Операционные системы

Кроме перечисленных, имеются и некоторые другие атрибуты.

Как видно из перечня, многие атрибуты объекта-нити аналогичны атрибутам объекта-процесса. Весьма сходны и сервисные функции, которые могут быть выполнены  над объектами-процессами и объектами-нитями: создание, открытие, завершение, приостановка, запрос и установка информации, запрос и установка контекста и другие функции.

5. Алгоритм  планирования процессов  и нитей

В Windows NT реализована  вытесняющая многозадачность, при  которой операционная система не ждет, когда нить сама захочет освободить процессор, а принудительно снимает ее с выполнения после того, как та израсходовала отведенное ей время (квант), или если в очереди готовых появилась нить с более высоким приоритетом. При такой организации разделения процессора ни одна нить не займет процессор на очень долгое время.

Рис. 8.3. Граф состояний нити

В ОС Windows NT нить в ходе своего существования может  иметь одно из шести состояний (рисунок 8.3). Жизненный цикл нити начинается в тот момент, когда программа создает новую нить. Запрос передается NT executive, менеджер процессов выделяет память для объекта-нити и обращается к ядру, чтобы инициализировать объект-нить ядра. После инициализации нить проходит через следующие состояния:

• Готовность. При поиске нити на выполнение диспетчер просматривает только нити, находящиеся в состоянии готовности, у которых есть все для выполнения, но не хватает только процессора.
• Первоочередная готовность (standby). Для каждого процессора системы выбирается одна нить, которая будет выполняться следующей (самая первая нить в очереди). Когда условия позволяют, происходит переключение на контекст этой нити.
• Выполнение. Как только происходит переключение контекстов, нить переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо ядро не вытеснит ее из-за того, что появилась более приоритетная нить или закончился квант времени, выделенный этой нити, либо нить завершится вообще, либо она по собственной инициативе перейдет в состояние ожидания.
• Ожидание. Нить может входить в состояние ожидания несколькими способами: нить по своей инициативе ожидает некоторый объект для того, чтобы синхронизировать свое выполнение; операционная система (например, подсистема ввода-вывода) может ожидать в интересах нити; подсистема окружения может непосредственно заставить нить приостановить себя. Когда ожидание нити подойдет к концу, она возвращается в состояние готовности.
• Переходное состояние. Нить входит в переходное состояние, если она готова к выполнению, но ресурсы, которые ей нужны, заняты. Например, страница, содержащая стек нити, может быть выгружена из оперативной памяти на диск. При освобождении ресурсов нить переходит в состояние готовности.
• Завершение. Когда выполнение нити закончилось, она входит в состояние завершения. Находясь в этом состоянии, нить может быть либо удалена, либо не удалена. Это зависит от алгоритма работы менеджера объектов, в соответствии с которым он и решает, когда удалять объект. Если executive имеет указатель на объект-нить, то она может быть инициализирована и использована снова.

Диспетчер ядра использует для определения порядка  выполнения нитей алгоритм, основанный на приоритетах, в соответствии с  которым каждой нити присваивается  число - приоритет, и нити с более  высоким приоритетом выполняются  раньше нитей с меньшим приоритетом. В самом начале нить получает приоритет от процесса, который создает ее. В свою очередь, процесс получает приоритет в тот момент, когда его создает подсистема той или иной прикладной среды. Значение базового приоритета присваивается процессу системой по умолчанию или системным администратором. Нить наследует этот базовый приоритет и может изменить его, немного увеличив или уменьшив. На основании получившегося в результате приоритета, называемого приоритетом планирования, начинается выполнение нити. В ходе выполнения приоритет планирования может меняться.

Windows NT поддерживает 32 уровня приоритетов, разделенных  на два класса - класс реального  времени и класс переменных  приоритетов. Нити реального времени,  приоритеты которых находятся в диапазоне от 16 до 31, являются более приоритетными процессами и используются для выполнения задач, критичных ко времени.

Каждый раз, когда  необходимо выбрать нить для выполнения, диспетчер прежде всего просматривает  очередь готовых нитей реального времени и обращается к другим нитям, только когда очередь нитей реального времени пуста. Большинство нитей в системе попадают в класс нитей с переменными приоритетами, диапазон приоритетов которых от 0 до 15. Этот класс имеет название "переменные приоритеты" потому, что диспетчер настраивает систему, выбирая (понижая или повышая) приоритеты нитей этого класса.

Алгоритм планирования нитей в Windows NT объединяет в себе обе базовых концепции - квантование  и приоритеты. Как и во всех других алгоритмах, основанных на квантовании, каждой нити назначается квант, в течение которого она может выполняться. Нить освобождает процессор, если:

• блокируется, уходя в состояние ожидания;
• завершается;
• исчерпан квант;
• в очереди готовых появляется более приоритетная нить.

Использование динамических приоритетов, изменяющихся во времени, позволяет реализовать адаптивное планирование, при котором не дискриминируются интерактивные задачи, часто выполняющие операции ввода-вывода и недоиспользующие выделенные им кванты. Если нить полностью исчерпала свой квант, то ее приоритет понижается на некоторую величину. В то же время приоритет нитей, которые перешли в состояние ожидания, не использовав полностью выделенный им квант, повышается. Приоритет не изменяется, если нить вытеснена более приоритетной нитью.

Для того, чтобы  обеспечить хорошее время реакции  системы, алгоритм планирования использует наряду с квантованием концепцию  абсолютных приоритетов. В соответствии с этой концепцией при появлении в очереди готовых нитей такой, у которой приоритет выше, чем у выполняющейся в данный момент, происходит смена активной нити на нить с самым высоким приоритетом.

В многопроцессорных  системах при диспетчеризации и  планировании нитей играет роль их процессорная совместимость: после  того, как ядро выбрало нить с наивысшим приоритетом, оно проверяет, какой процессор может выполнить данную нить и, если атрибут нити "процессорная совместимость" не позволяет нити выполняться ни на одном из свободных процессоров, то выбирается следующая в порядке приоритетов нить.

6. Сетевые средства

Средства сетевого взаимодействия Windows NT направлены на реализацию взаимодействия с существующими  типами сетей, обеспечение возможности  загрузки и выгрузки сетевого программного обеспечения, а также на поддержку  распределенных приложений.

Windows NT с точки  зрения реализации сетевых средств  имеет следующие особенности: 

• Встроенность на уровне драйверов. Это свойство обеспечивает быстродействие.
• Открытость - обуславливается легкостью динамической загрузки-выгрузки, мультиплексируемостью протоколов.
• Наличие RPC, именованных конвейеров и почтовых ящиков для поддержки распределенных приложений .
• Наличие дополнительных сетевых средств, позволяющих строить сети в масштабах корпорации: дополнительные средства безопасности централизованное администрирование отказоустойчивость (UPS, зеркальные диски).

Windows NT унаследовала  от своих предшественников редиректор  и сервер, протокол верхнего уровня SMB и транспортный протокол NetBIOS (правда, с новым "наполнением" - NetBEUI). Как и в сети MS-NET редиректор перенаправляет локальные запросы ввода-вывода на удаленный сервер, а сервер принимает и обрабатывает эти запросы.

Сначала редиректор и сервер были написаны на ассемблере и располагались над существующим системным программным обеспечением MS-DOS. Новые редиректор и сервер встроены в Windows NT, они не зависят от архитектуры аппаратных средств, на которых работает ОС. Они написаны на С и выполнены как загружаемые драйверы файловой системы, которые могут загружаться или выгружаться в любое время. Они также могут сосуществовать с редиректорами и серверами других производителей.

Реализация редиректора  и сервера как драйверов файловой системы делают их частью NT executive. Следовательно, они имеют доступ к специализированным интерфейсам, которые менеджер ввода-вывода обеспечивает для драйверов. Эти интерфейсы, в свою очередь, были разработаны с учетом нужд сетевых компонент. Доступ к интерфейсам драйверов плюс возможности непосредственного вызова кэш-менеджера дают значительный вклад в повышение производительности редиректора и сервера. Многоуровневая модель драйверов менеджера ввода-вывода отражает многоуровневую модель сетевых протоколов. Так как редиректор и сервер являются драйверами, то они могут быть размещены на верхнем уровне, под которым располагаются все необходимые драйверы транспортных протоколов. Такая структура обеспечивает модульность сетевых компонент и создает эффективный путь от уровня редиректора или сервера вниз к транспортному и физическому уровням сети.

Сетевой редиректор обеспечивает средства, необходимые одному компьютеру Windows NT для доступа к файлам и принтерам другого компьютера. Так как он поддерживает SMB-протокол, то он работает с существующими серверами MS-NET и LAN Manager, обеспечивая доступ к системам MS-DOS, Windows и OS/2 из Windows NT. Механизмы безопасности обеспечивают защиту данных Windows NT, разделяемых по сети, от несанкционированного доступа.

Редиректор имеет  одну основную задачу: поддержку распределенной файловой системы, которая ведет  себя подобно локальной файловой системе, хотя и работает через ненадежную среду (сеть). Когда связь отказывает, редиректор ответственен за восстановление соединения, если это возможно, или же за возврат кода ошибки, чтобы приложение смогло повторить операцию.

Подобно другим драйверам файловой системы, редиректор должен поддерживать асинхронные операции ввода-вывода, если они вызываются. Когда пользовательский запрос является асинхронным, то редиректор должен вернуть  управление немедленно, независимо от того, завершилась ли удаленная операция ввода-вывода или нет. При этом редиректор выполняется в контексте этой нити. Вызывающая нить должна продолжить свою работу, а редиректор должен ждать завершения запущенной операции. Есть два варианта решения этой проблемы: или редиректор сам создает новую нить, которая будет ждать, или он может передать эту работу уже готовой нити, существующей в системе. В Windows NT реализован второй вариант.

Редиректор отправляет и получает блоки SMB для выполнения своей работы. Протокол SMB является протоколом прикладного уровня, включающим сетевой уровень и уровень представления.

SMB реализует:

• установление сессии,
• файловый сервис,
• сервис печати,
• сервис сообщений.

Интерфейс, в  соответствии с которым редиректор посылает блоки SMB, называется интерфейсом транспортных драйверов (transport driver interface - TDI). Редиректор вызывает функции TDI для передачи блоков SMB различным транспортным драйверам, загруженным в Windows NT. Для вызова функций TDI редиректор должен открыть канал, называемый виртуальной связью (virtual circuit), к машине назначения, а затем послать SMB-сообщение через эту виртуальную связь. Редиректор создает только одну виртуальную связь для каждого сервера, с которым соединена система Windows NT, и мультиплексирует через нее запросы к этому серверу. Транспортный уровень определяет, каким образом реализовать виртуальную связь, и пересылает данные через сеть.

Как и редиректор, сервер Windows NT на 100% совместим с существующими SMB-протоколами MS-NET и LAN Manager. Эта полная совместимость позволяет серверу обрабатывать запросы, исходящие не только от систем Windows NT, но и от других систем, работающих с программным обеспечением LAN Manager. Как и редиректор, сервер выполнен в виде драйвера файловой системы.

Может показаться странным, что сервер в соответствии с микроядерной концепцией не реализован как серверный процесс. Было бы логично ожидать, что сетевой сервер будет функционировать как защищенная подсистема - процесс, чьи нити ожидают поступления запросов по сети, выполняют их, а затем возвращают результаты по сети. Этот подход, как наиболее естественный, был тщательно рассмотрен при проектировании Windows NT, однако, учитывая опыт построения сетей VAX/VMS и опыт использования RPC, было решено выполнить сервер как драйвер файловой системы. Хотя сервер и не является драйвером в обычном смысле, и он не управляет файловой системой на самом деле, использование модели драйвера обеспечивает некоторые преимущества.

Главное из них  состоит в том, что драйвер  реализован в среде NT executive и может вызывать кэш-менеджер NT непосредственно, что оптимизирует передачу данных. Например, когда сервер получает запрос на чтение большого количества данных, он вызывает кэш-менеджер для определения места расположения этих данных в кэше (или для загрузки этих данных в кэш, если их там нет) и для фиксации данных в памяти. Затем сервер передает данные непосредственно из кэша в сеть, минуя доступ к диску. Аналогично, при запросе на запись данных сервер вызывает кэш-менеджер для резервирования места для поступающих данных. Затем сервер пишет данные непосредственно в кэш. Записывая данные в кэш, сервер возвращает управление клиенту гораздо быстрее; затем кэш-менеджер записывает данные на диск в фоновом режиме (используя страничные средства менеджера виртуальной памяти).