Организация многозадачности

Одним из наиболее актуальных вопросов, которые решает любая многозадачная операционная система, в том числе и системы Windows 9x, состоит в организации по возможности простого, но эффективного способа предоставления процессор­ного времени различным параллельно выполняющимся программам. Другими сло­вами, речь идет о диспетчеризации задач.

Мы уже знаем, что многозадачность, в общем случае, означает способность опера­ционной системы обеспечивать совместное использование процессора нескольки­ми программами. Большинство разработчиков операционных систем называют работающие программы задачами, поэтому задачей можно считать загруженную в память программу, которая что-то делает. В большинстве операционных систем, в том числе и в Windows NT, и в UNIX, выполнение приложения называется про­цессом. Однако в уже упомянутых операционных системах Windows 3.x почти все­гда использовался термин «задача», и лишь изредка — «процесс». Имейте в виду, что в операционных системах Windows 9x используется исключительно термин «процесс», а понятие задачи было официально исключено из терминологии Win­dows. Вкладывая совершенно такой же смысл в слово «процесс», разработчики Microsoft тем самым попытались поставить операционные системы семейства Windows 9x как бы на один уровень с другими операционными системами, таки­ми, например, как Windows NT. В большей части документации по Windows 3.1 мы можем обнаружить оба упомянутых слова. Основная причина изменения тер­минологии — реализация мультизадачности при сохранении мультипрограммно­го режима работы. Другими словами, речь идет о поддержке в этих операционных системах возможности многопоточного выполнения приложений. Поэтому поми­мо отхода от термина задача и использования термина процесс, мы должны отме­тить, что во всех этих операционных системах стал использоваться термин поток выполнения, или тред (thread).

Напомним, что поток выполнения — это одна из ветвей вычислительного процес­са. Потоку выделяется процессорное время, этим занимается диспетчер задач опе­рационной системы, называемый планировщиком. Поток может быть создан лю­бым работающим под управлением Windows 9x 32-разрядным приложением или виртуальным драйвером устройства. Поток имеет собственный стек и контекст

370 Глава 11. Операционные системы Windows

выполнения (а именно содержимое рабочих регистров процессора). Потоки ис­пользуют память совместно с процессом-родителем. Когда Windows 95/98 загру­жает приложение и создает необходимые ему структуры данных, система настраи­вает процесс в виде отдельного потока. Потоки могут использовать весь код и глобальные данные процесса-родителя. Это означает, что создание нового потока требует минимальных затрат памяти. Один процесс может породить множество параллельно выполняющихся потоков. Многие приложения на протяжении всего времени своей работы используют единственный поток, хотя могут (а многие так и делают) использовать еще несколько потоков для выполнения определенных кратковременных операций в фоновом режиме, что позволяет либо увеличить ско­рость выполнения приложений, либо дать возможность пользователю выполнять следующую операцию в своей программе, не дожидаясь завершения текущей опе­рации.

Термин «задача» мы все же будем использовать и дальше, поскольку с точки зре­ния распределения процессорного времени требуется все то же: выполнять вычис­ления, то есть выполнять некий конкретный код с конкретными данными.

В Windows 95/98 работа с потоками доступна только 32-разрядным приложениям и виртуальным драйверам устройств. Виртуальные машины MS DOS и старые 16-разрядные приложения Windows не могут обращаться к функциям API, ко­торые поддерживают потоки. Каждая виртуальная машина MS DOS работает в отдельном потоке. Аналогично, каждое 16-разрядное приложения Windows при своем исполнении образует процесс, который использует всего один поток, что позволяет обеспечить для старых приложений Windows модель кооперативной многозадачности. Любое 32-разрядное приложение или виртуальный драйвер ус­тройства может создавать дополнительные потоки, a Windows 95/98 может орга­низовать диспетчеризацию всех этих потоков в соответствии с алгоритмами вы­теснения, что представляет собой еще один аспект многозадачности в Windows. Несмотря на то что все эти потоки могут представлять принципиально разные типы программ, в системе они представлены в виде одинаковых структур данных. Вслед­ствие этого диспетчер и остальной 32-разрядный системный код, использующий эти внутренние структуры данных, и удалось реализовать так, что разработчи­кам не понадобилось учитывать особенности преобразований 16-разрядного кода в 32-разрядный.

Как известно, в основе диспетчеризации задач ныне уже почти всеми забытой Windows 3.x лежал принцип невытесняющей, или кооперативной, многозадачнос­ти (cooperative multitasking). При работе в среде Windows 95/98 кооперативная многозадачность используется только для диспетчеризации старых 16-разрядных приложений, в то время как работа приложений Win32 планируется в соответ­ствии с иным алгоритмом. Для 32-разрядных приложений система использует вытесняющую многозадачность (preemptive multitasking).

Поддержкой многозадачности занимается планировщик (scheduler). Он имеет дело главным образом с временем и событиями. Процессу в Windows 95/98 выделяется квант времени, который определяет, как долго данный процесс может использо­вать процессор. По окончании кванта времени планировщик определяет, следует

Операционные системы Windows 9x______________________________________ 371

ли передать процессор в распоряжение другого процесса. В отличие от Windows NT, Windows 95/98 не поддерживает мультипроцессорные системы, в которых планировщик может выделять процессам больше одного процессора.

Решения, принимаемые планировщиком, определяются событиями. Так, щелчок мыши является для планировщика событием. Это событие может привести к пе­редаче процессора в распоряжение процесса, «владеющего» окном, в котором про­изошел щелчок. Впрочем, планировщик может решить, что завершение передачи данных по сети заслуживает большего внимания, чем щелчок мыши, и тогда про­цессор будет передан в распоряжение процесса, обслуживающего сеть, а всем ос­тальным процессам придется подождать.

Как мы знаем, при вытесняющем планировании только система может решать, в ка­ком порядке, как долго и какие задачи (в нашем случае — потоки) будут выпол­няться. Планировщик может в любой момент отнять процессор у одного из потоков выполнения и передать его в распоряжение другого. Обычно такой акт вытесне­ния происходит в результате реакции на событие, требующее внимания. Плани­ровщик присваивает каждому из работающих процессов приоритет (priority). По­токи его наследуют, хотя при создании нового потока ему можно задать и иной приоритет. В случае если происходит событие, относящееся к потоку, обладающе­му более высоким приоритетом, планировщик приостанавливает (вытесняет) те­кущий поток и начинает выполнять тот, у которого приоритет больше.

Для обеспечения гарантированного обслуживания введен механизм динамичес­ких приоритетов, при котором приоритеты потоков постоянно пересчитываются. Например, если бы системе надо было выбирать между двумя потоками, у одного из которых приоритет больше, а у другого меньше, то поток, обладающий низким приоритетом, никогда бы не смог выполняться, если бы планировщик динамичес­ки не изменял значения приоритетов. При расчете приоритетов также играет роль длительность квантов времени.

Диспетчер задач (потоков выполнения) использует следующие три механизма, с по­мощью которых он пытается равномерно распределять время процессора между всеми вычислениями в целях обеспечения бесперебойной и одновременно быст­рой реакции системы.

- Динамическое изменение приоритета. Диспетчер на время может повысить или понизить приоритет того или иного потока. Так, например, нажатие клавиши или щелчок мыши говорит ему о том, что приоритет потока, к которому отно­сится действие пользователя, должен быть повышен.

- Постсинхронизированное снижение приоритета. Ранее повышенное значение приоритета постепенно возвращается к исходному значению.

- Наследование приоритета. Служит для быстрого повышения приоритета. Обыч­но это делается для того, чтобы позволить потоку с низким приоритетом быстро закончить работу с выделенным для монопольного использования ресурсом, который необходим потокам с высоким приоритетом. Windows 95/98 восста­навливает исходное значение унаследованного приоритета сразу же после удов­летворения конфликтного условия.

372 Глава 11. Операционные системы Windows

В операционных системах семейства Windows 9x имеется два модуля для диспет­черизации потоков выполнения: основной планировщик (primary scheduler) отве­чает за вычисление приоритетов потоков; планировщик квантования (timeslice scheduler) занимается расчетами, необходимыми для выделения квантов времени. По сути дела, модуль квантования решает, какой процент доступного процессор­ного времени какому потоку выделить. Если некий поток не получает времени на выполнение, значит, он находится в состоянии ожидания выполнения (suspended) и не будет работать, пока ситуация не изменится.

Основной планировщик просматривает все потоки выполнения и рассчитывает для каждого из них приоритет выполнения (execution priority), который представ­ляет собой целое число, находящееся в пределах от 0 до 31. Далее он переводит в состояние ожидания выполнения все потоки, приоритет выполнения которых мень­ше текущего наибольшего значения, имеющегося у одного из потоков. После того как поток переведен в состояние ожидания выполнения, основной планировщик более не обращает на него никакого внимания при дальнейших вычислениях при­оритетов на протяжении данного кванта времени. По умолчанию длительность кванта времени составляет 20 мс. Затем планировщик квантования рассчитывает процентную долю кванта времени, которую необходимо выделить каждому пото­ку. Для этого он использует значения приоритетов и информацию о текущем со­стоянии виртуальной машины.

После окончания выделенного потоку кванта времени планировщик перемещает его в конец очереди, состоящей из потоков с равным приоритетом. Этот класси­ческий механизм диспетчеризации, называемый карусельным, обеспечивает всем потокам, обладающим равным наивысшим приоритетом, одинаковый доступ к про­цессору. Если некоторый поток не занимает весь выделенный ему квант процес­сорного времени, диспетчер передает процессор в распоряжение следующего по­тока с таким же приоритетом и позволяет тому использовать остаток данного кванта времени.

Если в системе одновременно работают только 32-разрядные приложения, то бо­лее быструю реакцию системы и значительно менее конфликтный отклик программ пользователю обеспечивает так называемое упреждающее планирование. Как из­вестно, в диалоговых системах используется событийное программирование, при котором выполнение той или иной процедуры начинается после определенного события. Сама операционная система также функционирует по этому принципу. Управляющая (супервизорная) подсистема Windows 9x просматривает направля­емый ей подсистемой ввода-вывода поток сообщений, из которых она и узнает о но­вых событиях, таких, например, как щелчки мыши в одном из ее окон, запуск но­вых программ и т. д. В системах Windows 3.x все сообщения находились в одной системной очереди, вследствие чего одна некорректно работающая программа могла заблокировать поток сообщений, предназначенных всем остальным приложени­ям. Windows 95/98 дает системе возможность помещать сообщения, предназна­ченные приложениям Win32, в отдельные очереди, что снижает вероятность зави­сания системы в тех случаях, когда одно из приложений не обслуживает очередь сообщений должным образом.

Операционные системы Windows 9x______________________________________ 373