Вытесняющая и невытесняющая многозадачность
Все многозадачные ОС можно разделить на два класса, различающиеся по способам организации переключения процессов.
В системах с невытесняющей диспетчеризацией (non-preemptive multitasking) работа любого процесса может быть прервана только «по инициативе самого процесса», а точнее — только когда процесс вызывает определенные системные функции. К ним относятся, в частности, описанные выше блокирующие функции. Может также иметься функция, специально предназначенная для добровольной уступки процессом очереди на выполнение (Yield). Вызов такой функции не приводит к блокировке, но может привести к вытеснению процесса[7]. Если работающий процесс не вызывает системных функций, а занимается, например, долгими расчетами, то все остальные процессы вынуждены простаивать. Когда же системная функция, наконец, вызвана, то система, прежде всего, проверяет, может ли эта функция быть выполнена сразу или предполагает ожидание некоторого события (требуемый ресурс может быть занят другим процессом; операция ввода/вывода обычно требует определенного времени на свое выполнение; очередь сообщений, требующих обработки, может быть пуста). Если требуется ожидание, то система блокирует процесс, выбирая какой-либо другой из готовых процессов для выполнения. Не исключена ситуация, когда заблокированными по разным причинам оказываются все пользовательские процессы.
Но даже если действие, требуемое процессом, может быть выполнено без блокировки, система не обязательно спешит выполнить его и вернуть управление текущему процессу. На самом деле, момент вызова системной функции удобен для того, чтобы система могла решить, не пора ли процессу «отдохнуть», поскольку имеются другие процессы, давно претендующие на процессорное время или обладающие более высоким приоритетом. В этом случае система переводит процесс в состояние готовности к выполнению, а один из других готовых к выполнению процессов становится текущим. Что же касается вызванной системной функции, то ее выполнение будет завершено позднее, когда вызвавший процесс вновь станет текущим.
В предыдущем п. 4.2.3 смена текущего процесса, не связанная с его блокировкой, была названа вытеснением процесса.
Та часть ОС, которая по определенным в системе правилам выбирает, следует ли вытеснить текущий процесс и какой процесс должен стать следующим текущим, называется планировщиком(scheduler) или диспетчером процессов.
В системе с невытесняющей диспетчеризацией планировщик получает управление при вызове процессом одной из блокирующих или вытесняющих функций. Планировщик проверяет, не выполнены ли условия активизации одного из спящих процессов, а затем принимает решение о выборе одного из активных процессов для выполнения. Не исключено, что будет опять выбран тот же процесс (если только он не блокируется).
Использование невытесняющей диспетчеризации позволило разработать достаточно впечатляющие примеры ОС, из которых наиболее известной является Windows версий 1, 2 и 3. Обычно в таких системах большая часть процессов находится в спящем состоянии, ожидая, пока пользователь обратится к соответствующему приложению. Для пользователя это выглядит совершенно естественно. Главный недостаток многозадачности невытесняющего типа заключается в том, что любой процесс в принципе имеет возможность полностью и надолго захватить процессор. Это «многозадачность на честном слове», основанная на предположении, что программы всех процессов написаны так, чтобы достаточно часто вызывать блокирующие функции. Даже если программист пишет программу для выполнения сложных многочасовых вычислений, он должен искусственно вставлять в некоторых местах вызов системных функций, передающих управление планировщику. Если же это не сделано, то система фактически теряет многозадачность и будет выполнять один процесс, не реагируя на действия пользователя, до тех пор, пока либо «нахальный» процесс завершится, либо рассвирепевший пользователь снимет его по Ctrl+Alt+Del.
Более сложным и совершенным типом многозадачных ОС являются системы с вытесняющей диспетчеризацией процессов (preemptive multitasking). Их отличие заключается в том, что планировщик вступает в работу не только (и не столько) при вызове системных функций, но и в следующих двух случаях (или хотя бы в одном из них):
когда активизируется (т.е. пробуждается или запускается) процесс, обладающий более высоким приоритетом, чем текущий;
когда истекает квант времени, выделенный планировщиком для текущего процесса.
Понятие приоритета процесса будет подробно рассмотрено чуть ниже. Приоритет характеризует относительную важность или срочность данного процесса. Надо отметить, что немедленный вызов планировщика при активизации высокоприоритетного процесса характерен не для всех систем с вытесняющей диспетчеризацией, а только для одного их подкласса — систем с абсолютными приоритетами. В системах с относительными приоритетами процесс с высоким приоритетом будет все же вынужден подождать истечения кванта времени.
Системы, в которых перепланировка процесса выполняется после истечения каждого кванта времени, называют системами с квантованием времени[8] (time slicing). Если величина кванта достаточно мала, то для пользователя процесс периодической смены текущего процесса будет незаметен и создастся впечатление, что все активные процессы работают как бы одновременно. С другой стороны, чем меньше величина кванта, тем большую долю процессорного времени будет занимать процедура переключения текущего процесса.
Вызов планировщика не обязательно означает смену процесса. Если нет других активных процессов с таким же или более высоким приоритетом, то планировщик может продолжить выполнение того же процесса.
Принципиальной чертой систем с вытесняющей диспетчеризацией является то, что текущий процесс может быть прерван и вытеснен практически в любой точке своей программы. Это заметно усложняет реализацию таких систем по сравнению с невытесняющими системами, где смена текущего процесса может произойти только в момент вызова системной функции.