Лекция №3 (Lec_3_paral)

3. Операционная платформа. Классификация операционных систем по типу
централизации. Классификация по особенностям управления ресурсами. Классификация
по особенностям областей использования. Процессы. Процессы и потоки (нити)
управления. Процессы с поддержкой многопоточности.
Замечание: часть материала данной лекции соответствует различным разделам книг
1. И. Одинцов Профессиональное программирование. Системный подход. – «БХВ-Петербург» - 2004.
– 610 с.
2. Джин Бэкон, Тим Харрис Операционные системы. Параллельные и распределенные
системы. – bhv «Питер» - 2004 – 799 с.
В качестве дополнительного материала к данной лекции рекомендуются открытые курсы
3. «Архитектуры и топологии многопроцессорных систем» Богданов А.В., Станкова Е.Н., Мареев
В.В., Корхов В.В. http://www.intuit.ru/department/hardware/atmcs
4.
«Архитектура
и
организация
ЭВМ»
Гуров В.В.,
Чуканов В.В.
http://www.intuit.ru/department/hardware/archhard2/
5. «Архитектурно – ориентированная оптимизация программ» Долгов Ю.В., Шкурко Д.В.
http://www.i-lab.nsu.ru/index.php?file=spec
Материал к лекции №3 (в том числе и дополнительный для самостоятельного
изучения). Лекция – 2 часа, самостоятельная работа – 2 часа, практикум – 2 часа, итого – 6
часов.
ОПЕРАЦИОННАЯ ПЛАТФОРМА. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
ОПЕРАЦИОННАЯ ПЛАТФОРМА. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ............1
1. ВВЕДЕНИЕ ...............................................................................................................................2
2. ВВЕДЕНИЕ В ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ...............................................................3
2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ .................................................................................3
2.2. ИСТОРИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ ...............................................................5
2.2.1.
Поколения операционных систем ........................................................................5
2.2.2. Краткий обзор истории создания операционных систем ......................................6
2.2.3. Классификация операционных систем ......................................................................8
2.2.3.1. Классификация по типу централизации .............................................................8
2.2.3.2. Классификация по особенностям алгоритмов управления ресурсами .........10
2.2.3.3. Классификация по особенностям аппаратных платформ...............................10
2.2.3.4. Классификация по областям использования ...................................................11
2.2.3.5. Классификация по типу архитектуры ядра системы ......................................11
3. ПРОЦЕССЫ ...........................................................................................................................14
3.1. ПРОЦЕССЫ И ПОТОКИ (НИТИ) УПРАВЛЕНИЯ .......................................................................14
3.1.2. Понятие процесса .....................................................................................................14
3.1.3. Процессы с поддержкой многопоточности...........................................................15
3.1.4. Об использовании потоков .......................................................................................17
1
3.1.5. О безопасности использования фрагментов кода в многопоточных программах
...............................................................................................................................................18
4. WINDOWS – 2000 & WINDOWS NT ..................................................................................18
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ЗАТРАТ НА РЕАЛИЗАЦИЮ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ В OPENMP .................................................................................................19
6. ЗАДАНИЕ................................................................................................................................20
1. ВВЕДЕНИЕ
Операционная платформа – один из трех «китов» «системного подхода», как
показано на рис. 1:
Рис.1. Роль операционной платформы
методологией программирования
в
«системном»
подходе,
определяемом
Изучение операционных систем необходимо, во-первых, любому программисту
вообще, как «основы всего сущего».
[1]
«Изучение механизма и структуры операционных систем необходимо по
следующим причинам:
Основные идеи, концепции и алгоритмы, лежащие в основе операционных систем,
применимы ко многим другим областям программирования, и особенно к системному
программированию;
Операционная система – большая и сложная программа, на примере которой
можно изучить вопросы создания сложных программных продуктов;
… Такие популярные программные продукты, как базы данных, могут
рассматриваться как надстройки над операционными системами.»
Во – вторых, «параллельному» программисту информация об операционных
платформах необходима в особенности, так как

современные операционные системы – по своей сути, параллельные
программы
2

технологии параллельного программирования – либо непосредственное
использование сервисов операционной системы через интерфейс системных
вызовов, либо надстройка над операционной системой
На рис. 2 показан пример параллельного языка программирования с регистрацией
пользовательских потоков как потоков ядра операционной системы. Суть регистрации
заключается в том, что для каждого пользовательского потока создается поток ядра и все
планирование работы потоков осуществляется ядром на основе единой стратегии.
Рис. 2. Пример параллельного языка программирования с регистрацией
пользовательских потоков как потоков ядра операционной системы.
2. ВВЕДЕНИЕ В ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2.1. Основные понятия и определения
[1]
«Операционная система (ОС) – это часть программного обеспечения,
выступающая в качестве интерфейса между приложениями (и пользователями) и
аппаратурой компьютера
Операционная система выполняет две основные функции:
1. Предоставление пользователю-программисту вместо реальной аппаратуры
компьютера расширенной виртуальной машины, с которой удобно работать

Виртуальная машина – это вычислительная система заданной
конфигурации, моделируемая для пользователя программными и
аппаратными средствами конкретного реально существующего компьютера.

Операционная система является тем слоем программного обеспечения,
который преобразует аппаратную машину в виртуальную.

Конфигурация виртуальной машины может существенно отличаться от
реальной.
3
2. Повышение эффективности использования компьютера за счет рационального
управления его ресурсами.
Ресурсы операционной системы можно разделить на две группы (рис. 3.)

Программные ресурсы (процессы, виртуальное адресное пространство, подсистема
ввода-вывода);

Аппаратные ресурсы (процессоры. Память, устройства);
Ресурсы
Программные
Процессы
Аппаратные
Виртуальное
адресное
пространство
Процессоры
Основная
память
Устройства
ввода-вывода
Дисковая память
Драйверы
Рис.3. Классификация ресурсов
Обратим внимание на то, что практически каждому аппаратному ресурсу
соответствует некоторый программный ресурс, тесно с ним связанный (например,
процессор и процесс)
«Образно говоря, основной функцией операционной системы можно считать
чародейство – превращение системы в нечто большее, чем есть на самом деле. Например,
операционная система может создать иллюзию одновременного исполнения нескольких
программ на одном процессоре. В итоге пользователь воспринимает виртуальную машину
как компьютер, имеющий архитектуру, отличную от реально существующей.»
Так, параллельные программы для технологий параллельного программирования в
общей (например, OpenMP) и распределенной памяти (например, MPI), вполне можно
тестировать на правильность работы на однопроцессорной машине, если установлена
подходящая операционная система (например, последние версии Windows и Linux), при
наличии соответствующего программного обеспечения. Одно плохо – скорость работы
программы будет практически совпадать с последовательным вариантом!
Операционная система +
специальное ПО
4
Виртуальная
машина:
Рис. 4. Виртуальные параллельные архитектуры, создаваемые операционной
системой
«Ядро операционной системы – модули, выполняющие основные функции
операционной системы. Эти модули обычно поддерживают управление процессами,
памятью, устройствами ввода-вывода. Код ядра операционной системы исполняется в
привилегированном режиме работы процессора.
Некоторые компоненты операционной системы представляют собой обычные
приложения в стандартном для данной операционной системе формате. Их называют
вспомогательными модулями операционной системы. Поэтому часто бывает сложно
провести границу между операционной системой и приложениями. Обычно решение о
принадлежности некоторой программы операционной системе принимает производитель.
Многие компоненты систем программирования …, часто вводятся производителями ОС в
качестве ее вспомогательных модулей.»
2.2. История и эволюция операционных систем
2.2.1. Поколения операционных систем
[1]
«
Принято выделять следующие исторические поколения операционных систем.

Нулевое поколение. В первых компьютерах операционные системы отсутствовали.
Это период с момента появления первых компьютеров до середины 50- ых годов 20
века.

Первое поколение. Пакетная обработка, мультипрограммные операционные
системы. Появились в середине 50-ых годов 20 века.

Второе поколение. Многорежимные операционные системы, операционные
системы реального времени. Появились в середине 60-х гг. 20 века.
5

Третье поколение. Операционные системы для персональных компьютеров,
сетевые операционные системы. Появились в начале 80-х гг. 20 века.

Четвертое поколение. Распределенные операционные системы. Появились в начале
90-х г 20 века.»
2.2.2. Краткий обзор истории создания операционных систем
[1]
«Первая операционная система появилась в середине 50 годов 20 века. Она была
создана в исследовательской лаборатории компании General Motors для компьютера IBM702. Практически до середины 60 годов 20 века распространялась бесплатно.
В СССР одним из первых подобий операционных систем была система
интерпретации обращений к стандартным подпрограммам ИС-2 для М – 20 (1959). Она
была построена по принципу динамической загрузки библиотечных подпрограмм в
область оперативной памяти, выделяемой программистом. Подпрограммы по мере
обращения к ним вызывались на рабочее поле, организованное частью как стек (для
«фиксируемых» подпрограмм), частью как очередь, откуда они вытеснялись по мере
переполнения поля, но могли обращаться при новых обращениях.
….Дадим краткую характеристику некоторым из них.
1961 г.- Atlas. Эта операционная система была разработана в Манчестерском
университете (Англия). Многие особенности, впервые появившиеся в ней (например,
страничное управление памятью)сейчас являются стандартными частями операционных
систем.
1962 г. – CTSS. Система была разработана в Массачусетстком технологическом
институте (США) как экспериментальная система с механизмом разделения времени.
1965. – XDS – 940. Система разработана в университете Беркли (США). Эта была
операционная система с разделением времени. Она давала возможность пользовательской
программе определять процессы и работать с ними посредством системных вызовов.
1966. – Multics – Система также была разработана в Массачусетском
технологическом институте и являлась развитием системы CTSS. В свою очередь эта
система является предшественницей операционной системы UNIX.
1966 г. – OS/360. Операционная система для большого семейства компьютеров
IBM/360 была написана на ассемблере тысячами программистов и представляла собой
миллионы строк кода.
В 1971 году была выпущена ДОС ЕС 1.0 – полный функциональный отечественный
аналог DOS/360 MFT. При переработке текста DOS/360 разработчики сделали большое
количество дополнений и улучшений. Система функционировала на семействе ЕС ЭВМ.
В результате отечественным пользователям стали доступны прикладные программные
продукты, выпущенные за рубежом.
6
1967. – Диспетчер – 68. Первая операционная система для БЭСМ –6 была создана в
ИТМ и ВТ под руководством Л.Н. Королева. Она была предназначена для управления
совместной работой ЭВМ, подготовки и решения задач в мультипрограммном режиме.
1968 г. – THE. Система создана в технической школе Эйдховена (Голландия).
Система имела слоистую архитектуру и могла работать с параллельными процессами,
выполняя синхронизацию с помощью семафоров.
1971. – ОС Диспак. Система создавалась В.Ф. Тюриным и группой разработчиков
для БЭСМ - 6 , а затем для МВК Эльбрус.
1974 г. – CR/M. Эта система явилась родоначальником операционных систем для
микропроцессоров, первоначально для 8-битовых.
Отдельно будем вести разговор об истории эволюции двух доминирующих в
настоящее время семейств операционных систем.
Семейство UNIX. Официальной датой рождения операционной системы Unix
считают 1 января 1970 года. С этого времени любая система Unix отчитывает свое
системное время. Реально первая версия этой операционной системы была создана в 1969
голу двумя очень талантливыми людьми – Кеном Томпсоном (Ken Tompson) и Деннисом
Ритчи (Dennis Ritchie). Истории и эволюции Unix в Интернете посвящено много страниц,
например http://www.levenes.com/unix/. Существует множество версий, диалектов и
клонов Unix, включая System V и BSD –два главных направления развития. Большое
количество версий Unix появилось уже в конце 1970-х благодаря тому, что исходный
текст системы был широко распространен. Для обеспечения переносимости программ
институтом IEEE был разработан стандарт POSIX, определяющий минимальный
интерфейс, который должны поддерживать совместимые диалекты Unix. Клон Linux,
созданный финским студентом Линусом Торвальдсом, является одним из наиболее
популярных среди широкого круга пользователей в настоящее время.
О том, как правильно писать – UNIX или Unix. Питер Салюс (Peter H. Salus) (Salus
1994) приводит слова Дагласа Макироля (Douglas Mcllroy) о том, что написание UNIX
заглавными буквами является серьезной ошибкой. Мы далее будем придерживаться этой
рекомендации и писать Unix.
Семейство Windows. Первым представителем этого семейства является система
MS-DOS 1.0 компании Microsoft. Система поставлялась с персональным компьютером
IBM PC, начиная с 1981 года. Версия MS-DOS 3.0 появилась в 1986, а 7.0 – 1995 году.
Добавление графического пользовательского интерфейса к MS-DOS породило в 1985 году
систему Windows 1.0. Спустя 10 лет, в 1995 году была выпущена версия Windows 95,
далее Windows 98, и, наконец, Windows ME в 2000 году.
Все эти версии имели тесную связь с 16-ти разрядной MS-DOS, что существенно
ограничивало их возможности. Совершенно новая, полностью 32-разрядная операционная
система Windows NT – 3.1. была выпущена в 1993 году. Массовый переход пользователей
на эту систему происходил медленно, но верно.
В 1996 году вышла система Windows NT 4.0.
В2001 – Windows 2000.
В 2002 – Windows XP.
7
В последние годы получили широкую известность операционные системы для
мобильных устройств, например, Palm OS, Symbian OS, Nucleus, а также Windows
CE.NET.
Существуют даже «учебные» операционные системы, например OC NACHOS (Not
Another Completely Heuristic Operating System), первая версия которой была создана
Уэйном Кристофером (Wayne Christopher), Стивом Проктером (Steve Procter) и Томасом
Андерсеном (Thomas Anderson) в январе 1992 года. Эта операционная система
используется практически во всех университетах мира при выполнении студентами
самостоятельных
заданий
по
соответствующему
учебному
курсу
(http://www.stanford.edu/class/cs140/projects/).»
2.2.3. Классификация операционных систем
2.2.3.1. Классификация по типу централизации
[1]
«В основу первой и основной классификации положим степень централизации
(связности) операционной системы.
Операционные системы
Централизованные
Однопроцессорные
Сетевые
Распределенные
Многопроцессорные
Рис. 5. Классификация по типу централизации.
Эта классификация принимает во внимание особенности аппаратных платформ,
для которых операционные системы создаются.

Централизованные (локальные) операционные системы управляют ресурсами
единственного локального компьютера. Они включают два различных с точки
зрения алгоритмов подкласса


Однопроцессорные системы
Многопроцессорные системы
Сетевые операционные системы предоставляют пользователю сети некоторую
виртуальную машину, работать с которой проще, чем с реальной сетевой аппаратурой.
Однако пользователь всегда выполняет специальные операции для доступа к сетевым
ресурсам. Сетевые системы включают дополнительные компоненты.


серверную часть операционной системы – средства предоставления локальных
ресурсов и услуг в общее пользование;
8

клиентская часть операционной системы – средства запроса доступа к удаленным
ресурсам и услугам

транспортные средства операционной системы – средства обеспечения передачи
сообщений между компьютерами сети.
Распределенные операционные системы предоставляют пользователю сети единую
централизованную виртуальную машину, которая дает максимальную степень
прозрачности сетевых ресурсов. Распределенные системы объединяют все
компьютеров сети, для работы в тесной кооперации. При работе в таких системах
пользователь, запускающий приложение, не знает. На каком компьютере оно
реально выполняется.

Существует интересное обоснование данной классификации. В главе 6. было отмечено,
что основной характеристикой классификации параллельных и распределенных
архитектур считают наличие общей или распределенной(локальной для каждого из узлов)
памяти. Исходя из этого, вычислительные системы можно разделить на два класса.

Системы с сильными связями. Сюда относятся системы, состоящие из нескольких
однородных процесооров и массива общей памяти.

Системы со слабыми связями. Это системы, состоящие из однородных
вычислительных узлов, каждый из которых имеет свою память.
Программное обеспечение можно также разделить на два класса.
Программное обеспечение с сильными связями. Сюда относятся программы,
которые при исполнении на нескольких вычислительных модулях в большой степени
являются связанными между собой.
Программное обеспечение со слабыми связями. Оно позволяет вычислительным
модулям быть независимым друг от друга, но при необходимости взаимодействовать
ограниченным количеством способов.
В результате можно получить четыре различных комбинации между этими парами,
три из котрых явля.тся осмысленными и определяют следующие типы операционных
систем (рис. 6.)
Параллельные и распределенные компьютеры
Слабые связи
(каждый компьютер
имеет свою память)
Сильные связи (многопроцессорные
с общей памятью)
Централизованная ОС
Сильные связи
Сетевая ОС
Распределенная
ОС
Слабые связи
9
Программное
обеспечение
Рис. 6. Обоснование классификации по типу централизации.
2.2.3.2. Классификация по особенностям алгоритмов управления
ресурсами
[1]
«Классификация по особенностям алгоритмов управления ресурсами имеет
следующие аспекты.
1. Поддержка многозадачности, а именно:

Однозадачные операционные системы выполняют функцию предоставления
пользователю виртуальной машины, делая простым и удобным процесс его
взаимодействия с компьютером;

Многозадачные операционные системы дополнительно управляют разделением
совместно используемых ресурсов. В первую очередь они дают возможность
одновременно исполнять несколько задач на одном процессоре.
2. Поддержка многопользовательского режима, а именно:

Однопользовательские операционные системы не предоставляют средств защиты
информации одного пользователя от несанкционированного доступа другого
пользователя. Такие системы не предоставляют возможностей разделения
ресурсов;

Многопользовательские
информации имеют.
операционные
системы
такие
средства
защиты
3. Поддержка многопоточности. Многопоточные операционные системы дают
возможность разделять время не только между процессами, но и между отдельными
ветвями процессов - потоками
4. Поддержка многопроцессорной обработки. Многопроцессорные операционные системы
реализуют более сложные алгоритмы управления ресурсами, предоставляют возможность
работать с несколькими процесссорами
5. В операционных системах отдельным направлением идет концепция системы
виртуальных машин. Такие операционные системы допускают одновременную работу
нескольких полноценных операционных систем, создавая иллюзию того, что ЭВМ
находится в их полном распоряжении.»
2.2.3.3. Классификация по особенностям аппаратных платформ
[1]
10
«Специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике
операционной системы.» В лекции 2 была рассмотрена «…функциональная
классификация компьютеров. Каждый из типов компьютеров в этой классификации имеет
определенные свойства, оказывающие непосредственное влияние на свойства
операционных систем.
Обратим внимание на то, что наибольший интерес в настоящее время вызывают
следующие группы операционных систем:



Операционные системы для мощных серверов;
Операционные системы для мощных станций и персональных компьютеров;
Операционные системы для карманных компьютеров»
2.2.3.4. Классификация по областям использования
[1]
«По особенностям областей использования многозадачные операционные системы
могут быть разделены на три типа:

Операционные системы пакетной обработки. Они работают с пакетами задач,
причем переключение процессора с одной задачи на другую происходит лишь в
том случае, если активная задача сама отказывается от процессора.

Операционные системы разделения времени. Такие системы предоставляют
каждой из задач квант процессорного времени. При этом время ответа программы
обычно оказывается достаточно приемлемым, что позволяет использовать эти
системы в качестве диалоговых.

Операционные системы реального времени. Они применяются для управления
некоторыми технологическими объектами и процессами. В них существует
предельно допустимое время, в течение которого программа сама должно ответить.
Операционные системы реального времени характеризуются тем, что в ответ на
события они должны гарантированно реагировать до определенного времени.
Проще говоря, когда дается ответ, также важно, как и какой.
Многие операционные системы совмещают в себе свойства систем различных
типов. Например, часть задач выполняется в режиме разделения времени, а часть – в
режиме реального времени.»
2.2.3.5. Классификация по типу архитектуры ядра системы
[1]
«Существуют следующие основные разновидности архитектуры ядра.
Монолитное ядро. Такое ядро компонуется как одно программа, работающая в
привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на
другую.(рис. 7. А)
Слоистое ядро. В этом случае компоненты операционной системы образуют
уровни с хорошо продуманной функциональностью и интерфейсом. Как и в предыдущем
случае, компоненты работают в привилегированном режиме. (рис. 7. б)
11
Микроядро. Микроядро выполняет минимум функций по управлению аппаратурой.
Обычно в него включаются машинно зависимые программы, некоторые функции
управления процессами и обработка прерываний. Функции более высокого уровня
выполняют специализированные компоненты операционной системы: сервер процессора,
файловый сервер
и т.д. Эти компоненты работают в пользовательском,
непривилегированном режиме. Данная архитектура основана на подходе клиент-сервер и
характеризуется переносимостью, расширяемостью и надежностью (рис. 7. в)
12
Приложение
пользователя
Приложение
пользователя
Приложение пользователя
Файловый сервер
Сервер памяти
Сервер процессора
Непривилегированный
режим
Системные службы
Процесс А
Процесс B
Сетевой сервер
Системные службы
Файловый
сервер
Процесс C
Процесс D
Процесс E
Привилегированный
режим
Процессор
(а) Монолитное
ядро
Микроядро
Управление
памятью и
устройствами
ввода-вывода
Управление
процессом
Процессор
(б) Слоистое
ядро
Процессор
(в) Микроядро
Рис. 7. Классификация по типу архитектуры ядра
Концепция системы виртуальных машин может быть поддержана экзоядром.
Каждый пользователь может быть обеспечен абсолютной копией реального компьютера,
но с подмножеством ресурсов. На экзоядро возложена задача распределения ресурсов для
виртуальных машин и проверка использования ресурсов.
13
Отметим, что архитектура ядра в значительной степени влияет на всю архитектуру
операционной системы.»
3. ПРОЦЕССЫ
Понятие процесса является одним из основных в современных операционных
системах. В этом разделе мы рассмотрим сущность процессов и потоков.
3.1. Процессы и потоки (нити) управления
3.1.2. Понятие процесса
[1]

«Мы дадим несколько определений процесса (process), отражающих
различные стороны этого важного понятия.

Процесс – это абстракция, описывающая выполняющуюся программу

Процесс – это исполнение последовательности действий в среде,
включающей собственно выполняющуюся программу, а также связанные с
ней данные и состояния (открытые файлы, текущий каталог и т.п.)

С точки зрения операционной системы процесс – это единица работы,
заявка на потребление системных ресурсов

Процесс – объект, которому выделяется процессор.

Процесс – это живая душа программы.
Первое упоминание о процессе появилось в 60-е годы 20 века в операционной
системе MULTICS.
Если говорить о соотношении между процессом и программой ( несмотря на то,
что это понятия из различных областей), то справедливы следующие два утверждения
Программа – это часть состояния процесса. С этой точки зрения процесс – нечто
большее, чем просто программа;
Программа может вызывать более чем один процесс для выполнения работы. С
этой точки зрения программа – нечто большее, чем процесс.
Процессы образуют иерархию в операционной системе. Соответственно будем
называть порожденные процессы потомками данного процесса, а родителя порожденного
процесса – предком.
Отметим основные состояния процесса (рис. 8.):

На процессоре – активное состояние, в котором процесс обладает всеми
необходимыми ресурсами, в том числе и самим процессором;
14

Готовность – процесс находится в очереди на выполнение;

Ожидание – процесс ожидает завершения события ( например, освобождения
ресурса);

Остановлен – процесс остановлен, как правило, в отладочном режиме;

Создание – выполнение действий, необходимых для создания процесса

Завершение - выполнение действий, связанных с успешным завершением процесса

Зомби – процесс закончен, но предок не принял его завершения.
Завершение
На процессоре
Создание
Готовность
Зомби
Ожидание
Остановлен
Рис. 8. Основные состояния процесса
При создании процесса должны быть выполнены следующие действия:

Присвоение процессору уникального номера (ID);

Добавление процесса в список процессов, известных системе;

Определение начального приоритета;

Формирование блока управления процессом

Выделение необходимых ресурсов
3.1.3. Процессы с поддержкой многопоточности.
[1]
«Поток (нить) управления– это исполнение команд программы в естественном
порядке.
Процессы делятся на традиционные - имеющие один поток управления и
многопоточные (многонитевые).
15
Многопоточность в рамках одного процесса имеет существенные преимущества.
Переключение контекста между двумя потомками в одном процессе значительно проще,
чем переключение контекста между двумя процессами.

Все данные, за исключением стэка исполнения и содержимого регистра
процессора, разделяются между потоками.

Таким образом,
параллелелизм.
многопоточность
представляет
собой
эффективный
Можно указать целые классы программ, где необходима многопоточность:

Операционные системы;

Сетевые серверы;

Встроенные системы;

Вычислительные программы.
Потоки могут быть реализованы как в пространстве пользователя, так и в пространстве
ядра.

В первом случае ядро ничего не знает о потоках и управляет обычными
однопоточными процессами. При этом процессы могут иметь собственный
алгоритм планирования потоков.

Во втором случае потоки создаются и завершаются по системным запросам
ядра.
Одна из наиболее смешанных элегантных реализаций потоков выполнена в OC
Solaris.
Все потоки(нити) можно разделить на три класса (рис. 9).
Потоки ядра являются базовыми потоками. Они располагаются в адресном
пространстве ядра и непосредственно связаны с процессами.
Облегченные (легковесные) потоки служат для организации пользователем
нескольких потоков управления в адресном пространстве. Каждому облегченному потоку
соответствует свой отдельный ядерный поток. Каждый облегченный поток может
отдельно планироваться (на каждый процессор по потоку). Облегченные потоки следует
рассматривать как диспетчеризуемые сущности.
Пользовательские потоки, для создания которых пользователь работает со
стандартной библиотекой. Пользовательские потоки связываются с облегченными
потоками.»
16
Процесс
Пользовательский
поток
Облегченный
поток
Ядерный
поток
Процессор
Рис. 9. Классы потоков
3.1.4. Об использовании потоков
[1]
«Как правило, технику явного распараллеливания не следует использовать при
прикладном программировании. Нужно переложить заботу о распараллеливании на
компиляторы, возможно помогая ему директивами (например, OpenMP). Однако
системному программисту знание и умение применять нити в своих программах
необходимо.
Многие
операционные системы, ориентированные на рабочие станции, и
персональные компьютеры, начиная с середины 80-х годов 20 века, включают поддержку
многопоточности.
Впервые стандарт на потоки появился в 1995 году. Это был стандарт IEEE POSIX
1003.1c – 1995. Однако стандарт появился достаточно поздно, и некоторые компании
успели выпустить свои версии многопоточных библиотек, существенно отличающиеся от
стандарта. Можно выделить следующие основные семейства потоков:
1. Потоки, поддерживающие стиль POSIX – стандарта. Это семейство состоит из
трех подгрупп:
«истинные» POSIX-потоки, базирующиеся на стандарте IEEE POSIX 1003.1с-1995
(также известного как ISO/IEC 9945-1:1996), являющегося частью стандарта ANSI/IEEE
1003.1;
DCE – потоки, базирующиеся на ранней версии стандарта POSIX – 1003.1а
17
Unix International –потоки, также известные как Solaris– потоки. Они достаточно
близки к стандарту и поддерживаются в операционных системах Solaris компании Sun
Microsystem, Inc и Unix Ware 2 компании SCO.
2. Потоки Microsoft. Это семейство состоит из двух подгрупп, причем обе
разработаны в компании Microsoft:

Потоки WIN32, являющиеся стандартными для операционных систем Windows;

Потоки OS/2, являющиеся стандартными для операционной системы OS/2
компании IBM.
3. Других вариантов потоков не так много. Отдельного упоминания заслуживает
пакет C thread, имеющийя в операционной системе Mach.
Различные семейства предлагают различный синтаксис основных функций
потоковых библиотек. Основными группами функций являются функции создания
потоков и функции синхронизации потоков (как правило, набор таких функций
достаточно богат и разнообразен).»
3.1.5. О безопасности использования фрагментов кода в
многопоточных программах
[1]
«В документации к некоторым фрагментам кода (как правило, системным
функциям) стоит пометка о том, что они безопасны с точки зрения использования в
многопоточных программах (MT-safe).
Отсутствие подобной пометки может означать наличие в таких функциях
глобальных или статических переменных, приводящих к побочным эффектам.»
4. WINDOWS – 2000 & WINDOWS NT
[2]

В данной операционной системе «процесс представляет выполняющийся
экземпляр программы. Он имеет собственное адресное пространство, где
содержаться его код и данные. Операционная система может динамически
выделять ему ресурсы…

Процесс должен содержать минимум как один поток, так как именно он, а
не процесс, является единицей планирования (данная операционная система
относится к системам разделения времени, т.е. каждой единице
предоставляется квант процессорного времени).

Процесс может создавать несколько потоков, выполняемых в его адресном
пространстве. И процессы, и потоки имеют встроенные синхронизационные
функции…

…поддерживает особую легковесную форму потока, называемого нитью. В
отличие от потоков, управление нитями осуществляется исключительно в
пользовательском режиме, поэтому они не видны ни ядру, ни
исполнительной системе.
18

Приложение на основе нитей может эффективно использовать возможности
мультипроцессора, если в нем задействовано более одного потока и
реализован механизм управления параллельным выполнением нитей разных
потоков»
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ЗАТРАТ НА РЕАЛИЗАЦИЮ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ В OPENMP
Как уже было упомянуто выше, создание процесса требует определенных
системных ресурсов, что неизбежно сказывается на времени работы приложения. Так как
пользовательский поток создается в рамках процесса, а нить создается в рамках
пользовательского потока, то все сказанное справедливо и для них.
Создание параллельных конструкций (без реализации исполнения по ним участков
кода программы) в выполняемой программе имеет смысл последовательного кода, и,
согласно закону Амдала, неизбежно уменьшает ускорение параллельной программы.
Поэтому, прежде чем организовать работу параллельной конструкции,
программист должен оценить временные затраты на ее реализацию, чтобы ответить на
вопрос – выгодно это будет или нет.
Для оценки данных затрат используется стандартный метод – исследуемая
конструкция помещается в многократно выполняемый цикл.
В многопоточном программировании любому программисту необходимо знать
временные затраты по созданию параллельного региона. Это можно определить из
сравнения времени работы пустого цикла и цикла, содержащего директиву по созданию
параллельного региона:
Пустой цикл:
start = clock();
for (i=0;i<N_no; i++ );
finish = clock();
duration_no = (finish - start);
Цикл с параллельной конструкцией
start = clock();
for (i=0;i<N_parallel; i++ )
#pragma omp parallel
{
}
finish = clock();
duration_parallel
= (finish - start);
В результате выполнения данного теста нетрудно убедиться, что на создание
параллельного региона требуются доли миллисекунды, или более, чем 1000 циклов
процессора.
19
Иногда в параллельном регионе необходимо организовать выполнение участков
кода только одним потоком одновременно. Это может быт реализовано двумя
различными способами: или созданием критического участка кода, который может
выполнять только один поток
start = clock();
#pragma omp parallel
{
for (i=0;i<N_critical; i++ )
{
#pragma omp critical
{
}
}
finish = clock();
или созданием «объекта синхронизации» для потоков: захватить этот объект может только
один поток:
omp_lock_t lsk;
start = clock();
omp_init_lock(&lsk);
#pragma omp parallel
shared(lsk)
{
for (i=0;i<N_critical; i++ )
{
omp_set_lock(&lsk);
{
}
omp_unset_lock(&lsk);
}
}
finish = clock();
duration_mutex = (finish - start);
Нетрудно убедиться, что реализация данных конструкций является также
дорогостоящей операцией, хотя затраты на порядок меньше и составляют сотни циклов
процессора.
6. ЗАДАНИЕ
1.
2.
Определить временные затраты, необходимые для создания параллельной
секции. Для этого получить результат работы проекта Section_parall.
Определить времена выполнения (и их разность) параллельных конструкций
#pragma omp critical и #omp_set_lock(&lsk) по проекту Critical_mutex
20
3.
4.
Определить временные затраты на создание барьера (#pragma omp barrier) для
множества потоков и функции определения идентификатора потока (id =
omp_get_thread_num() по проекту Critical_mutex.
Определить время работы оператора печати в параллельной реализации и
последовательной по проекту Critical_mutex
Замечание. Для выполнения задания предлагается накладывать комментарии на лишние
операторы
21