Планирование процессов и нитей
В отличие от Windows, в которой реализована многозадачность без вытеснения (non-preemptive multitasking), в Windows NT используется механизм многозадачности с вытеснением (preemptive multitasking).
Windows NT поддерживает симметричную мультипроцессорную организацию вычислительного процесса, в соответствии с которой ОС может выполняться на любом свободном процессоре или на всех процессорах одновременно, разделяя память между ними. Так как многозадачность реализуется на уровне нитей, разные части одного и того же процесса могут действительно выполняться параллельно. Следовательно, многонитевые серверы могут одновременно обслуживать более одного клиента.
Для того, чтобы прикладная программа могла использовать несколько нитей, не нужно предусматривать этого в ее алгоритме. Отдельная нить создается для каждой операции. Например, в одной нити программа может воспроизводить сложную графическую форму, а в другой - использоваться для редактирования объемного чертежа. Каждая из этих нитей (или, с точки зрения пользователя, операций) работает на отдельном процессоре, не требуя никаких управляющих вмешательств со стороны приложения. Нити внутри процесса используют общую область памяти и, следовательно, могут очень просто обмениваться данными.
Для управления нитями Windows NT использует механизм приоритетов. В определенные моменты производятся оценка приоритетов и перераспределение нитей по процессорам, в результате чего последовательные стадии одной нити программы могут выполняться разными процессорами или откладываться до высвобождения очередного процессора.
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 и процесс получает приоритет в тот момент, когда его создает подсистема среды. Значение базового приоритета процесса присваивается ему 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 (рисунок 1.3). Нити реального времени, приоритеты которых находятся в диапазоне от 16 до 31, являются более приоритетными процессами и используются для выполнения задач, критичных ко времени.
В Windows NT определено 4 класса приоритетов процессов:
- IDLE_PRIORITY_CLASS - уровень 4
- NORMAL_PRIORITY_CLASS - уровень 9 при интерактивной работе процесса (forground) и уровень 7 при работе в фоновом режиме (background)
- HIGH_PRIORITY_CLASS - уровень 13
- REALTIME_PRIORITY_CLASS - уровень 24
Большинство приложений либо не определяет класс приоритета процесса при его создании, либо устанавливает его в значение NORMAL_PRIORITY_CLASS. Класс IDLE - самый низкоприоритетный - хорошо использовать для работ, некритичных к скорости их выполнения, например, при наблюдении за состоянием системы или же при резервном копировании на ленту. Высокий приоритет (HIGH_PRIORITY_CLASS) следует использовать только тогда, когда это абсолютно необходимо, так как нити такого процесса будут выполняться всегда перед нитями процесса с нормальным приоритетом. В Windows NT с приоритетом HIGH работает процесс Task Manager. Обычно он находится в состоянии ожидания, но при нажатии комбинации клавиш Ctrl+Esc нить Task Manager пробуждается и немедленно вытесняет любые нити обычных приложений. Приоритеты реального времени системными процессами Windows NT (и тем более офисными приложениями) не используются. Этот класс приоритетов нужно использовать только для систем реального времени, например, сбора данных от промышленных установок, управления движущимися объектами и т.п.
Рис. 1.3. Система очередей готовых нитей
Все нити, созданные процессом определенного класса, имеют сначала приоритет процесса. Но в ходе своего выполнения нить может изменить свой приоритет относительного базового приоритета процесса с помощью системного вызова SetThreadPriority. Этот вызов имеет параметр, который может принимать 5 относительных значений, понижая приоритет относительно базового на 2 или 1 единицу, повышая его на 2 или 1 единицу или делая его равным базовому. Имеется еще 2 абсолютных значения этого параметра - IDLE и CRITICAL. Значение IDLE делает приоритет нити равным 1 независимо от его базового приоритета (для процессов REALTIME приоритет становится равным 16), а значение CRITICAL повышает приоритет до 15 для всех процессов (для процессов REALTIME приоритет повышается до 31).
На выполнение всегда выбирается нить с самым высоким приоритетом. 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. Обычно большинство нитей в системе попадают в класс нитей с переменными приоритетами, диапазон приоритетов которых от 0 до 15. Этот класс имеет на-звание "переменные приоритеты" потому, что диспетчер настраивает систему, выбирая (понижая или повышая) приоритеты нитей этого класса.
Для выполнения нити отводится квант времени, по истечении которого она должна освободить процессор. Если нить полностью использовала выделенный ей квант, то она переводится в очередь готовых нитей, а ее приоритет понижается. Если же ее выполнение было прервано появлением в очереди готовых нитей с более высоким приоритетом, то она также возвращается в очередь готовых нитей, а ее приоритет остается неизменным. В случае же перехода нити по собственной инициативе в состояние ожидания некоторого события, ее приоритет повышается на некоторую величину, компенсируя этой нити недоиспользованную ею часть кванта.
Итак, нить освобождает процессор, если:
- нить блокируется, уходя в ожидание,
- нить завершается,
- нить исчерпала квант,
- нить вытеснена более приоритетной нитью.
При планировании нитей в Windows NT используются концепции квантования, абсолютных приоритетов и динамических приоритетов.
- Квантование - нитям отводится квант времени, по истечении которого выполнение нити прекращается.
- Абсолютные приоритеты - при появлении в очереди нити с более высоким приоритетом, чем у активной в данный момент, выполнение последней немедленно прерывается.
- Динамические приоритеты - приоритеты нитей могут изменяться системой: понижаются у нитей, исчерпавших квант, повышаются у нитей, недоиспользовавших квант из-за перехода в состояние ожидания.
Windows NT поддерживает симметричную мультипроцессорную обработку. Однако реализация симметричной мультипроцессорности в Windows NT нацелена на оптимизацию производительности и не обеспечивает резервирования в целях повышения отказоустойчивости. В случае выхода из строя одного из процессоров система останавливается. В Windows NT Server в полной мере реализован потенциал масштабируемости симметричной мультипроцессорной архитектуры. Однопроцессорную систему можно легко развивать, наращивая число процессоров, без замены версии ОС или приложений.
