Общие подходы к реализации приложений с параллельным выполнением операций

Как уже отмечалось, современные вычислительные системы содержат один или несколько центральных процессоров и, как правило, несколько специализированных устройств, способных к параллельной работе с центральными процессорами. Операционная система, функционирующая на таком компьютере, должна предоставлять и средства мультипрограммирования, и средства мультипроцессирования, в том числе мультипроцессирования на функционально различных устройствах.

Используемые в операционной системе средства реализации многозадачности можно разделить на несколько групп:

• Взаимодействие с устройствами.

  Существуют как специализированные средства взаимодействия, специфичные для конкретного вида устройств (например, для графических устройств), так и относительно универсальные средства, применимые к устройствам разных типов. Наиболее типичным примером являются средства асинхронного ввода-вывода.
• Средства управления потоками и волокнами.

  Когда процесс запускается, операционная система в нем самостоятельно создает первичный поток, начинающий исполнение кода этого процесса. Создание всех остальных потоков процесса требует специальных действий. Операционная система должна предоставлять средства для создания потоков, волокон, их завершения, приостановки или возобновления, изменения их характеристик (например, приоритетов, прав доступа и т.д.).

  В Windows существует очень интересный гибрид средств управления потоками и асинхронного ввода-вывода под названием "порт завершения ввода-вывода". Несмотря на такое название, это, по большей части, именно специализированный механизм управления потоками.
• Взаимодействие потоков в рамках одного процесса.

  Потоки, работающие в рамках одного процесса, имеют возможность взаимодействовать друг с другом, используя общее адресное пространство процесса. Это взаимодействие может, с одной стороны, приводить к конфликтам одновременного доступа (нужны средства разрешения конфликтов) и, с другой стороны, требовать средств изоляции некоторых данных одного потока от данных другого (нужны механизмы организации памяти, локальной для потока).
• Взаимодействие между процессами одного компьютера.

  Чуть более сложный случай - необходимость взаимодействия различных процессов в рамках одной вычислительной системы. Особенность этого случая связана с тем, что разные процессы работают в изолированных друг от друга адресных пространствах, однако при этом существует возможность осуществить обмен данными через общую, разделяемую несколькими процессами, память. Диспетчер памяти операционной системы должен предусмотреть средства организации разделяемой между процессами памяти. Кроме того, многие операционные системы предоставляют дополнительные средства межпроцессного взаимодействия; многие из них являются надстройками над средствами работы с разделяемой памятью.

  В данной книге рассматриваются базовые средства для организации разделяемой памяти, так как большая часть остальных средств либо является надстройкой над ними (например, обмен оконными сообщениями), либо использует обмен данными через файловые объекты (к примеру, почтовые ящики, каналы и пр.).
• Взаимодействие между процессами разных компьютеров.

  В общем случае память разных компьютеров можно рассматривать как изолированную друг от друга. В этом случае для взаимодействия разных процессов потребуется пересылка сообщений, содержащих данные и некоторую управляющую информацию, между разными компьютерами (узлами сети). Операционная система должна предоставить некоторый базовый набор функций по пересылке данных по коммуникационной сети и, зачастую, богатый набор различных средств, работающих "поверх" этого базового уровня.

В данной книге межузловое взаимодействие не рассматривается.