Система поддерживает "программные устройства", с каждым из которых не связано ни одно конкретное физическое устройство. Например, как устройство трактуется физическая память, чтобы позволить процессу обращаться к ней извне, пусть даже память не является периферийным устройством.
Два типа устройств
В системе UNIX имеется два типа устройств - устройства ввода/вывода блоками и устройства неструктурированного или посимвольного ввода-вывода. Устройства ввода-вывода блоками, такие как диски, для остальной части системы выглядят как запоминающие устройства с произвольной выборкой; к устройствам посимвольного ввода-вывода относятся все другие устройства, в том числе терминалы и сетевое оборудование. Устройства ввода-вывода блоками могут иметь интерфейс и с устройствами посимвольного ввода-вывода.
Пользователь взаимодействует с устройствами через посредничество файловой системы. Каждое устройство имеет имя, похожее на имя файла, и пользователь обращается к нему как к файлу. Специальный файл устройства имеет индекс и занимает место в иерархии каталогов файловой системы. Файл устройства отличается от других файлов типом файла, хранящимся в его индексе, либо "блочный", либо "символьный специальный", в зависимости от устройства, которое этот файл представляет. Если устройство имеет как блочный, так и символьный интерфейс, его представляют два файла: специальный файл устройства ввода-вывода блоками и специальный файл устройства посимвольного ввода-вывода. Системные функции для обычных файлов, такие как open, close, read и write, имеют то же значение и для устройств.
Многопроцессорные системы
В классической постановке для системы UNIX предполагается использование однопроцессорной архитектуры, состоящей из одного ЦП, памяти и периферийных устройств. Многопроцессорная архитектура, напротив, включает в себя два и более ЦП, совместно использующих общую память и периферийные устройства, располагая большими возможностями в увеличении производительности системы, связанными с одновременным исполнением процессов на разных ЦП. Каждый ЦП функционирует независимо от других, но все они работают с одним и тем же ядром операционной системы. Поведение процессов в такой системе ничем не отличается от поведения в однопроцессорной системе - с сохранением семантики обращения к каждой системной функции - но при этом они могут открыто перемещаться с одного процессора на другой. Хотя, к сожалению, это не приводит к снижению затрат процессорного времени, связанного с выполнением процесса. Отдельные многопроцессорные системы называются системами с присоединенными процессорами, поскольку в них периферийные устройства доступны не для всех процессоров.
Проблемы многопроцессорных систем
Защита целостности структур данных ядра системы UNIX обеспечивается двумя способами: ядро не может выгрузить один процесс и переключиться на контекст другого, если работа производится в режиме ядра, кроме того, если при выполнении критического участка программы обработчик возникающих прерываний может повредить структуры данных ядра, все возникающие прерывания тщательно маскируются. В многопроцессорной системе, однако, если два и более процессов выполняются одновременно в режиме ядра на разных процессорах, нарушение целостности ядра может произойти даже несмотря на принятие защитных мер, с другой стороны, в однопроцессорной системе вполне достаточных.
Избежать этого можно при использовании одного из 3–х перечисленных способов:
1. Исполнять все критические операции на одном процессоре, опираясь на стандартные методы сохранения целостности данных в однопроцессорной системе;
2. Регламентировать доступ к критическим участкам программы, используя элементы блокирования ресурсов;
3. Устранить конкуренцию за использование структур данных путем соответствующей переделки алгоритмов.
Систему с двумя процессорами, один из которых - главный (master) - может работать в режиме ядра, а другой - подчиненный (slave) - только в режиме задачи, впервые реализовал на машинах типа VAX. Эта система, реализованная вначале на двух машинах, получила свое дальнейшее развитие в системах с одним главным и несколькими подчиненными процессорами. Главный процессор несет ответственность за обработку всех обращений к операционной системе и всех прерываний. Подчиненные процессоры ведают выполнением процессов в режиме задачи и информируют главный процессор о всех производимых обращениях к системным функциям. Выбор процессора, на котором будет выполняться данный процесс, производится в соответствии с алгоритмом диспетчеризации.
Проблема диспетчеризации в многопроцессорных системах
Единственным местом, где целостность структур данных ядра еще подвергается опасности, является алгоритм диспетчеризации, поскольку он не предохраняет от выбора процесса на выполнение сразу на двух процессорах. Например, если в конфигурации имеется один главный процессор и два подчиненных, не исключена возможность того, что оба подчиненных процессора выберут для выполнения в режиме задачи один и тот же процесс. Если оба процессора начнут выполнять его параллельно, осуществляя чтение и запись, это неизбежно приведет к искажению содержимого адресного пространства процесса.
Избежать возникновения этой проблемы можно двумя способами. Во-первых, главный процессор может явно указать, на каком из подчиненных процессоров следует выполнять данный процесс. Если на каждый процессор направлять несколько процессов, возникает необходимость в сбалансировании нагрузки (на один из процессоров назначается большое количество процессов, в то время как другие процессоры простаивают). Задача распределения нагрузки между процессорами ложится на главное ядро. Во-вторых, ядро может проследить за тем, чтобы в каждый момент времени в алгоритме диспетчеризации принимал участие только один процессор.
Семафоры
Семафор представляет собой обрабатываемый ядром целочисленный объект, для которого определены следующие элементарные (неделимые) операции:
· Инициализация семафора, в результате которой семафору присваивается неотрицательное значение;
· Операция (P), уменьшающая значение семафора. Если значение семафора опускается ниже нулевой отметки, выполняющий операцию процесс приостанавливает свою работу;
· Операция (V), увеличивающая значение семафора. Если значение семафора в результате операции становится больше или равно 0, один из процессов, приостановленных во время выполнения операции P, выходит из состояния приостанова;
· Условная операция (CP), уменьшающая значение семафора и возвращающая логическое значение "истина" в том случае, когда значение семафора остается положительным. Если в результате операции значение семафора должно стать отрицательным или нулевым, никаких действий над ним не производится и операция возвращает логическое значение "ложь".
Семафор - это структура, состоящая из поля блокировки (управляющего доступом к семафору), значения семафора и очереди процессов, приостановленных по семафору. Поле блокировки содержит информацию, открывающую во время выполнения операций типа P и V доступ к другим полям структуры только одному процессу. По завершении операции значение поля сбрасывается. Это значение определяет, разрешен ли процессу доступ к критическому участку, защищаемому семафором. В начале выполнения алгоритма операции P ядро предоставляет процессу право исключительного доступа к семафору и уменьшает значение семафора. Если семафор имеет неотрицательное значение, текущий процесс получает доступ к критическому участку. По завершении работы процесс сбрасывает блокировку семафора, открывая доступ к семафору для других процессов, и возвращает признак успешного завершения. Если же в результате уменьшения значение семафора становится отрицательным, ядро приостанавливает выполнение процесса, используя алгоритм: основываясь на значении приоритета, ядро проверяет поступившие сигналы, включает текущий процесс в список приостановленных процессов, в котором последние представлены в порядке поступления, и выполняет переключение контекста. Операция V получает исключительный доступ к семафору и увеличивает значение семафора. Если очередь приостановленных по семафору процессов непустая, ядро выбирает из нее первый процесс и переводит его в состояние "готовности к запуску".
Узкие места многопроцессорности
Оба рассмотренных мною метода (основанный на семафорах и на использовании главного и подчиненного процессора) инвариантны к количеству процессоров, однако говорить о том, что с ростом числа процессоров общая производительность системы увеличивается с линейной скоростью, нельзя. Потери производительности возникают, во-первых, как следствие конкуренции за ресурсы памяти, которая выражается в увеличении продолжительности обращения к памяти. Во-вторых, в схеме, основанной на использовании семафоров, к этой конкуренции добавляется соперничество за семафоры; процессы зачастую обнаруживают семафоры захваченными, больше процессов находится в очереди, долгое время ожидания получения доступа к семафорам. Первая схема, основанная на использовании главного и подчиненного процессоров, тоже не лишена недостатков: по мере увеличения числа процессоров главный процессор становится узким местом в системе, поскольку только он один может функционировать в режиме ядра. Несмотря на то, что более внимательное техническое проектирование позволяет сократить конкуренцию до разумного минимума и в некоторых случаях приблизить скорость повышения производительности системы при увеличении числа процессоров к линейной, все построенные с использованием современной технологии многопроцессорные системы имеют предел, за которым расширение состава процессоров не сопровождается увеличением производительности системы.