Архитектура операционной системы UNIX - Морис Бах

}

child(n)

int n;

{

 int i;

 struct tms cb1, cb2;

 long t1, t2;

 t1 = times(&cb1);

 for (i = 0; i ‹ 10000; i++);

 t2 = times(&cb2);

 printf("потомок %d: реальное время %u в режиме задачи %u в режиме ядра %un",

          n, t2 - t1, cb2.tms_utime - cb1.tms_utime, cb2.tms_stime - cb1.tms_stime);

 exit();

}

Рисунок 8.7. Пример программы, использующей функцию times

На Рисунке 8.7 приведена программа, в которой процесс-родитель создает 10 потомков, каждый из которых 10000 раз выполняет пустой цикл. Процесс-родитель обращается к функции times перед созданием потомков и после их завершения, в свою очередь потомки вызывают эту функцию перед началом цикла и после его завершения. Кто-то по наивности может подумать, что время выполнения потомков процесса в режимах задачи и ядра равно сумме соответствующих слагаемых каждого потомка, а реальное время процесса-родителя является суммой реального времени его потомков. Однако, время выполнения потомков не включает в себя время, затраченное на исполнение системных функций fork и exit, кроме того оно может быть искажено за счет обработки прерываний и переключений контекста.

С помощью системной функции alarm пользовательские процессы могут инициировать посылку сигналов тревоги ("будильника") через кратные промежутки времени. Например, программа на Рисунке 8.8 каждую минуту проверяет время доступа к файлу и, если к файлу было произведено обращение, выводит соответствующее сообщение. Для этого в цикле, с помощью функции stat, устанавливается момент последнего обращения к файлу и, если оно имело место в течение последней минуты, выводится сообщение. Затем процесс с помощью функции signal делает распоряжение принимать сигналы тревоги, с помощью функции alarm задает интервал между сигналами в 60 секунд и с помощью функции pause приостанавливает свое выполнение до момента получения сигнала. Через 60 секунд сигнал поступает, ядро подготавливает стек задачи к вызову функции обработки сигнала wakeup, функция возвращает управление на оператор, следующий за вызовом функции pause, и процесс исполняет цикл вновь.

Все перечисленные функции работы с временем протекания процесса объединяет то, что они опираются на показания системных часов (таймера). Обрабатывая прерывания по таймеру, ядро обращается к различным таймерным счетчикам и инициирует соответствующее действие.

8.3 ТАЙМЕР

В функции программы обработки прерываний по таймеру входит:

• перезапуск часов,

• вызов на исполнение функций ядра, использующих встроенные часы,

• поддержка возможности профилирования выполнения процессов в режимах ядра и задачи;

• сбор статистики о системе и протекающих в ней процессах,

• слежение за временем,

• посылка процессам сигналов "будильника" по запросу,

• периодическое возобновление процесса подкачки (см. следующую главу),

• управление диспетчеризацией процессов.

Некоторые из функций реализуются при каждом прерывании по таймеру, другие — по прошествии нескольких таймерных тиков. Программа обработки прерываний по таймеру запускается с высоким приоритетом обращения к процессору, не допуская во время работы возникновения других внешних событий (таких как прерывания от периферийных устройств). Поэтому программа обработки прерываний по таймеру работает очень быстро, за максимально-короткое время пробегая свои критические отрезки, которые должны выполняться без прерываний со стороны других процессов. Алгоритм обработки прерываний по таймеру приведен на Рисунке 8.9.

#include ‹sys/types.h›

#include ‹sys/stat.h›

#include ‹sys/signal.h›

main(argc, argv)

int argc;

char *argv[];

{

 extern unsigned alarm();

 extern wakeup();

 struct stat statbuf;

 time_t axtime;

 if (argc != 2) {

  printf("только 1 аргументn");

  exit();

 }

 axtime = (time_t) 0;

 for (;;) {

   /* получение значения времени доступа к файлу */

  if (stat(argv[1], &statbuf) == -1) {

   printf("файла с именем %s нетn", argv[1]);

   exit();

  }

  if (axtime != statbuf.st_atime) {

   printf("к файлу %s было обращениеn", argv[1]);

   axtime = statbuf.st_atime;

  }

  signal(SIGALRM, wakeup); /* подготовка к приему сигнала */

  alarm(60);

  pause(); /* приостанов до получения сигнала */

 }

}

 wakeup() {}

Рисунок 8.8. Программа, использующая системную функцию alarm

алгоритм clock

входная информация: отсутствует

выходная информация: отсутствует

{

 перезапустить часы; /* чтобы они снова посылали прерывания */

 if (таблица ответных сигналов не пуста) {

  установить время для ответных сигналов;

  запустить функцию callout, если время истекло;

 }

 if (профилируется выполнение в режиме ядра)

  запомнить значение счетчика команд в момент прерывания;

 if (профилируется выполнение в режиме задачи)

  запомнить значение счетчика команд в момент прерывания;

 собрать статистику о самой системе;

 собрать статистику о протекающих в системе процессах;

 выверить значение продолжительности ИЦП процессом;

 if (прошла 1 секунда или более и исполняется отрезок, не являющийся критическим) {

  for (всех процессов в системе) {

   установить "будильник", если он активен;

   выверить значение продолжительности ИЦП;

   if (процесс будет исполняться в режиме задачи) выверить приоритет процесса;

  }

  возобновить в случае необходимости выполнение процесса подкачки;

 }

}

Рисунок 8.9. Алгоритм обработки прерываний по таймеру

8.3.1 Перезапуск часов

В большинстве машин после получения прерывания по таймеру требуется программными средствами произвести перезапуск часов, чтобы они по прошествии интервала времени могли вновь прерывать работу процессора. Такие средства являются машинно-зависимыми и мы их рассматривать не будем.

8.3.2 Внутренние системные тайм-ауты

Некоторым из процедур ядра, в частности драйверам устройств и сетевым протоколам, требуется вызов функций ядра в режиме реального времени. Например, процесс может перевести терминал в режим ввода без обработки символов, при котором ядро выполняет запросы пользователя на чтение с терминала через фиксированные промежутки времени, не дожидаясь, когда пользователь нажмет клавишу "возврата каретки" (см.раздел 10.3.3). Ядро хранит всю необходимую информацию в таблице ответных сигналов (Рисунок 8.9), в том числе имя функции, запускаемой по истечении интервала времени, параметр, передаваемый этой функции, а также продолжительность интервала (в таймерных тиках) до момента запуска функции.

Пользователь не имеет возможности напрямую контролировать записи в таблице ответных сигналов; для работы с ними существуют различные системные алгоритмы. Ядро сортирует записи в этой таблице в соответствии с величиной интервала до момента запуска функций. В связи с этим для каждой записи таблицы запоминается не общая продолжительность интервала, а только промежуток времени между моментами запуска данной и предыдущей функций. Общая продолжительность интервала до момента запуска функции складывается из промежутков времени между моментами запуска всех функций, начиная с первой и вплоть до текущей.

Рисунок 8.10. Включение новой записи в таблицу ответных сигналов

На Рисунке 8.10 приведен пример добавления новой записи в таблицу ответных сигналов. (К отрицательному значению поля "время до запуска" для функции a мы вернемся несколько позже). Создавая новую запись, ядро отводит для нее надлежащее место и соответствующим образом переустанавливает значение поля "время до запуска" в записи, следующей за добавляемой. Судя по рисунку, ядро собирается запустить функцию f через 5 таймерных тиков: оно отводит место для нее в таблице сразу после функции b и заносит в поле "время до запуска" значение, равное 2 (тогда сумма значений этих полей для функций b и f составит 5), и меняет "время до запуска" функции c на 8 (при этом функция c все равно запускается через 13 таймерных тиков). В одних версиях ядро пользуется связным списком указателей на записи таблицы ответных сигналов, в других меняет положение записей при корректировке таблицы. Последний способ требует значительно меньших издержек при условии, что ядро не будет слишком часто обращаться к таблице.