3.2.5. Программное обеспечение ввода/вывода пространства пользователя

Хотя большая часть профаммного обеспечения ввода/вывода находится в операционной системе, небольшие его порции состоят из библиотек, присоединенных к профаммам пользователя, или даже целых программ, работающих вне ядра. Системные вызовы, включая системные вызовы ввода/вывода, обычно собраны из библиотечных процедур. Если программа на С содержит вызов

count = writeCfd. buffer, nbytes):

библиотечная процедура write будет скомпонована с программой и, таким образом, будет содержаться в двоичном коде, зафужаемом в память во время выполнения программы. Набор всех этих библиотечных процедур, несомненно, является частью системы ввода/вывода.

Хотя многие такие процедуры мало что делают, помимо обращения к системному вызову с соответствующими аргументами, есть ряд процедур ввода/вывода, производящих определенную работу. В частности, библиотечными процедурами выполняются операции форматного ввода и вывода. Например, процедура printf языка С, принимающая на входе текстовую строку и, возможно, несколько переменных, создает из нее ASCII-строку, после чего обращается к системному вызову write для непосредственного вывода. Примером сходной процедуры ввода служит scanf, читающая текстовую строку и преобразующая ее в значения переменных в соответствии с форматом, сходным с используемым процедурой printf. Стандартная библиотека ввода/вывода содержит большое количество процедур, включающих операции ввода/вывода и работающих как часть профаммы пользователя.

Не все профаммное обеспечение ввода/вывода пространства пользователя состоит из библиотечных процедур. Другая важная категория - это система спу-линга. Спулинг (spooling - подкачка, предварительное накопление данных) представляет собой способ работы с выделенными устройствами в многозадачной системе. Рассмотрим типичное устройство, на котором используется подкачка: принтер. В принципе, можно разрешить каждому пользователю открывать специальный символьный файл принтера, однако представьте себе, что процесс открыл его, а затем не обращался к принтеру в течение нескольких часов. Ни один другой процесс в это время не сможет ничего напечатать.

Вместо этого создается специальный процесс, называемый демоном, и специальный каталог, называемый каталогом спулинга или каталогом спулера. Чтобы распечатать файл, процесс сначала создает специальный файл, предназначенный для печати, который помещает в каталог спулинга. Этот файл печатает демон, единственный процесс, которому разрешается пользоваться специальным файлом принтера. Таким образом, потенциальная пробка, связанная с тем, что какой-либо процесс на слишком долгий срок захватит принтер, решается при помощи защиты специального файла принтера от прямого доступа пользователей.

Спулинг используется не только для принтеров. Например, передачу файлов по сети также часто осуществляет специальный сетевой демон. Чтобы послать

куда-либо файл, пользователь помещает его в каталог сетевого демона. Затем сетевой демон извлекает оттуда файл и посылает по сети. Подобный способ принят в системе сетевых новостей USENET. Эта сеть состоит из миллионов мащин по всему миру, общающихся друг с другом по Интернету. Существуют тысячи конференций по самым разным темам. Чтобы послать новое сообщение, пользователь вызывает программу новостей, которая принимает сообщение, а затем помещает его в каталог спулинга для последующей отправки на другие машины. Вся система новостей работает вне операционной системы.

На рис. 3.4 показана структура системы ввода/вывода, со всеми уровнями и основными функциями каждого уровня. В порядке снизу вверх эти уровни представляют собой: аппаратуру, обработчики прерываний, независимое от устройств программное обеспечение и, наконец, процессы пользователя.

Уровень

Функции ввода/вывода

Запрос ввода/вывода

Процесс пользователя

Устройство-независимое рофаммное обеспечен

Драйверы устройства

Обработчики прерываний

Аппаратура

Ответ ввода/вывода

Обращение к вызовам вводаУвывода; форматный ввод/вывод; спулинг

Именование, защита, блокирование, буферизация, назначение

Установка регистров устройств; завершение операции ввода/вывода

Активизировать драйвер по завершении операции вврда/вывода

Выпопнение операции ввода/вывода

Рис. 3.4. Уровни и основные функции системы ввода/вывода

Стрелки на рис. 3.4 изображают поток управления. Например, когда программа пользователя пытается прочитать блок из файла, для обработки вызова запускается операционная система. Независимое от устройств программное обеспечение ищет этот блок в кэше. Если требуемого блока там нет, оно вызывает драйвер устройства, чтобы обратиться к аппаратуре и получить этот блок с диска. Процесс же блокируется до завершения дисковой операции.

Когда диск завершает операцию, аппаратура инициирует прерывание. Обработчик прерываний запускается с целью определить, что случилось, то есть какое устройство требует внимания. Затем он извлекает статус устройства и активизирует спящий процесс, чтобы завершить запрос ввода/вывода и предоставить пользовательскому процессу возможность продолжения работы.

3.3. Взаимоблокировка

в компьютерных системах существует большое количество ресурсов, каждый из которых в конкретный момент времени может использоваться только одним про-

цессом. В качестве таких примеров можно привести принтеры, накопители на магнитной ленте и элементы внутренних таблиц системы. Появление двух процессов, одновременно передающих данные на принтер, приведет к печати бессмысленного набора символов. Наличие двух процессов, использующих один и тот же элемент таблицы файловой системы, обязательно станет причиной разрушения файловой структуры. Поэтому все операционные системы обладают способностью предоставлять процессу эксклюзивный доступ (по крайней мере, временный) к определенным ресурсам.

Часто прикладной процесс нуждается в исключительном доступе не к одному, а к нескольким ресурсам. Предположим, например, что каждый из двух процессов хочет записать отсканированный документ на компакт-диск. Процесс А запрашивает разрешение на использование сканера и получает его. Процесс В запрограммирован по-другому, поэтому сначала запрашивает устройство для записи компакт-дисков и также получает его. Затем процесс А обращается к устройству для записи компакт-дисков, но запрос отклоняется до тех пор, пока это устройство занято процессом В. К сожалению, вместо того чтобы освободить устройство для записи компакт-дисков, В запрашивает сканер. В этот момент процессы заблокированы и будут вечно оставаться в подвешенном состоянии. Такая ситуация называется тупиком, клинчем или взаимоблокировкой.

Взаимоблокировки вероятны во множестве других ситуаций помимо запросов выделенных устройств ввода/вывода. В системах баз данных программа может оказаться вынужденной заблокировать несколько записей, чтобы избежать состояния конкуренции. Если процесс А блокирует запись R1, процесс В блокирует запись R2, а затем каждый процесс попытается заблокировать чужую запись, мы также окажемся в тупике. Таким образом, взаимоблокировки появляются при работе как с аппаратными, так и с программными ресурсами.

В этой главе мы рассмотрим тупиковые ситуации более подробно, увидим, как они возникают, и изучим некоторые способы, позволяющие предупредить взаимные блокировки или избежать их. Хотя информация о тупиках представлена в контексте операционной системы, они также могут встретиться в системах баз данных и во множестве других ситуаций, поэтому рассматриваемый материал на самом деле применим к широкому ряду систем, работающих с несколькими процессами. О взаимоблокировках было сложено много книг и статей. Несмотря на то что эти библиофафии датируются давними цифрами, так как большая часть работ по взаимоблокировкам была проделана до 1980 года, данные книги полезны до сих пор.

3.3.1. Ресурсы

Система может зайти в тупик, когда процессам предоставляются исключительные права доступа к устройствам, файлам и т. д. Чтобы максимально обобщить рассказ о взаимоблокировках, мы будем называть объекты предоставления доступа ресурсами. Ресурсом может быть аппаратное устройство (например, накопитель на магнитной ленте) или часть информации (закрытая запись в базе данных). В компьютере существует масса различных ресурсов, к которым могут