Для решения этой проблемы применяется прием, получивший название равнодоступность (fairness). При этом реализуется принцип адаптивной приоритетности, когда приоритет задачи, которая выполняется слишком долго, постепенно уменьшается, позволяя менее приоритетным задачам получить свою долю процессорного времени. Равнодоступность применяется главным образом в многопользовательских системах и редко применяется в системах реального времени.
Кооперативная многозадачность – это еще один алгоритм переключения задач, с которым широкие массы компьютерной общественности знакомы по операционной системе Windows 3.х. Задача, получившая управление, выполняется до тех пор, пока она сама по своей инициативе не передаст управление другой задаче. По сути это продолжение идеологии round robin, и нет нужды объяснять, почему алгоритм кооперативной многозадачности в чистом виде мало применяется в системах реального времени.
Приоритетная многозадачность с вытеснением – это, по-видимому, наиболее часто используемый в ОС РВ принцип планирования. Основная идея состоит в том, что высокоприоритетная задача, как только для нее появляется работа, немедленно прерывает (вытесняет) низкоприоритетную. Другими словами, если какая-либо задача переходит в состояние готовности, она немедленно получает управление, если текущая активная задача имеет более низкий приоритет. Такое «вытеснение» происходит, например, когда высокоприоритетная задача получила ожидаемое сообщение, освободился запрошенный ею ресурс, произошло связанное с ней внешнее событие, исчерпался заданный интервал времени и т. п.
Заканчивая рассмотрение основных принципов планирования задач, необходимо отметить, что тема эта далеко не исчерпана. Диапазон систем реального времени весьма широк, начиная от полностью статических систем, где все задачи и их приоритеты заранее определены, до динамических систем, где набор выполняемых задач, их приоритеты и даже алгоритмы планирования могут меняться в процессе функционирования. Существуют, например, системы, где каждая отдельная задача может участвовать в любом из трех алгоритмов планирования или их комбинации (вытеснение, разделение времени, кооперативность).
В общем случае алгоритмы планирования должны соответствовать критериям оптимальности функционирования системы. Однако, если для систем «жесткого» реального времени такой критерий очевиден: «ВСЕГДА и ВСЁ делать вовремя», то для систем «мягкого» реального времени это может быть, например, минимальное «максимальное запаздывание» или средневзвешенная своевременность завершения операций. В зависимости от критериев оптимальности могут применяться алгоритмы планирования задач, отличные от рассмотренных. Например, может оказаться, что планировщик должен анализировать момент выдачи критичных по времени управляющих воздействий и запускать на выполнение ту задачу, которая отвечает за ближайшие из них (алгоритм earliestdeadlinefirst, EDF).
Необходимо отметить, что в одной вычислительной системе могут одновременно сосуществовать задачи и «жесткого», и «мягкого» реального времени, и что только одна из этих задач, обладающая наивысшим приоритетом, может быть по-настоящему детерминированной.
Не стоит особо увлекаться приоритетами. Если система нормально работает, когда все задачи имеют одинаковый приоритет, то и слава Богу. Если нет, то можно присвоить высокий приоритет «критической» задаче, и низкий приоритет всем остальным. Если у вас больше одной «критической» задачи, при недостаточном быстродействии системы имеет смысл рассмотреть многопроцессорную конфигурацию или, отказавшись от ПО РВ, перейти к простому циклическому алгоритму.
Как правило, разработчики стараются свести свою систему реального времени к наиболее простым конфигурациям, характерным для систем «жесткого» реального времени, иногда даже в ущерб эффективности использования вычислительных ресурсов. Причина понятна: сложные динамические системы весьма трудно анализировать и отлаживать, поэтому лучше заплатить за более мощный процессор, чем иметь в будущем проблемы из-за непредвиденного поведения системы. В связи с этим большинство существующих систем реального времени представляют собой статические системы с фиксированными приоритетами. Часто в системе реализуется несколько «режимов» работы, каждый из которых имеет свой набор выполняемых задач с заранее заданными приоритетами. Значительная часть особо ответственных систем по-прежнему реализуется без применения коммерческих ОС РВ вообще.
Хотя каждая задача в системе, как правило, выполняет какую-либо отдельную функцию, часто возникает необходимость в согласованности (синхронизации) действий, выполняемых различными задачами. Такая синхронизация необходима, в основном, в следующих случаях.
1. Функции, выполняемые различными задачами, связаны друг с другом. Например, если одна задача подготавливает исходные данные для другой, то последняя не выполняется до тех пор, пока не получит от первой задачи соответствующего сообщения. Одна из вариаций в этом случае – это когда задача при определенных условиях порождает одну или несколько новых задач.
2. Необходимо упорядочить доступ нескольких задач к разделяемому ресурсу.
3. Необходима синхронизация задачи с внешними событиями. Как правило, для этого используется механизм прерываний, с которым.
4. Необходима синхронизация задачи по времени. Диапазон различных вариантов в этом случае достаточно широк, от привязки момента выдачи какого-либо воздействия к точному астрономическому времени до простой задержки выполнения задачи на определенный интервал времени. Для решения этих вопросов в конечном счете используются специальные аппаратные средства, называемые таймером.
Давайте рассмотрим все четыре случая более подробно.
3.4.1. Связанные задачи
Взаимное согласование задач с помощью сообщений является одним из важнейших принципов операционных систем реального времени. Способы реализации межзадачного обмена отличаются большим разнообразием, что не в последнюю очередь приводит к обилию терминов в этой области. Можно встретить такие понятия, как сообщение (message), почтовый ящик (mail box), сигнал (signal), событие (event), прокси (proxy) и т. п. Если, читая описание какой-либо ОС РВ, вы встретите уже знакомое название, не спешите делать выводы. Даже один и тот же термин может для разных ОС РВ обозначать разные вещи. Чтобы не запутаться, мы будем в дальнейшем называть сообщениями любой механизм явной передачи информации от одной задачи к другой (такие объекты, как семафоры, можно отнести к механизму неявной передачи сообщений).
Объем информации, передаваемой в сообщениях, может меняться от 1 бита до всей свободной емкости памяти вашей системы. Во многих ОС РВ компоненты операционной системы, так же как и пользовательские задачи, способны принимать и передавать сообщения. Сообщения могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае доставка сообщений задаче производится после того, как она в плановом порядке получит управление, а во втором случае циркуляция сообщений оказывает непосредственное влияние на планирование задач. Например, задача, пославшая какое-либо сообщение, немедленно блокируется, если для продолжения работы ей необходимо дождаться ответа, или если низкоприоритетная задача шлет высокоприоритетной задаче сообщение, которого последняя ожидает, то высокоприоритетная задача, если, конечно, используется приоритетная многозадачность с вытеснением, немедленно получит управление.
Иногда сообщения передаются через отведенный для этого буфер определенного размера («почтовый ящик»). При этом, как правило, новое сообщение затирает старое, даже если последнее не было обработано.
Однако наиболее часто используется принцип, когда каждая задача имеет свою очередь сообщений, в конец которой ставится всякое вновь полученное сообщение. Стандартный принцип обработки очереди сообщений по принципу «первым вошел, первым вышел» (FIFO) не всегда оптимально соответствует поставленной задаче. В некоторых ОС РВ предусматривается такая возможность, когда сообщение от высокоприоритетной задачи обрабатывается в первую очередь (в этом случае говорят, что сообщение наследует приоритет пославшей его задачи).
Иногда полезным оказывается непосредственное управление приоритетом сообщений. Представим, что задача послала серверу (драйверу) принтера несколько сообщений, содержащих данные для печати. Если теперь задача хочет отменить всю печать, ей надо послать соответствующее сообщение с более высоким приоритетом, чтобы оно встало в очередь впереди всех посланных ранее заданий на печать. Сообщение может содержать как сами данные, предназначенные для передачи, так и указатель на такие данные. В последнем случае обмен может производиться с помощью разделяемых областей памяти, разделяемых файлов и т. п.
Трудно переоценить важность правильной организации взаимодействия различных задач при доступе к общим ресурсам. Хорошей аналогией может служить обед в многодетной крестьянской семье прошлого века. Едокам (задачам) не разрешалось одновременно лезть ложками в общую миску (ресурс). Нарушители порядка могли получить от отца семейства (супервизора) ложкой по лбу.
Ресурс – это общий термин, описывающий физическое устройство или область памяти, которые могут одновременно использоваться только одной задачей. Процессорное время тоже представляет собой своеобразный конкурентно используемый ресурс вычислительной системы. Примером физических устройств могут служить клавиатура, дисплей, дисковый накопитель, принтер и т. п. Представим, например, что несколько задач пытаются одновременно выводить данные на принтер. На распечатке в результате ничего, кроме странной мешанины символов, мы не увидим. В качестве другого примера рассмотрим ситуацию, когда в бортовом компьютере мирно летящего самолета МИГ-29 среди прочих работают две задачи. Одна из них, взаимодействуя с радиолокационной системой, выдает удаление и направление до цели, а другая задача использует эти данные для пуска ракет класса «воздух-воздух». Не исключено, что первая задача, записав в глобальную структуру данных удаление до цели, будет прервана второй задачей, не успев записать туда направление до цели. В результате вторая задача считает из этой структуры ошибочные данные, что может привести к неудачному пуску со всеми вытекающими отсюда неприятными последствиями. Прервись первая задача чуть позже, и все было бы нормально. Упомянутые здесь проблемы обусловлены времязависимыми ошибками (time dependent error), или «гонками» и характерны для многозадачных ОС, применяющих алгоритмы планирования с вытеснением (кстати, системы с разделением времени также относятся к категории «вытесняющих»).