Лекция 2 часа, самостоятельная работа 2 часа, пр

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.
   

1. Введение

• 
  современные операционные системы – по своей сути, параллельные программы
  

• 
  технологии параллельного программирования – либо непосредственное использование сервисов операционной системы через интерфейс системных вызовов, либо надстройка над операционной системой
  

• 
  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.
  

• 
  Программные ресурсы (процессы, виртуальное адресное пространство, подсистема ввода-вывода);
  

• 
  Аппаратные ресурсы (процессоры. Память, устройства);
  

1. 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.
  

• 
  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.»
  

2.2.3.1. Классификация по типу централизации

• 
  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;
  

• 
  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.
  

• 
  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.
  

• 
  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.
  

• 
  Однопользовательские операционные системы не предоставляют средств защиты информации одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя. Такие системы не предоставляют возможностей разделения ресурсов;
  

• 
  Многопользовательские операционные системы такие средства защиты информации имеют.
  

• 
  Операционные системы для мощных серверов;
  
• 
  Операционные системы для мощных станций и персональных компьютеров;
  
• 
  Операционные системы для карманных компьютеров»
  

• 
  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.
  

3. Процессы

3.1.2. Понятие процесса

• 
  «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.
  

• 
  На процессоре – активное состояние, в котором процесс обладает всеми необходимыми ресурсами, в том числе и самим процессором;
  

• 
  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.
  

• 
  Присвоение процессору уникального номера (ID);
  

• 
  Добавление процесса в список процессов, известных системе;
  

• 
  Определение начального приоритета;
  

• 
  Формирование блока управления процессом
  

• 
  Выделение необходимых ресурсов
  

• 
  Все данные, за исключением стэка исполнения и содержимого регистра процессора, разделяются между потоками.
  

• 
  Таким образом, многопоточность представляет собой эффективный параллелелизм.
  

• 
  Операционные системы;
  

• 
  Сетевые серверы;
  

• 
  Встроенные системы;
  

• 
  Вычислительные программы.
  

• 
  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.
  

• 
  Потоки WIN32, являющиеся стандартными для операционных систем Windows;
  

• 
  Потоки OS/2, являющиеся стандартными для операционной системы OS/2 компании IBM.
  

• 
  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.
  

• 
  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»
  

finish = clock();

duration_no = (finish - start);


Цикл с параллельной конструкцией


start = clock();

for (i=0;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.

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
{


#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
{

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. 
   Определить временные затраты, необходимые для создания параллельной секции. Для этого получить результат работы проекта Section_parall.
   
2. 
   Определить времена выполнения (и их разность) параллельных конструкций #pragma omp critical и #omp_set_lock(&lsk) по проекту Critical_mutex
   
3. 
   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.
   
4. 
   Определить время работы оператора печати в параллельной реализации и последовательной по проекту Critical_mutex
   

Замечание. Для выполнения задания предлагается накладывать комментарии на лишние операторы

Скачать 280,2 Kb.

оставить комментарий

Дата	29.09.2011
Размер	280,2 Kb.
Тип	Лекция, Образовательные материалы