Операционные системы. Управление ресурсами
Классификация и предварительный обзор операционных систем
В изданиях, упомянутых выше, классификация совмещается с историческим обзором, показывающим, как со временем увеличивались ресурсы вычислительных систем и соответственно усложнялись функции управления ими. Наряду с этим, нам представляется интересным провести классификацию также и в одном (сегодняшнем) временном срезе.
Мы будем классифицировать ОС по количеству пользователей и количеству задач (процессов), одновременно управляемых системой. Чем вызывается стремление увеличить эти показатели?
Доводы за многопользовательский режим составляют две группы. Во-первых, возьмем на себя смелость утверждать, что сегодня персональный компьютер возможен только как игрушка. Профессиональный программист или пользователь ЭВМ не может сегодня работать на персональном компьютере - он может (и должен) работать на сколь угодно интеллектуальном персональном терминале в глобальной компьютерной сети. Естественно, что стоимость обработки данных в такой сети может быть существенно снижена при концентрации программ и данных, относящихся к одному, например, проекту или предприятию, в одном узле этой сети с обеспечением доступа к ним всех пользователей этой информации. Во-вторых, в 70-е годы состояние средств вычислительной техники и их программного обеспечения позволило специалистам вывести правило о том, что при линейном возрастании стоимости вычислительной системы ее возможности возрастают в квадрате [8]. В середине 80-х годов это правило было нарушено из-за значительного снижения стоимости ПЭВМ за счет их массового производства, но в настоящее время технологии производства компонентов больших ЭВМ (мейнфреймов) по стоимостному показателю сравнялись с ПЭВМ [22, 28], и это правило вновь становится актуальным. Но более мощную вычислительную систему один пользователь будет просто не в состоянии загрузить - отсюда и необходимость в многопользовательском режиме.
Многозадачность (синоним: мультипрограммирование - "режим работы, предусматривающий поочередное выполнение двух или более программ одним процессором" [4]) при ее возникновении была обусловлена стремлением наиболее полно использовать ресурсы.
При работе системы в пакетном режиме целью, к которой стремится ОС, является повышение пропускной способности - обслуживание как можно большего числа заданий в единицу времени. Поскольку аппаратная архитектура большинства вычислительных систем допускает параллельное функционирование центрального процессора и каналов ввода-вывода, очевидным представляется программное решение, использующее это распараллеливание: один процесс выполняется на центральном процессоре, в то время как другой (другие) работает с каналом (каналами) ввода-вывода. С заменой перфокарточных и перфоленточных устройств ввода на терминалы стал активно развиваться интерактивный режим. Понятие "задание" (job) сменяется понятием "сеанс" (session). В отличие от задания, в котором исходные данные готовились до начала выполнения программы и вводились в ЭВМ вместе с программой, в сеансе эти данные вводятся уже в ходе выполнения, зачастую они просто не могут быть подготовлены заранее. Пока в одном сеансе происходит подготовка и ввод данных, система может обслуживать другие сеансы. Поскольку ввод данных, выполняемый оператором или пользователем, - процесс очень медленный, уровень мультипрограммирования (количество параллельно выполняемых процессов) в такой системе значительно повышается. При управлении ресурсами в интерактивном режиме на передний план выдвигается цель справедливого обслуживания: обеспечение минимальной дисперсии времени ответа системы на ввод данных пользователем и приемлемого времени ожидания ответа.
Разновидностью интерактивного режима можно считать вычисления в режиме клиент/сервер [25]. В этом режиме управление каким-либо ресурсом (например, базой данных) осуществляется отдельным процессом (возможно, и отдельным компьютером в сети) - сервером. Приложения-клиенты - для получения доступа к ресурсу обращаются к серверу. При любой обработке данных имеются три основных уровня манипулирования данными, как показано на рисунке 1.2:
- хранение данных;
- бизнес-логика, т.е. выборка и обработка данных для нужд прикладной задачи;
- представление данных и результатов обработки конечному пользователю.
 Рис.1.2. Уровни обработки и модели клиент/серверных вычислений |
- если сервер выполняет только хранение данных и при необходимости вся единица хранения данных (файл) пересылается клиенту, и всю дальнейшую работу с данными выполняет клиент, то это вариант файлового сервера;.
- если на сервер возлагается выполнение одной из самых трудоемких функций логики приложения - выборки необходимых для обработки данных то это вариант вариант сервера данных;
- если вся логика приложений (или блдьшая ее часть) выполняется на сервере, а в клиентскую часть передаются лишь результаты обработки, то это вариант сервера приложений.
В любом из этих вариантов клиентские ОС работают в интерактивном режиме, обслуживая пользователей-операторов, а ОС сервера - тоже в интерактивном режиме, но пользователями для нее являются приложения-клиенты. Отличия режима клиент/сервер от обычного интерактивного скорее количественные, чем качественные: ОС сервера выполняет несколько более длинные последовательности процессорных команд без обращения к операциям ввода-вывода и несколько реже получает внешние прерывания. Поэтому дисциплины управления ресурсами в интерактивных и клиент/сервер ОС различаются не структурами алгоритмов, а их параметрами.
Сходные задачи стоят и перед системами реального времени, как правило, работающими в непосредственной связи (on-line) с объектом управления и выполняющими некоторые операции по управлению либо периодически, либо по требованию. Но в отличие от интерактивных или клиент/серверных ОС, для систем реального времени основной целью является обеспечение гарантированного времени ответа, ни в коем случае не превышающего некоторого критического значения.
Наконец, современная ( и перспективная) модель вычислений предполагает выделение разнесение всех трех уровней клиент-серверной архитектуры - клиент, сервер приложений, сервер данных - по разным ЭВМ. Функции клиента сводятся к презентации информации для конечного пользователя. Сервер приложений обеспечивает разнообразные вычислительные возможности. Сервер данных - прежде всего хранение и выборку данных, хотя может выполнять и значительную часть их обработки. В условиях развития глобальных коммуникаций каждый клиент может получать обслуживание от многих серверов приложений, а каждый сервер приложений - получать данные из многих источников, как показано на рис.1.3.
 Рис.1.3. Трехуровневая архитектура клиент/сервер |
Хотя описанное нами развитие методов обработки данных происходит во времени, новый подход никогда полностью не отменяет предыдущие. В настоящее время в эксплуатации находятся вычислительные системы с самым разным объемом ресурсов и с применением самых разных методов обработки информации.
Целью настоящего издания не является исчерпывающий обзор ОС, однако в тексте мы часто будем приводить примеры организации тех или иных функций в конкретных системах.
В сумме эти примеры, рассредоточенные по разным главам, могут составить не исчерпывающее, но довольно полное представление о нескольких ОС. Поэтому в приводимой ниже классификации мы дадим вводную характеристику тем ОС, которые составляют наш "банк примеров". Некоторые приводимые нами характеристики ОС, возможно, будут непонятны начинающему читателю, объяснения их вы найдете в следующих главах настоящего пособия.
Простейшим является класс однозадачных однопользовательских систем. Аппаратной платформой их является IBM PC (XT, AT), ОС - MS DOS. Поскольку ресурсы такой системы весьма ограничены, ее рассмотрение не представляет для целей данного пособия существенного интереса.
Класс многозадачных однопользовательских систем начинается с тандема MS DOS + Windows, но настоящими ОС этого класса являются OS/2 и Windows 9x. Эти ОС работают на аппаратной платформе не ниже процессора Intel 80386, ресурсы, поддерживаемые такими ОС, - более мощные, управление ими усложняется. Вместе с тем, в функции системы не входит защита ресурсов от других пользователей: в однопользовательской системе "украсть" ресурсы можно только у самого себя.
Windows 1.x - 3.x представляет собой надстройку над MS DOS, обеспечивающую управление виртуальной памятью (сегментную или сегментно-страничную - в зависимости от процессора - модель) и кооперативную многозадачность.
Операционные системы OS/2 и Windows 95/98/ME - системы многозадачные, однопользовательские.(Хотя OS/2 позиционируется на рынке как серверная система, ядро ее продолжает оставаться однопользовательским.) Они обеспечивают вытесняющую многозадачность и работу с нитями, а также богатый набор средств взаимодействия процессов. В них используется 32-разрядная (плоская) модель памяти
Многозадачные многопользовательские системы в настоящее время эксплуатируются на ЭВМ, работающих в многопользовательском интерактивном режиме или выполняющих функции серверов в сетях, их современные аппаратные платформы - на базе серверов Intel-Pentium и RISC-процессоров.
Управление ресурсами здесь усложняется не только из-за простого возрастания их объема, но и из-за изменения задач. Система исходит из "презумпции нечестности" пользователей - предположения о том, что любой процесс будет стремиться захватить как можно больше ресурсов в ущерб процессам других пользователей. ОС должна обеспечить справедливое распределение ресурсов между пользователями и их учет (возможно, для оплаты). Важной составляющей таких ОС является также обеспечение безопасности: защита программ и данных пользователя от их чтения или изменения или уничтожения другими пользователями.
Первым примером ОС такого класса, естественно, должна быть названа ОС Unix, которая существует и развивается с 1968г. ОС Unix оказала огромное влияние на развитие концепций построения ОС, породила множество клонов (BSD Unix, Solaris, AIX, Linux и т.д.) и является основой стандартов для ОС.
Windows NT (начиная с версии 5 - Windows 2000) является полностью 32-разрядной ОС с объектно-ориентированной структурой и строится на базе микроядра.
Семейство вычислительных систем AS/400 является результатом длительного эволюционного развития, начавшегося с IBM System/38 (1978г.). По ряду идей и решений эволюционный ряд System/38 - AS/400 является лидером в развитии ОС. Среди особенностей, делающих эту систему интересным примером для нас, следует назвать: объектно-ориентированную ее структуру и архитектуру на базе микроядра, одноуровневую модель памяти, мощные средства защиты. Системное программное обеспечение AS/400 двухуровневое: нижний уровень выполняется Лицензионным Внутренним Кодом (LIC - Licensed Internal Code) и обеспечивает аппаратную независимость верхнего уровня, который составляет собственно ОС OS/400. AS/400 отличается значительной степенью системной интеграции и высоким уровнем системных интерфейсов.
Наконец, последний рассматриваемый нами класс - гигаресурсные (термин введен нами) системы. Являясь также многозадачными и многопользовательскими, они отличаются от предыдущего класса тем, что ресурсы, управляемые ими, на несколько порядков большие.
Их аппаратной платформой являются мейнфреймы System/390 или ESA (Enterprise System Architecture) фирмы IBM, представляющие собой эволюционное развитие ряда System/360 - System/370. Современные мейнфреймы отличаются большим объемом возможностей, реализованных на аппаратном уровне, таких как мультипроцессорная обработка, средства создания системных комплексов, объединяющих несколько мейнфреймов, средства логического разделения ресурсов вычислительной системы, высокоэффективная архитектура каналов ввода-вывода, и т.д. Современные ОС ESA - VSE/ESA, VM/ESA, OS/390 представляют собой развитие работавших на System/360, System/370.
- VSE/ESA ориентирована на использование в конечных и промежуточных узлах сетей. Она функционирует на наименее мощных моделях мейнфреймов. VSE эффективно выполняет пакетную обработку и обработку транзакций в реальном времени.
- VM/ESA - гибкая интерактивная ОС, поддерживающая одновременное функционирование нескольких "гостевых" ОС на одной вычислительной системе.
- OS/390 (в последней версии - z/OS) - основная ОС для применения на наиболее мощных аппаратных средствах. Она обеспечивает наиболее эффективное управление ресурсами при пакетном и интерактивном режимах и обработке в реальном времени, возможно совмещение любых режимов. Обеспечивает также комплексирование вычислительных систем, динамическую реконфигурацию ввода-вывода, расширенные средства управления производительностью.
