programska-oprema.md

Programska oprema [SMAP:2]

Operacijski sistem

• most med strojno in uporabniško programsko opremo

  

• je programska oprema, ki izvaja osnova opravila, kot so:

  • upravljanje procesorjev
  • upravljanje pomnilnika
  • nadzor V/I naprav
  • upravljanje datotečnega sistema
  • nadzor delovanja sistema
  • izvajanje varnostnih funkcij
  • spremljanje porabe sredstev
  • detekcija napak

• moderni operacijski sistemi so večopravilni

  • zaganjanje več aplikacij hkrati
  • računalniški viri so dodeljeni različnim procesom, vsak dobi svoj delež glede na prioritete
  • preklapljanje med procesi in porazdeljevanje procesorskih virov med njih
  • preklapljanje med procesi ni zastonj
    • shraniti je treba vse vire (rokovalnike do datotek, programski števec, skladovni kazalec)
    • ob ponovni aktivaciji procesa jih je treba spet rekonstruirati

• moderni operacijski sistemi so sočasni

Procesi

• ko zaženemo program, se v operacijskem sistemu pojavi nov proces
• proces je osnovna enota, ki ji operacijski sistem dodeli vire
  • delež procesorskih ciklov
  • del prostega pomnilnika, ki ga operacijski sistem varuje pred dostopom drugih procesov
  • dostop do komunikacijskih vrat in V/I naprav
  • rokovalnike do datotek, ki jih potrebuje program
• proces najprej zažene kodo, ki postori zgornje, nato zažene funkcijo main() v programu
• dodeljevanje pomnilnika

  • programska koda in dinamične knjižnice

  • globalne spremenljivke, definirane zunaj funkcije main()

  • kopica je namenjena dinamičnemu dodeljevanju pomnilnika

  • na sklad se shranjuje vse potrebno ob klicu funkcije in spremenljivke, definirane v funkcijah

    

Niti

• proces je osnovna enota, ki ji operacijski sistem dodeli vire, ni pa osnovna enota, ki jo operacijski sistem lahko izvaja

• proces lahko vključuje več internih izvajalnih enot ali niti

• proces ima vedno vsaj glavno nit

• iz glavne niti lahko po potrebi zaženemo dodatne niti

  • s tem ustvarimo nov zaporedni programski tok, ki se izvaja asinhrono z glavnim

  • glavni programski tok se izvaja naprej nemoteno

  • od tu dalje sta glavna in dodatna nit enakovredni

  • dodatno nit lahko po potrebi pridružimo glavni niti

    

• izvajanje niti

  • niti izvaja operacijski sistem, nimamo vpliva na vrstni red izvajanja
  • večnitni program lahko izvajamo na enem jedru
  • če niti izvajajo neodvisne programske tokove na več jedrih hkrati, govorimo o vzporednem procesiranju

• programske in strojne niti

  • strojne niti omogočajo hkratno izvajanje več ločenih programskih tokov
  • operacijski sistem določi katera strojna nit bo izvajala neko programska nit

Organizacija pomnilnika v večnitnem procesu

• do globalnih spremenljivk (na sliki stat. spr.) lahko dostopa vsaka nit
• vse niti lahko dostopajo do programske kode
• vse niti lahko dostopajo do dinamično dodeljenega pomnilnika (kopica)
• niti si delijo dostop do datotek, vrat, V/I naprav
• lokalne spremenljivke na skladu so privatne za vsako nit
• če nit deli pomnilniški naslov z ostalimi nitmi, lahko te dostopajo do njenega lokalnega pomnilnika

Niti izvajajo neodvisne programske tokove, zato ima vsaka svoje:

• registre, na primer programski števec in skladovni kazalec

• sklad

  • delovanje: princip LIFO, skladovni kazalec
  
  • ob klicu funkcije na sklad shranimo povratni naslov in argumente, nato tudi vse spremenljivke
  • ob vračanju se vse lokalne spremenljivke in argumenti odstranijo iz sklada, program nadaljuje izvajanje na povratnem naslovu

• če ima proces več niti kot ima procesor jeder, operacijski sistem preklaplja med nitmi

• preklapljanje med nitmi je učinkovitejše od preklapljanja med procesi, saj ni treba shranjevati stanja virov, ki so na voljo vsem nitim

• niti so "lahki" procesi s poenostavljenim upravljanjem virov

• lahko jih razumemo tudi kot "napredne" funkcije, ki imajo svoje izvajalno okolje

Programski in izvajalni model

• programski model predstavlja logično organizacijo programa
  • mora biti kar se da splošen, da je prenosljiv med različnimi sistemi
• izvajalni model natančno podaja način izvajanja na ciljnem sistemu
  • odvisen od strojne opreme in programskih okolij
• izvajanje večnitnega programa

  • sočasno: več niti v procesu se izvaja (rešuje problem) v istem časovnem okviru

  • vzporedno: različne niti se hkrati (v istem trenutku) izvajajo na različnih procesorskih jedrih

  • izvajanje niti je lahko sočasno, ni pa vzporedno (dodeljevanje časovnih rezin)

  • če je izvajanje niti vzporedno, je tudi sočasno (hkratno izvajanje na več procesorskih jedrih)

  • sočasnost je programski vzorec, vzporednost je lastnost strojne opreme

  • dobro napisan program s podporo za sočasnost

    • se bo lahko izvajal sočasno na enem procesorskem jedru ali
    • vzporedno na več procesorskih jedrih hkrati
    

Življenjski cikel niti

• pripravljena: čaka v bazenu niti, da ji bo razvrščevalnik dodelil procesor
• v izvajanju: nit se izvaja na procesorju
• blokirana: izvajanje niti je zaustavljeno
  • operacijski sistem jo vrne v stanje pripravljenosti preden isto jedro začne izvajati drugo nit
  • programska blokada ob čakanju na pogoje
  • ko je nit blokirana, ne rabi procesorskih virov
• zaustavljena:
  • ko je zaključila z delom
  • ko je prekinitev izvajanja zahtevala druga nit

Prednosti večnitnih programov

• vzporedno izvajanje
• prepletanje računanja in komunikacije (računanje se lahko izvaja medtem, ko nit čaka na V/I)
• večnitni strežniki (spletne storitve, ena nit za vsakega uporabnika)
• grafični vmesniki (vsaj ena dodatna nit za obdelovanje dogodkov)

Naloge: ko niti niso dovolj

• mnoga programska orodja delajo neposredno z nitmi (pThreads, OpenMP)

• za učinkovito vzporedno izvajanje določenih tipov programov (na primer rekurzivnih) potrebujemo dodaten nivo abstrakcije (Cilk, TBB, go)

• model nalog

  • program ustvari niti
    • so blokirane in čakajo v bazenu niti
    • po potrebi jih programski razvrščevalnik (knjižnica) zbudi
      • lahko vsako nalogo izvaja svoja nit, ali pa imamo več nalog kot niti
  • program ustvarja naloge, ki jih oddaja v bazen nalog
  • naloge se izvajajo takrat, ko so niti na voljo
  • naloge dodeljuje nitim programski razvrščevalnik (knjižnica, jezik)
    • naloge se lahko izvajajo v drugačnem vrstnem redu, kot so bile oddane v bazen

• stanja nalog:

  • čakajoča
  • pripravljena za izvajanje
  • v izvajanju

• programski razvrščevalnik:

  • razvrščevalnik $M: N$, razvršča $M$ nalog na $N$ niti ($M > N$, $N$ je običajno enak številu procesorjev)
  • nalogo da na čakanje takoj, ko je njeno izvajanje blokirano, in zažene drugo nalogo iz bazena
  • koncept je podoben kot pri nitih, vendar samo ko pride do blokade, ne pa tudi zaradi porazdeljevanja procesorskih virov med naloge
  • s tem, ko neprestano preklaplja med blokiranimi in neblokiranimi nalogami, skrbi, da niti nikoli ne čakajo in procesor nima razloga za zamenjavo z drugimi nitmi
  • preklapljanje med nitmi ~12k ukazov, preklapljanje med nalogami ~2,4k ukazov
  • precej kompleksen: globalni seznam nalog, seznam nalog za vsako nit, LIFO in FIFO, kraja
  • vir: William Kennedy: Scheduling In Go

• prednosti nalog:
  • znebimo se visokih stroškov ob ustvarjanju, zaključevanju, preklapljanju niti
  • programi se lahko poenostavijo - lahko privzamemo, da imamo neomejeno število nalog