Управление процессами

Диспетчеризация задач в AS/400

С каждой задачей AS/400 связан блок управления в памяти, который называется элементом диспетчеризации задач TDE (task dispatching element). TDE — это фундаментальная структура данных, лежащая в основе управления задачами. Структура TDE не видима над MI, так как расположена ниже него. Эта структура не системный объект, но важный компонент некоторых из них. Далее в этой лекции мы рассмотрим процесс MI и увидим, каким образом TDE включена в этот системный объект. TDE содержит всю информацию, необходимую для управления выполнением задачи. Задача — это исполняющаяся программа, а TDE отвечает и за программу и за состояние ее выполнения.

Состояния задачи

Состояние характеризует способность задачи выполняться процессором. Любая задача в системе может находиться в одном из четырех состояний. Обратите внимание, что каждое состояние может обозначаться несколькими терминами. В данном разделе мы используем имена состояний SLIC.

Итак, четыре состояния задачи — это:

1. Подвешенность — задача находится в этом состоянии, когда начинается или завершается. Такая задача не может исполняться процессором.
2. Готовность — состояние задачи, которая готова к выполнению, но еще не выполняется. За пределами SLIC данное состояние также иногда называется "не избранным", то есть вместо данной задачи исполняется некоторая другая.
3. Исполнение — состояние задачи, называемое вне SLIC активным. В любой момент времени на одном процессоре может исполняться только одна задача.
4. Ожидание — задача чего-либо ожидает, обычно, завершения ввода-вывода, и при этом не может исполняться.

Четыре состояния задачи и возможные переходы между ними показаны на рисунке 9.1.

Рис. 9.1. Состояния задачи

Всего возможно 12 переходов из одного состояния в другое, но в AS/400 разрешены только шесть, а именно:

1. Инициирование задачи (подвешенность — готовность): работа начата, и задача переводится в состояние готовности к исполнению.
2. Запуск задачи (готовность — исполнение): перевод задачи в исполняющееся (активное) состояние.
3. Подвешивание задачи (исполнение —подвешенность): по завершении работы задача переводится в подвешенное состояние.
4. Вытеснение задачи (исполнение — готовность): еще не завершенная задача переводится обратно в готовое состояние. Данный переход предполагает наличие в системе других задач, которые более важны (приоритетны).
5. Ожидание (исполнение — ожидание): некоторая операция, запущенная задачей, например, вводавывода, заставляет задачу ожидать своего завершения.
6. Сигнализация (ожидание — готовность): операция, окончания которой ждала задача, завершилась, и задача переходит в состояние готовности (не избранности).

Некоторые из этих переходов знакомы тем, кто работал с командой "WRKSYSSTS". Она показывает частоту выполнения следующих переходов: "исполнение — ожидание", "исполнение — готовность" и "ожидание — готовность". Данные значения используются при настройке уровня активности в пуле памяти. (На уровнях активности и пулах памяти мы подробно остановимся далее в этой лекции).

Текущее состояние задачи определяется местом связанного с ней TDE. TDE перемещаются в системе, но не физически, а логически. Все TDE расположены в памяти AS/400. TDE содержит поля адресов, связывающие его с другими структурами данных. Когда говорят о перемещении TDE, имеют в виду, что адреса в структурах данных изменяются для логического перемещения TDE в другую структуру данных. Операции, выполняемые SLIC для связывания различных адресов памяти — вставка TDE в структуру данных и удаление его оттуда — называются постановкой в очередь и удалением из очереди. Эти операции связывания выполняются очень быстро по сравнению с физическим перемещением TDE.

Очередь диспетчеризации задач

TDE всех задач, которые могут выполняться на процессоре в любой данный момент времени, объединены в структуру данных, называемую очередью диспетчеризации задач TDQ (task dispatching queue). TDQ реализована как связный список в памяти, в котором TDE упорядочены по приоритетам, как показано на рисунке 9.2. Каждый TDE содержит поле приоритета, которое используется для упорядочения. TDE для приоритетной задачи открывает список.

Находящийся в SLIC диспетчер задач выбирает приоритетный (первый в списке) TDE и передает ему управление процессором. Таким образом, первый TDE связан с задачей, которая в данный момент исполняется процессором. Все остальные TDE в TDQ связаны с задачами в готовом состоянии. Текущая задача продолжает исполняться до тех пор, пока ей не придется отдать управление процессором.

Причин тому может быть несколько. Исполняющаяся задача может запустить операцию, которая заставит ее отдать управление, например ожидание завершения ввода-вывода. Отдать управление также приходится, когда задача полностью использует выделенное ей время процессора. Кроме того, может случиться, что исполняющаяся задача будет вытеснена другой, более важной (приоритетной).

Всякий раз, когда исполняющаяся задача отдает управление, оно передается задаче, следующей по важности в TDQ, которая и становится новой исполняющейся задачей. Таким образом, любой TDE в TDQ находится по определению либо в исполняющемся, либо в готовом состоянии.

Рис. 9.2. Очередь диспетчеризации задач

Очереди и счетчики приема-передачи

В основе метода синхронизации выполнения задач, а также и для связи между задачами лежит семафор Дейкстры (Dijkstra). В 1968 году Дейкстра предложил примитив для синхронизации исполнения процессов в ОС с мультипрограммированием. Синхронизация — это способность задачи приостанавливаться и ждать до тех пор, пока другая задача не выполнит некоторую операцию. Семафор предоставляет задаче механизм ожидания.

Семафор имеет счетчик и список ожидания. Определены две операции (команды). Синхронизация задач осуществляется следующим образом. Оператор V увеличивает значение счетчика на 1. Оператор P проверяет значение счетчика; если оно больше 0, то уменьшает значение на 1 и дает возможность выполняться следующей команде в потоке. Если значение счетчика не больше 0, то оператор Р ждет пока значение увеличится и станет больше 0, прежде чем операция завершится и следующая команда сможет выполняться. То есть ситуация, когда при выполнении оператора Р счетчик не больше 0, означает ожидание. В этом случае, задача, выполнившая оператор Р, ждет до тех пор, пока какаялибо другая задача не увеличит счетчик с помощью оператора V.

Во многих случаях, при синхронизации желательно обменяться некоторой информацией или сообщением. Для поддержки синхронизации и передачи сообщений AS/400 определяет очередь приема-передачи SRQ (send/receive queue). SRQ — это структура данных в памяти, используемая как "почтовый ящик" для передачи сообщений от одной задачи к другой.

Когда исполняющаяся задача выполняет операцию "Отправить сообщение", в очередь SRQ, связанную с некоторой другой задачей, добавляется структура данных, называемая сообщением приема-передачи SRM (send/receive message). SRM содержит сообщение, которое исполняющаяся задача желает передать другой задаче. Когда исполняющаяся задача хочет получить сообщение из SRQ (из своего почтового ящика), она выполняет операцию "Принять сообщение". Если сообщения нет, то задача может подождать его поступления. Если она решает ждать, то TDE исполняющейся задачи извлекается из TDQ и помещается в список ожидания — часть каждой SRQ. Затем вызывается диспетчер задач, который выбирает готовую задачу наибольшей важности и делает ее исполняющейся.

Некоторое время спустя другая исполняющаяся задача выполняет для данной SRQ операцию "Отправить сообщение". Если TDE ждет сообщения, то он извлекается из SRQ и помещается в очередь TDQ в порядке важности (приоритетности). Если важность вновь добавленного в очередь TDE выше, чем у исполняющегося, то исполняющая задача вытесняется. Если в процессе ожидания находятся несколько SRQ, то разряд в заголовке SRQ указывает, следует ли при поступлении сообщения "разбудить" их все, или только первую.

Любая задача, чей TDE находится в очереди SRQ, по определению находится в состоянии ожидания. На рисунке 9.3 показаны перемещения TDE и то, каким образом положение TDE определяет состояние задачи.

Рис. 9.3. Перемещения элемента диспетчеризации задач

На рисунке не показаны другие структуры данных, которые могут находиться в очередях TDE. Одна из таких структур — счетчик приемапередачи SRC (send/receive counter). SRC не занимается передачей сообщений, так что похож на обычный семафор. SLIC предоставляет операции "Отправить счетчик" и "Принять счетчик", которые позволяют синхронизировать задачи, если обмен сообщениями не нужен.

Некоторые читатели, знакомые с командами "SNDPGMMSG" (Send Program Message) и "RCVMSG" (Receive Message) в OS/400 могут спросить: имеют ли эти команды отношение к операциям, используемым структурой задач SLIC. Ответ: "Да, они состоят в очень тесном родстве". Формат SRM, SRQ и SRC спроектирован для управления задачами, но операции добавления и извлечения сообщений из очереди фундаментально одинаковы во всей системе. За реализацию всех этих функций отвечает SLIC.