ее прерывает, сохраняет контекст и отдает управление другой программе, которая ждет своей очереди. Величина кванта времени (time slice) зависит от ОС и типа процессора, в Windows NT она в среднем равна 20 мс.
Следует отметить, что добиться действительно одновременного выполнения потоков можно только на машине с несколькими процессорами и только под управлением Windows NT/2000, ядра которых поддерживают распределение потоков между процессорами и процессорного времени между потоками на каждом процессоре. Windows 95 работает только с одним процессором. Даже если у компьютера несколько процессоров, под управлением Windows 95 задействован лишь один из них, а остальные простаивают.
Рис. 12.5. Переключение потоков в системе с вытесняющей многозадачностью