Этап урока

Учитель

Ученики

Доска

1

Здравствуйте, садитесь. Давайте отметим, кто отсутствует сегодня на уроке.

2

Сегодня на уроке мы начнем изучение элективного курса, который называется “Процессы в операционной системе Windows”. В ходе этого курса вы изучите, что такое процессы, как они взаимодействуют друг с другом и какие существуют способы организации их безошибочного взаимодействия. На этом уроке мы начнем с изучения базисных понятий курса, с процессов и потоков. Мы изучим, что они из себя представляют, в чем их отличие и какое значение они имеют для операционной системы. В конце урока будет проведена практическая работа, в ходе которой вы будете работать с Менеджером процессов и рассмотрите процессы и потоки в ОС.

Записывают число и тему урока.

Число и тема урока (Концепция процессов и потоков)

3

Перед тем как приступить к новой теме, давайте вспомним, что из себя представляет ОС. Как вы понимаете, что она из себя представляет? В чем её назначение? Какие функции ОС вы знаете?

Отвечают на поставленные вопросы.

Список вопросов.

4

К современным операционным системам, предъявляют важное требование - многозадачность: способность одновременно или попеременно выполнять несколько программ, совместно использующих не только процессор, но и другие ресурсы компьютера: оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода, данные.

Чтобы поддерживать многозадачность, ОС должна определить и оформить для себя те внутренние единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В настоящее время в большинстве операционных систем определены два типа единиц работы - процесс (process) и поток (thread).

В операционных системах, где существуют и процессы, и потоки, процесс рассматривается операционной системой как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного -- процессорного времени. Этот последний важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы -- потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд.

Процесс - единица активности операционной системы, создаваемая при запуске программы на выполнение, и обладающая свойствами:

· Отдельное виртуальное адресное пространство

· Код выполняемой программы, загруженный в адресное пространство процесса

· Начальные параметры запуска - аргументы запуска, рабочую папку и т.п.

· Текущее состояние, включая статус процесса.

Набор потоков, выполняющих код программы в адресном пространстве процесса, имеющих доступ к общим ресурсам процесса

У каждого процесса обязательно есть хотя бы один поток. Поток же может существовать без процесса.

Поток - единица активности операционной системы, создаваемая при запуске процесса системой или программно из другого потока того же процесса, обладающая свойствами:

· Счетчик команд - указатель на текущую выполняемую команду

· Регистры - значения регистров процессора в текущий момент времени. Стек.

Для систем, не поддерживающих параллельное выполнение средствами потоков, каждый процесс фактически имеет один поток, и понятия потока и процесса объединены.

Для систем, не поддерживающих многозадачность, необходимость в понятии процесса отпадает - одновременно может быть запущена только одна программа, и нет необходимости в разделении запущенных программ и их свойств.

Каждому процессу система присваивает идентификационный номер. Обычно наиболее важные системные процессы получают меньший номер.

Теперь обратите внимание на доску. На ней вы видите процессы, некоторые из которых имеют по одному потоку, другие же по несколько. Давайте разберем, какой поток принадлежит к какому процессу.

Записывают определение многозадачности.

Записывают

Определение процессорного времени.

Записывают определения процесса и потока.

Записывают свойства.

Разбирают схема процессов с разным количеством потоков.

Определение многозадачности.

Определение процессорного времени

Определения процесса и потока.

Перечень свойств процесса и потока.

Разница понятий для разных систем.

Схема процессов с разным количеством потоков.

5

Теперь давайте выполним практическую работу за компьютерами. Если у вас будут сложно, то можете воспользоваться электронным пособием, в котором даны инструкции по выполнению этой работы.

Практические задания:

1. Изучить Диспетчер задач.

2. Добавить в него столбцы отображающие - ID процесса, его описание и количество потоков.

3. Выписать 3 процесса, чей ID меньше 1000.

4. Выписать 3 процесса, чей ID больше 1000.

5. Сделать вывод, какие процессы загружаются системой раньше и почему.

6. Выписать 5 процессов, содержащие больше 2 потоков. Использую знания, полученные на уроках, объяснить зачем процессам такое количество потоков.

Ученики выполняют практические задания на компьютерах.

Список заданий.

6

Сегодня вы познакомились с понятиями процесса и потока и их свойствами, узнали их значение для операционной системы и увидели как процессы и потоки реализуются в ОС при помощи Диспетчера задач.

Прощаются с учителем.

Этап урока

Учитель

Ученики

Доска

1

Здравствуйте, садитесь. Давайте отметим, кто отсутствует сегодня на уроке.

2

Сегодня на уроке мы продолжим изучать процессы и узнаем, как они взаимодействуют, так же мы познакомимся с механизмом синхронизации типа семафор, который обеспечивает безошибочное взаимодействие между процессами.

Записывают число и тему урока.

Число и тема урока (Изучение механизма синхронизации семафор)

3

Но сначала давайте вспомним материал предыдущего урока, а именно что такое процесс и поток? Чем они отличаются? Какое значение они имеют для операционной системы?

Так же давайте повторим основные алгоритмические конструкции, которые понадобятся нам на сегодняшнем уроке. Это следование, ветвление и цикл.

Отвечают на вопросы.

Примеры алгоритмических структур (следование, ветвление, цикл)

4

С ростом вычислительной мощности компьютеров, появилась тенденция к усложнению программ и расширению их функционала. Из-за этого большинство современного ПО стало разрабатываться с учетом многопоточности, призванной ускорить работу программ путем распределения различных вычислений по разным процессам/потокам. Это весьма эффективно, но работа разных процессов в одной области данных может привести к ошибкам различного рода или даже к краху программы.

Для корректного взаимодействия процессов недостаточно одних организационных усилий операционной системы. Необходимы определенные внутренние изменения в поведении процессов.

Для этих целей были созданы механизмы синхронизации. Чтобы понимать принципы взаимодействия процессов и предотвращать ошибки, связанные с их совместной работой, следует знать особенности реализации и структуру механизмов синхронизации.

Важным понятием при изучении способов синхронизации процессов является понятие критической секции (critical section) программы. Критическая секция - это часть программы, исполнение которой может привести к возникновению гонок для определенного набора программ. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо организовать работу так, чтобы в каждый момент времени только один процесс мог находиться в своей критической секции, связанной с этим ресурсом. Иными словами, необходимо обеспечить реализацию взаимоисключения для критических секций программ.

Реализация взаимоисключения для критических секций процессов с практической точки зрения означает, что по отношению к другим процессам, участвующим во взаимодействии, критическая секция начинает выполняться как единая операция для всех процессов.

Семафор представляет собой целую переменную, принимающую неотрицательные значения, доступ любого процесса к которой, за исключением момента ее инициализации, может осуществляться только через две атомарные операции: P (от датского слова proberen - проверять) и V (от verhogen - увеличивать).

P-операция над семафором представляет собой попытку уменьшения значения семафора на 1. Если перед выполнением P-операции значение семафора было больше 0, то P-операция выполняется без задержек. Если перед выполнением P-операции значение семафора было 0, то процесс, выполняющий P-операцию, переводится в состояние ожидания до тех пор, пока значение семафора не станет большим 0.

V-операция над семафором представляет собой увеличение значения семафора на 1. Если при этом имеются процессы, задержанные на выполнении P-операции на данном семафоре, один из этих процессов выходит из состояния ожидания и может выполнить свою P-операцию.

Семафоры, принимающие два значения (с возможными значениями 0 и 1), называются двоичными. Считающие семафоры (семафоры со счетчиками) принимают целые неотрицательные значения, большие двух.

Операции P и V являются неделимыми. Неделимость операций означает, что в каждый момент времени только один процесс может выполнять операцию P или V над данным семафором. Неделимость операции также означает, что если несколько процессов задерживаются на P-операции, то только один из них может успешно завершить свою P-операцию, если значение семафора стало больше 0, при этом никаких предположений не делается о том, какой это будет процесс.

P(S): if S=1

Then S=S-1 /*закрыть семафор*/

else БЛОКИРОВАТЬ обратившийся процесс по S

V(S): if список процессов, ожидающих S, не пуст

then ДЕБЛОКИРОВАТЬ процесс, ожидающий S

else S=1 /*открыть семафор*/

Для реализации взаимного исключения, например, предотвращения возможности одновременного изменения двумя или более процессами общих данных, создается двоичный семафор S. Начальное значение этого семафора устанавливается равным 1. Критические секции кода (секции, которые могут одновременно выполняться только одним процессом) обрамляются операциями P(S) (в начале секции) и V(S) (в конце секции).

P(S)

критическая секция

V(S)

Процесс, входящий в критическую секцию, выполняет операцию P(S) и переводит семафор в 0. Если в критической секции уже находится другой процесс, то значение семафора уже равно 0. Тогда второй процесс, желающий войти в критическую секцию, блокируется своей P-операцией до тех пор, пока процесс, находящийся в критической секции сейчас, не выйдет из нее, выполнив на выходе операцию V(S).

Если начальное значение семафора равно единице, то взаимное исключение действительно гарантировано, так как процесс может выполнить P-операцию до того, как другой выполнит V-операцию. Кроме того, процесс без необходимости не перекрывает входы внутрь своей критической секции. Процесс отменяет вход, только, если значение семафора равно 0.

Теперь попробуйте закончить описание механизм двоичного семафора (для двух процессов) по этой алгоритмической схеме.

Записывают определение механизмов синхронизации.

Записывают определение критической секции.

Записывают определение семафора.

Записывают значения V и P операций.

Разбирают и объяснять алгоритм семафора.

Придумывают описание критической секции.

Довершают описание схемы работы двоичного семафора.

Определение механизмов синхронизации.

Определение критической секции.

Определение семафора.

Значение V и P операций.

Алгоритм семафора.

5

На этом урок мы познакомились с механизмами синхронизации, которые помогают процессам взаимодействовать без ошибок. Разобрали понятие критической секции и научились составить алгоритм работы семафора.

Прощаются с учителем.