سیستم عامل یونیکس(Unix OS)-بخش سوم

راهکارهای همزمانی در یونیکس

یونیکس راهکارهای متنوعی را برای ارتباط و همگام سازی فرایندها فراهم کرده است. در اینجا مهمترین آنها را مورد توجه قرار می دهیم:

• لوله ها
• پیام­ها
• حافظه مشترک
• راهنماها
• علائم

لوله های پیام­ ها و حافظه  مشترک وسایلی برای مخابره داده­ ها در بین فرایندها فراهم می­کنند در حالی که از راهنماها و علائم برای راه اندازی اعمال به وسیله فرایندهای دیگر استفاده می­شود.

لوله ها

یکی از مهمترین کمک ­های یونیکس به ایجاد و توسعه سیستم­ های عامل، لوله است. با الهام از مفهوم هم روال لوله میانگیر مدوری است که اجازه می­دهد دو فرایند بر اساس مدل تولید کننده و مصرف کننده ارتباط برقرار کنند. بنابراین صف خروج به ترتیب ورودی است که به وسیله یک فرایند نوشته و توسط دیگری خوانده می­شود.

در هنگام ایجاد لوله اندازه ثابتی از بایتها برایش منظور می­شود. وقتی فرایندی برای نوشتن در لوله ­ها تلاش کند، در صورت وجود جا درخواست نوشتن بلافاصله اجرا می­شود. درغیر این صورت آن فرایند مسدود می­گردد. همین طور اگر فرایندی برای خواندن بیش از بایت­هایی که در لوله موجود هست تلاش کند مسدود می­شود وگرنه درخواست خواندن، بلافاصله اجرا می­گردد. سیستم عامل انحصار متقابل را اعمال می­نماید. یعنی در هر زمان تنها یک فرایند می تواند به لوله دسترسی داشته باشد.

دو نوع لوله، با نام و بی نام وجود دارد. لوله های بی نام را تنها فرایندهای مرتبط می­توانند مشترک شوند درحالی که فرایندهایی که مربوط بهم نیستند تنها می­توانند لوله های با نام را مشترک گردند.

پیام ها

پیام ،بلوکی از متن به همراه یک نوع است. یونیکس از فراخوانی­ های سیستم msgsnd و msgrev برای فرایندهای درگیر در تبادل پیام استفاده می­کند. هر فرایند یک پیام وابسته است که مثل یک صندوق پستی عمل می­کند.

فرستنده پیام با هر پیام ارسالی نوع آن را نیز مشخص می­کند. این نوع می­تواند به عنوان معیار انتخاب توسط دریافت کننده به کار رود. دریافت­ کننده می­تواند پیامها را بر مبنای خروج به ترتیب ورود و یا بر مبنای نوع آنها دریافت نماید. اگر فرایندی برای ارسال پیام به صفی که پر است تلاش کند، معلق خواهد شد. اگر فرایندی برای خواندن از صف خالی تلاش کند نیز معلق می­گردد. اگر فرایندی برای خواندن نوع خاصی از پیام تلاش کند و موفق نشود، این فرایند معلق نخواهد شد.

حافظه مشترک

سریعترین شکل ارتباط بین فرایندها که در یونیکس فراهم شده حافظه مشترک است.بلوکی از حافظه مجازی است که توسط فرایندهای متعدد مورد اشتراک قرار می­گردد. فرایندها می­توانند با استفاده از همان دستورالعمل­ های ماشین که برای خواندن و نوشتن بخش­ های دیگر حافظه مجازی به کار می­برند،حافظه  مشترک را نیز بخوانند یا بنویسند. مجوز هر فرایند فقط خواندن یا خواندن و نوشتن است که برای هر فرایند به طور جداگانه تعیین می­گردد. محدودیت های انحصار متقابل بخشی از امکان حافظه  مشترک نیست ولی باید توسط فرایندهایی که از حافظه  مشترک استفاده می­کنند فراهم گردد.

راهنماها

فراخوانی ­های سیستمی راهنما در unix xyxtem V تعمیمی از اولیه ­هایwait , signal معرفی شده است.به این صورت که عملیات متعددی می­توانند به صورت همزمان انجام شوند و اعمال افزایش و کاهش با مقادیر بزرگتر از یک نیز می­تواند انجام گردد. هسته تمام اعمال در خواست شده را به صورت اتمی انجام می­دهد . یعنی تا موقعی که تمام اعمال انجام نشده باشد، هیچ فرایند دیگری نمی­تواند به آن راهنما دسترسی داشته باشد.

یک راهنما شامل عناصر زیر است:

• مقدار جاری راهنما
• شناسه یا ID  آخرین فرایند عمل­کننده روی این راهنما
• تعداد فرایندهایی که منتظرند تا مقدار این راهنما از مقدار جاری آن بیشتر شود
• تعداد فرایندهایی که منتظرند تا مقدار این راهنما صفر شود.

صف­ های فرایند­هایی که روی این راهنما معلق هستند نیز به آن راهنما وابسته ­اند.

در واقع راهنماها به صورت مجموعه ه­ایی ایجاد می­شوند، که هر مجموعه راهنما شامل یک راهنما یا بیشتر است. فراخوانی سیستم  semctl اجازه می­دهد تا تمام راهنماهای یک مجموعه راهنما در یک زمان مقدار گذاری شوند. علاوه بر این فراخوانی سیستمی semop وجود دارد که لیستی از اعمال راهنماها (که هر یک روی راهنما یی از مجموعه تعریف شده است) را به عنوان نشانوند دریافت کند.با این فراخوانی هسته اعمال مشخص شده را یکی یکی انجام می دهد. برای هر عمل کار واقعی به وسیله مقدار sem-opمشخص شده است. موارد ممکن در زیر آمده است:

• اگر sem-op  مثبت باشد هسته مقدار راهنما را افزایش داده و تمام فرایندهایی که منتظر افزایش مقدار راهنما بودند را بیدار می­کند.
• اگر sem-op صفر باشد هسته مقدار راهنما را بررسی می­کند. اگر صفر باشد با اعمال دیگر لیست ادامه می­دهد. در غیر این صورت تعداد فرایندهایی که منتظر صفر بودن این راهنما هستند را افزایش داده و آن فرایند را روی حادثه صفر شدن مقدار این راهنما معلق می­کند.
• اگر sem-op منفی و قدر مطلقش کمتر یا مساوی مقدار راهنما باشد هسته sem-op یک عدد منفی را به مقدار راهنما می­افزاید. اگر نتیجه صفر باشد هسته تمام فرایندهایی که منتظر صفر بودن مقدار راهنما بوده اند را بیدار می­کند.
• اگر sem-op منفی و قدر مطلقش بزرگتر از مقدار راهنما باشد هسته این فرایند را برای حادثه افزایش مقدار راهنما معلق می­کند.

این تعمیم از راهنما،انعطاف قابل ملاحظه ای در انجام همگام سازی و هماهنگی فرایند ها فراهم می­کند.

در واقع Semaphore یک واژه و اصطلاح در یونیکس برای متغیری است که شبیه شمارشگر عمل میکند.

دلیل این که چرا باید از این استفاده شود بسیار ساده است.

زمان­ هایی پیش می­آید که چند Process به صورت همزمان می­خواهد به یک پوشه مشخص دسترسی داشته باشند، در این حالت باید بتوانیم دسترسی به پوشه را زمانیکه یک Process دسترسی به آن دارد، کنترل نماییم.  این کار با مقدار دهی Semaphore انجام میشود.

Semaphore توسط Process اول مقدار دهی اولیه می‏شود.

وقتی که Process دوم میخواهد به پوشه دسترسی داشته باشد، semaphore را چک می­نماید و اگر مقدار آن برابر مقدار اولیه باشد در این صورت به پوشه دسترسی نخواهد داشت.

پس از اینکه کار Process اول تمام شد، مقدار Semaphore مجدد مقدار دهی می­نماید، و بدین ترتیب Process دوم می­تواند به پوشه دسترسی داشته باشد.

دوپارامتر عملکرد الگوریتم را مشخص می نمایند:

Scanrate  :

سرعتی که هر کدام از Hand ها لیستPage ها(صفحات) را اسکن می کنند،با واحد Page(صفحه) بر ثانیه.

Handspread:

فاصله بین Fronthand و Backhand.

این پارامترها مقدار اولیه دارند که در هنگام بوت شدن و براساس حجم حافظه مشخص می شوند.

سرعت

سرعت یک سیستم هم به مشخصات سخت افزار بستگی دارد و هم به سیستم عامل.

میزان فضای حافظه، نوع پردازنده (RISC یا  CISC بودن معماری پردازنده)، سرعت کار پردازنده و سایر قطعات (از جمله برد اصلی، دیسک، کارت شبکه، …) از جمله فاکتورهای سخت افزاری تعیین کننده سرعت می باشند. نحوه عملکرد سیستم عامل نقش مهمی در سرعت سیستم دارد. سرعت سیستمهای UNIX به مراتب بهتر از سیستمهای Windows می باشند. Windows مشکلات زیادی در مدیریت حافظه دارد ولی UNIX  از حافظه استفاده بهینه می کند و فضای حافظه را هدر نمی دهد، بطوریکه حتی قسمتهایی از خود سیستم عامل نیز به صورت module  می باشند که فقط در صورت نیاز در حافظه قرار می گیرند.

علائم

علامت یک راهکار نرم ­افزاری است که یک فرایند را از بروز حوادث ناهنگام با خبر می­کند. علامت شبیه یک وقفه سخت افزای است که اولویت ها را به کار نمی برد. یعنی همه علائم به طور معادل عمل می­کنند. علائمی که در این زمان اتفاق بیفتند یکی یکی و بدون هیچ ترتیب خاصی به یک فرایند ارائه می­گردند.

ممکن است فرایندها برای یکدیگر علامت بفرستند یا ممکن است هسته به صورت داخلی علائم را بفرستد. تحویل یک علامت با بهنگام کردن عنصری از جدول فرایند تحویل گیرند، انجام می­شود. نظر به اینکه هر علامت به صورت یک بیت واحد نگهداری می­شود. علائم از یک نوع خاص به صف نمی­شوند. پردازش علامت دقیقا بعد از بیدار شدن فرایند برای اجرا یا برگشت از یک فراخوانی سیستم  صورت می­گیرد. پاسخگویی فرایند به یک علامت ممکن است توسط بعضی اعمال پیش فرض اجرای یک تابع گرداننده علامت و یا با نادیده گرفتن علامت انجام شود.

اولیه های همگام سازی نخ در SOLARIS

علاوه بر راهکارهای همزمان UNIX SVR4  سیستم  عامل SOLARISازچهار اولیه همگام سازی نخ حمایت می­کند:

• قفل های انحصار متقابل
• راهنماها
• قفل های چند خواننده و یک نویسنده
• متغیرهای شرط

SOARSI این اولیه ­ها را در داخل هسته برای نخ­های هسته پیاده ­سازی می­کند. برای استفاده نخ ­های سطح کاربر این اولیه ­ها در کتابخانه نخ­ ها هم فراهم شده ­است. اجرای یک اولیه موجب ایجاد ساختمان داده­ هایی می­شود که حاوی پارامترهای مشخص شده توسط نخ ایجاد کننده است.

وقتی یک شی همگام سازی ایجاد شد اساسا فقط دو عمل می­توان انجام داد:  وارد شدن و رها کردن. برای اعمال انحصار متقابل یا پیشگیری از بن بست هیچ راهکاری در هسته یا کتابخانه نخ­ها وجود ندارد. اگر نخی برای دسترسی به داده ها یا کدی که قرار بوده حفاظت شود تلاش کند،ولی از اولیه های همگام سازی استفاده نکند، در این صورت چنین دسترسی اتفاق می افتد. اگر نخی شی را قفل کند ولی موفق به بازکردن آن نشود هیچ عمل هسته ای انجام نمی شود.

تمام اولیه های همگام سازی به دستور العمل سخت افزاری نیاز دارند که ازمون و مقدار گذاری در یک شی را به صورت تجزیه نشدنی انجام دهد.

قفل انحصار متقابل

با اجرای اولیه MUTEX –ENTER یک نخ می­تواند برای به دست آوردن قفل MUTEX تلاش کند. اگر نخی قفل MUTEX را به دست آورد. این قفل از پیشرفت بیش از یک نخ جلوگیری می­ کند. نخی که MUTEX را قفل می­ کند باید خودش آن را باز نماید. اگر MUTEX-ENTER نتواند قفل کند، عمل مسدود شدن به اطلاعات ویژه نوع که در شی MUTEX ذخیره شده است، بستگی دارد. سیاست پیش فرض مسدود کردن یک قفل چرخشی است،یعنی نخ مسدود در حالی که یک حلقه انتظار را اجرا می­ کند، وضعیت قفل را مورد سئوال قرار می­ دهد. راهکار مسدود کردن مبتنی بر وقفه اختیاری است. در حالت اخیر MUTEX شامل شناسه ای است که صف نخ های در حال خواب برای این قفل را مشخص می­کند.

اولیه های مربوط به قفل MUTEX عبارتند از:

• قفل را بدست می آورد و اگر قفل گرفته شده باشد،بالقوه مسدود کننده است.  ()MUTEX-ENTER
• قفل را رها می کند و بالقوه یک منتظر را از مسدود بودن در می آورد      ()MUTEX-EXIT
• اگر قفل گرفته نشده باشد ،آن را به دست می آورد.         ()MUTEX-TRYENTER

اولیه ()MUTEX-TRYENTER یک راه مسدود نشدنی برای انجام عمل انحصار متقابل را ارائه می­کند. به این ترتیب برنامه سازی می­تواند با استفاده از یک رویکرد انتظار مشغولی برای نخ های سطح کاربر، از مسدود شدن کل فرایند به دلیل مسدود بدون یک نخ، دوری کند.

راهنماها

با اولیه­ های زیر SOLARIS راهنماهای شمارنده کلاسیک را ارائه می کند:

• راهنما را کاهش می دهد و بالقوه، مسدود کننده نخ است.    ()SEMA-P
• راهنما را افزایش می دهد و بالقوه، یک نخ را از مسدود بودن خارج می کند  ()SEMA-V
• اگر مسدود شدن لازم نباشد، از راهنما کم می کند.      ()SEMA-TRYP

اولیه ()SEMS-TRYP  انتظار مشعولی را هم ارائه می کند.