Вопросы с собеседований про операционные системы

Многозадачность (multitasking) — свойство операционной системы или среды выполнения обеспечивать возможность параллельной (или псевдопараллельной)) обработки нескольких задач. Истинная многозадачность операционной системы возможна только в распределённых вычислительных системах. Существует 2 типа многозадачности: - Процессная многозадачность (основанная на процессах — одновременно выполняющихся программах). Здесь программа — наименьший элемент управляемого кода, которым может управлять планировщик операционной системы. Более известна большинству пользователей (работа в текстовом редакторе и прослушивание музыки). - Поточная многозадачность (основанная на потоках). Наименьший элемент управляемого кода — поток (одна программа может выполнять 2 и более задачи одновременно).

Процесс — экземпляр программы во время выполнения, независимый объект, которому выделены системные ресурсы (например, процессорное время и память). Каждый процесс выполняется в отдельном адресном пространстве: один процесс не может получить доступ к переменным и структурам данных другого. Если процесс хочет получить доступ к чужим ресурсам, необходимо использовать межпроцессное взаимодействие. Это могут быть конвейеры, файлы, каналы связи между компьютерами и многое другое.

Поток использует то же самое пространства стека, что и процесс, а множество потоков совместно используют данные своих состояний. Как правило, каждый поток может работать (читать и писать) с одной и той же областью памяти, в отличие от процессов, которые не могут просто так получить доступ к памяти другого процесса. У каждого потока есть собственные регистры и собственный стек, но другие потоки могут их использовать. В Linux (в ядре) понятие «threads» отсутствует. С точки зрения ядра все потоки — это полноценные, отдельные, процессы (просто с общим адресным пространством)

Конкурентность (concurrency) - это наиболее общий термин, который говорит, что одновременно выполняется более одной задачи. Конкурентное исполнение - это самый общий термин, который не говорит о том, каким образом эта конкурентность будет получена: путем приостановки некоторых вычислительных элементов и их переключение на другую задачу, путем действительно одновременного исполнения, путем делегации работы другим устройствам или еще как-то. Это не важно. Конкурентное исполнение говорит о том, что за определенный промежуток времени будет решена более, чем одна задача.

Параллельное исполнение (parallel computing) подразумевает наличие более одного вычислительного устройства (например, процессора), которые будут одновременно выполнять несколько задач. Параллельное исполнение - это строгое подмножество конкурентного исполнения.

Многопоточность - это один из способов реализации конкурентного исполнения путем выделения абстракции "рабочего потока" (worker thread). Потоки "абстрагируют" от пользователя низкоуровневые детали и позволяют выполнять более чем одну работу "параллельно". Операционная система, среда исполнения или библиотека прячет подробности того, будет многопоточное исполнение конкурентным (когда потоков больше чем физических процессоров), или параллельным (когда число потоков меньше или равно числу процессоров и несколько задач физически выполняются одновременно).

Асинхронность подразумевает, что операция может быть выполнена кем-то на стороне: удаленным веб-узлом, сервером или другим устройством за пределами текущего вычислительного устройства. Основное свойство таких операций в том, что начало такой операции требует значительно меньшего времени, чем основная работа. Что позволяет выполнять множество асинхронных операций одновременно даже на устройстве с небольшим числом вычислительных устройств.

CPU-Bound операции нагружают вычислительные мощности текущего устройства, а IO-Bound позволяют выполнить задачу вне текущей железки. Разница важна тем, что число одновременных операций зависит от того, к какой категории они относятся. Вполне нормально запустить параллельно сотни IO-Bound операций, и надеяться, что хватит ресурсов обработать все результаты. Запускать же параллельно слишком большое число CPU-bound операций (больше, чем число вычислительных устройств) бессмысленно.

Состояние гонки (race condition) — ошибка проектирования многопоточной системы или приложения, при которой работа системы или приложения зависит от того, в каком порядке выполняются части кода. Своё название ошибка получила от похожей ошибки проектирования электронных схем (см. Гонки сигналов).

Тип многозадачности, при котором следующая задача выполняется только после того, как текущая задача явно объявит себя готовой отдать процессорное время другим задачам. Как частный случай такое объявление подразумевается при попытке захвата уже занятого объекта мьютекс (ядро Linux), а также при ожидании поступления следующего сообщения от подсистемы пользовательского интерфейса (Windows версий до 3.x включительно, а также 16-битные приложения в Windows 9x). Кооперативную многозадачность можно назвать многозадачностью «второй ступени», поскольку она использует более передовые методы, чем простое переключение задач, реализованное многими известными программами (например, DOS Shell из MS-DOS 5.0). При простом переключении активная программа получает все процессорное время, а фоновые приложения полностью замораживаются. При кооперативной многозадачности приложение может захватить фактически столько процессорного времени, сколько оно считает нужным. Все приложения делят процессорное время, периодически передавая управление следующей задаче. Преимущества кооперативной многозадачности: отсутствие необходимости защищать все разделяемые структуры данных объектами типа критических секций и мьютексов, что упрощает программирование, особенно перенос кода из однозадачных сред в многозадачные. Недостатки: неспособность всех приложений работать в случае ошибки в одном из них, приводящей к отсутствию вызова операции «отдать процессорное время». Крайне затрудненная возможность реализации многозадачной архитектуры ввода-вывода в ядре ОС, позволяющей процессору исполнять одну задачу, в то время как другая задача инициировала операцию ввода-вывода и ждет её завершения.

Вид многозадачности, в котором операционная система сама передает управление от одной выполняемой программы другой в случае завершения операций ввода-вывода, возникновения событий в аппаратуре компьютера, истечения таймеров и квантов времени, или же поступлений тех или иных сигналов от одной программы к другой. В этом виде многозадачности процессор может быть переключен с исполнения одной программы на исполнение другой без всякого пожелания первой программы и буквально между любыми двумя инструкциями в её коде. Распределение процессорного времени осуществляется планировщиком процессов. К тому же каждой задаче может быть назначен пользователем или самой операционной системой определенный приоритет, что обеспечивает гибкое управление распределением процессорного времени между задачами (например, можно снизить приоритет ресурсоёмкой программе, снизив тем самым скорость её работы, но повысив производительность фоновых процессов). Этот вид многозадачности обеспечивает более быстрый отклик на действия пользователя. Преимущества: - возможность полной реализации многозадачного ввода-вывода в ядре ОС, когда ожидание завершения ввода-вывода одной программой позволяет процессору тем временем исполнять другую программу; - cильное повышение надежности системы в целом, в сочетании с использованием защиты памяти — идеал в виде «ни одна программа пользовательского режима не может нарушить работу ОС в целом» становится достижимым хотя бы теоретически, вне вытесняющей многозадачности он не достижим даже в теории; - возможность полного использования многопроцессорных и многоядерных систем. Недостатки: - необходимость особой дисциплины при написании кода, особые требования к его реентерабельности, к защите всех разделяемых и глобальных данных объектами типа критических секций и мьютексов.

Системный вызов (system call) — обращение прикладной программы к ядру операционной системы для выполнения какой-либо операции. Современные операционные системы (ОС) предусматривают разделение времени между выполняющимися вычислительными процессами(многозадачность) и разделение полномочий, препятствующее обращению исполняемых программ к данным других программ и оборудованию. Ядро ОС исполняется в привилегированном режиме работы процессора. Для выполнения межпроцессорной операции или операции, требующей доступа к оборудованию, программа обращается к ядру, которое, в зависимости от полномочий вызывающего процесса, исполняет либо отказывает в исполнении такого вызова. С точки зрения программиста, системный вызов обычно выглядит как вызов подпрограммы или функции из системной библиотеки. Однако системный вызов, как частный случай вызова такой функции или подпрограммы, следует отличать от более общего обращения к системной библиотеке, поскольку последнее может и не требовать выполнения привилегированных операций.