2. Буфер будет полностью заполнен, если выполняется условие
(in+1) mod n = out
Процесс - производитель должен выполнять процедуру записи в буфер типа
Repeat
...
продуцируется очередной элемент в Next p
...
while (in+1) mod n = out do no_op;
buffer (in):=next p;
in:=(in+1) mod n;
until false
где Next p - локальная переменная процесса - производителя, в которой хранится очередной продуцируемый элемент
no_op - пустой оператор
Процесс - потребитель должен выполнять процедуру чтения из буфера типа
Repeat
while in = out do no_op;
next p := buffer (out);
out:=(out+1) mod n;
...
потребляется очередной элемент из Next
...
until false
2. Планирование процессора.
Краткосрочный планировщик выбирает процессы из очереди готовых процессов и передает их на выполнение в CPU. Существуют различные алгоритмы или стратегии решения этой задачи, отличающиеся отношением к критериям планирования.
2.1. Критерии планирования процессора.
Используются следующие критерии, позволяющие сравнивать алгоритмы краткосрочных планировщиков:
1. утилизация CPU (использование) CPU utilization. Утилизация CPU теоретически может находиться пределах от 0 до 100%. В реальных системах утилизация CPU колеблется в пределах 40% для легко загруженного CPU, 90% для тяжело загруженного CPU.
2. пропускная способность CPU throughput. Пропускная способность CPU может измеряться количеством процессов, которые выполняются в единицу времени.
3. время оборота (turnaround time) для некоторых процессов важным критерием является полное время выполнения, то есть интервал от момента появления процесса во входной очереди до момента его завершения. Это время названо временем оборота и включает время ожидания во входной очереди, время ожидания в очереди готовых процессов, время ожидания в очередях к оборудованию, время выполнения в процессоре и время ввода - вывода.
4. время ожидания (waiting time). Под временем ожидания понимается суммарное время нахождения процесса в очереди готовых процессов.
5. время отклика (response time) для сугубо интерактивных программ важным показателем является время отклика или время, прошедшее от момента попадания процесса во входную очередь до момента первого обращения к терминалу.
Очевидно, что простейшая стратегия краткосрочного планировщика должна быть направлена на максимизацию средних значений загруженности и пропускной способности, времени ожидания и времени отклика.
В ряде случаев используются сложные критерии, например, так называемый минимаксный критерий, то есть вместо простого критерия минимум среднего времени отклика используется следующий — минимум максимального времени отклика.
2.2. Стратегии планирования процессора.
2.2.1.Первый пришел - первый обслуживается FIFO. first come - first served (FCFS).
На рисунке схематически показано, каким образом операционная система использует process control block для переключения процессора с одного процесса на другой.
FCFS является наиболее простой стратегией планирования процессов и заключается в том, что процессор передается тому процессу, который раньше всех других его запросил.
Когда процесс попадает в очередь готовых процессов, process control block присоединяется к хвосту очереди.
Среднее время ожидания для стратегии FCFS часто весьма велико и зависит от порядка поступления процессов в очередь готовых процессов.
Пример № 1
Пусть три процесса попадают в очередь одновременно в момент 0 и имеют следующие значения времени последующего обслуживания в CPU.
вариант 1:
П1(24 мс)
П2(3 мс)
П3(3 мс)
вариант 2:
П2(3 мс)
П3(3 мс)
П1(24 мс)
На рисунке приведены диаграммы Ганга очереди готовых процессов
вариант 1:
| П1 | П2 | П3 | WT=17 мс |
| WT1=0 мс | WT2=24 мс | WT3=27 мс |
вариант 2:
| П2 | П3 | П1 | WT=3 мс |
| WT2=0 мс | WT3=3 мс | WT1=6 мс |
Стратегии FCFS присущ так называемый “эффект конвоя”. В том случае, когда в компьютере имеется один большой процесс и несколько малых, то все процессы собираются в начале очереди готовых процессов, а затем в очереди к оборудованию. Таким образом, “эффект конвоя” приводит к снижению загруженности как процессора, так и периферийного оборудования.
2.2.2. Стратегия - наиболее короткая работа! SJF.
SJF — Shortest Job First. Одним из методов борьбы с “эффектом конвоя” является стратегия, позволяющая процессу из очереди выполняться первым.
Пример № 2
Пусть четыре процесса одновременно попадают в очередь готовых процессов и имеют следующие значения времени последующего обслуживания
П1(6 мс)
П2(8 мс)
П3(7 мс)
П4(3 мс)
| П4 | П1 | П3 | П2 | WT=7 мс |
| WT4=0 мс | WT1=3 мс | WT3=9 мс | WT2=16 мс |
На рисунке приведена диаграмма Ганга, построенная в соответствии со стратегией SJF.
Легко посчитать, что при использовании FCFS - стратегии среднее время ожидания для тех же процессов равно 10.25 мс, таким образом стратегия SJF снижает время ожидания очереди. Наибольшая трудность в практической реализации SJF заключается в невозможности заранее определить величину времени последующего обслуживания.
Поэтому стратегия SJF часто применяется в долгосрочных планировщиках, обслуживающих пакетный режим. В этом случае вместо величины времени последующего обслуживания используется допустимое максимальное время выполнения задания, которое программист должен специфицировать перед отправкой задания в пакет.
2.2.3. Приоритетное планирование.
Описанные ранее стратегии могут рассматриваться как частные случаи стратегии приоритетного планирования. Эта стратегия предполагает, что каждому процессу приписывается приоритет, определяющий очередность предоставления ему CPU. Например, стратегия FCFS предполагает, что все процессы предполагает, что все процессы имеют одинаковые приоритеты, а стратегия SJF предполагает, что приоритет есть величина, обратная времени последующего обслуживания.
Приоритет — это целое положительное число, находящееся в некотором диапазоне, например от 0 до 7, от 0 до 4095. Будем считать, что чем меньше значение числа, тем выше приоритет процесса.
| Пример №3. | приоритет |
| П1(10 мс) | 3 |
| П2(1 мс) | 1 |
| П3(2 мс) | 3 |
| П4(1 мс) | 4 |
| П5(5 мс) | 2 |
На рисунке приведена диаграмма Ганга, располагающая процессы в очереди в соответствии со стратегией приоритетного планирования
| П2 | П5 | П1 | П3 | П4 |
| WT2=0 мс | WT5=1 мс | WT1=6 мс | WT3=16 мс | WT4=18 мс |
Приоритеты определяются исходя из совокупности внутренних и внешних по отношению к операционной системе факторов.
Внутренние факторы:
1. требования к памяти
2. количество открытых файлов
3. отношение среднего времени ввода - вывода к среднему времени CPU и так далее
Внешние факторы:
1. важность процесса
2. тип и величина файлов, используемых для оплаты
3. отделение, выполняющее работы и так далее
Внутренние факторы могут использоваться для автоматического назначения приоритетов самой операционной системой, а внешние для принудительного, с помощью оператора.
Главный недостаток приоритетного планирования заключается в возможности блокирования на неопределенно долгое время низкоприоритетных процессов.
Известен случай, когда в 1973 году в Массачусетском технологическом институте MIT при остановке компьютера IBM 7094 в очереди готовых процессов были обнаружены процессы, представленные в 1967 и все еще не выполненные.
Для устранения отмеченного недостатка используются следующие методы: процессы, время ожидания которых превышает фиксированную величину, например 15 минут, автоматически получают единичное приращение приоритета.
2.2.4. “Карусельная” стратегия планирования. RR-Round Robin.
Round Robin стратегия применяется в системах разделения времени. Определяется небольшой отрезок времени, названный квантом времени (10..100 мс). Очередь готовых процессов рассматривается как кольцевая. Процессы циклически перемещаются по очереди, получая CPU на время, равное одному кванту. Новый процесс добавляется в хвост очереди. Если процесс не завершился в пределах выделенного ему кванта времени, его работа принудительно прерывается, и он перемещается в хвост очереди.
Пример 4
П1(24 мс)
П2(3 мс)
П3(3 мс)
q=4 мс.
Диаграмма Ганга соответственно Round Robin стратегии для этого случая имеет вид:
| П1 | П2 | П3 | П1 | П1 | П1 | П1 | П1 |
| WT1=0 мс | 7 | 10 | 14 | 18 | 22 | 26 | 30 |
Свойства Round Robin стратегии сильно зависят от величины временного кванта q. Чем больше временной квант, тем дольше Round Robin стратегия приближается к FCFS стратегии (для рассмотренного примера, если q>24 мс, то -> FCFS). При очень малых значениях временного кванта Round Robin стратегия называют разделением процессора — processor sharing. Теоретически это означает, что каждый из N процессов работает со своим собственным процессором, производительность процессора равна 1/N от производительности физического процессора.