Виртуализация

Концепция виртуализации рассматривается в ОС как средство уменьшения конфликтов при взаимодействии процессов и распределении ресурсов, облегчая работу пользователя с вычислительной системой при его обращении к тем или иным ресурсам.

Виртуализация достигается на основе централизованной схемы распределения ресурсов. При такой организации работы обеспечиваются две формы виртуализации:

1. Пользователь обеспечивается при обслуживании своего процесса ресурсом, который реально не существует, или существует, но с ухудшенными характеристиками.

2. Для нескольких параллельных процессов создается иллюзия одновременного использования того, что одновременно в реальной системе существовать не может.

Целью виртуализации является предоставление пользователям ресурсов с характеристиками, в наибольшей степени их удовлетворяющими и позволяющими снять ограничения на количество распределяемых ресурсов, что позволяет увеличить скорость развития процесса, организовать более гибкое управление процессами и снять ограничение на их количество.

Виртуализация обеспечивается аппартно-программными средствами.

Примеры виртуализации и виртуальных ресурсов:

1. Построение на основе одного интервального таймера произвольного числа таймеров, которые предоставляются пользователям в монотонное использование.

2. Применение мультиплексных каналов при работе с внешними устройствами. Имеется одно устройство, организующее связь пользовательских программ с внешними устройствами. Для каждого устройства каналом выделяется квант времени. Величина кванта времени для различных устройств может быть разной. Устройствам при таком режиме создаётся видимость, что они непрерывно обмениваются информацией с пользовательскими режимами.

3. Организация на базе одного из устройств, имеющего определенный способ доступа, имитацию работы других устройств с другими способами доступа.

4. Использование так называемых нулевых устройств. Такие устройства реально не существуют, но создаётся видимость их существования. При передаче данных на такое устройство они поглощаются, а при чтении данных с такого устройства сразу выдается признак конца файла.

5. Понятие спулинга при работе с внешними устройствами. При этом каждое внешнее устройство моделируется некоторой областью внешней памяти. Каждая такая область представляет собой буфер между процессом и реальным устройством. Если этот буфер выполняет роль выходного, то в нем накапливаются данные по мере выполнения процессором команд вывода. При этом не производится вывода, но у процесса появляется ощущение, что он что-то вывел. Реальный вывод производится под контролем системы. Входной буфер работает таким же образом. В нем накапливаются данные, вводимые от внешних устройств, а затем эти данные передаются процессу. Типичный пример устройства, в котором применяется спулинг – это устройство печати.

Рассмотренные примеры иллюстрируют возможность построения и использования виртуальных ресурсов. Каждый виртуальный ресурс подобного рода генерируется некоторым процессом. Управление этим процессом осуществляется со стороны ОС, которая в этом смысле выполняет роль распределителя реального ресурса, на базе которого строится один или несколько виртуальных. Если поддерживается несколько виртуальных ресурсов, то в составе распределения реализуют дисциплины распределения таких ресурсов среди процессов-пользователей.

Одним из наиболее типичных или законченных примеров концепции виртуализации является понятие виртуальной машины. Любая ОС, являясь средством распределения ресурсов, организует по определённым правилам управление процессами на базе скрытой аппаратной части, создавая у пользователя видимость виртуальной машины.

Типичный пользователь видит и использует виртуальную машину как некоторое устройство, способное воспринимать его программы, написанные на определённом языке программирования, выполнять их и выдавать результаты. При таком подходе пользователя не интересует структура машины и способы эффективного использования её составных частей. Пользователь работает с машиной в терминах, применяемых в языке программирования.

Зачастую виртуальная машина, предоставленная пользователю, воспроизводит реальную архитектуру машины, но элементы архитектуры в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками.

Идеальная в представлении пользователя архитектура виртуальной вычислительной машины имеет следующий состав:

– бесконечная по объему память с произвольно выбираемым наиболее удобным для пользователя доступом к объектам, хранимым в памяти

– один или несколько процессоров, способных выполнять действия, выражаемые пользователем в терминах некоторых удобных для него языков программирования

– произвольное количество внешних устройств с удобным способом доступа и предоставление информации, передаваемой через эти устройства или хранимой ими без каких-либо существенных ограничений на объем информации

Концепция виртуализации нашла широкое применение при проектировании и реализации ОС. Наиболее рационально представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов, которые часто называются мониторами.