Создание процессов и потоков. Модели процессов и потоков

Переривання

Переривання – це той механізм, за допомогою якого реально проводиться перемикання виконуваних потоків команд. На відміну від виклику підпрограми, передбаченої у визначеному місці програми, переривання відбуваються несподівано.

 

Управление процессами и потоками

Одной из основных подсистем любой современной мультипрограммной ОС, непосредственно влияющей на функционирование компьютера, является подсистема управления процессами и потоками. Основные функции этой подсистемы [10, 12, 17]:

· создание процессов и потоков;

· обеспечение процессов и потоков необходимыми ресурсами;

· изоляция процессов;

· планирование выполнения процессов и потоков (вообще, следует говорить и о планировании заданий);

· диспетчеризация потоков;

· организация межпроцессного взаимодействия;

· синхронизация процессов и потоков;

· завершение и уничтожение процессов и потоков.

К созданию процесса приводят пять основных событий:

1. инициализация ОС (загрузка);

2. выполнение запроса работающего процесса на создание процесса;

3. запрос пользователя на создание процесса, например, при входе в систему в интерактивном режиме;

4. инициирование пакетного задания;

5. создание операционной системой процесса, необходимого для работы каких-либо служб.

Обычно при загрузке ОС создаются несколько процессов. Некоторые из них являются высокоприоритетными процессами, обеспечивающими взаимодействие с пользователями и выполняющими заданную работу. Остальные процессы являются фоновыми, они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции – например, связанные с электронной почтой, Web-страницами, выводом на печать, передачей файлов по сети, периодическим запуском программ (например, дефрагментации дисков) и т.д. Фоновые процессы называют демонами.

Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования решения, т.е. в переключении процессора с одного потока на другой. Диспетчеризация проходит в три этапа:

· сохранение контекста текущего потока;

· загрузка контекста потока, выбранного в результате планирования;

· запуск нового потока на выполнение.

Создание процессов и потоков. Модели процессов и потоков

Создать процесс – это, прежде всего, создать описатель процесса: несколько информационных структур, содержащих все сведения (атрибуты) о процессе, необходимые операционной системе для управления им. В число таких сведений могут входить: идентификатор процесса, данные о расположении в памяти исполняемого модуля, степень привилегированности процесса (приоритет и права доступа) и т.п.

· блок управления задачей (ТСВ – Task Control Block) в OS/360;

· управляющий блок процесса (PCB – Process Control Block) в OS/2;

· дескриптор процесса в UNIX;

· объект-процесс (object-process) в Windows NT/2000/2003.

Создание процесса включает загрузку кодов и данных исполняемой программы данного процесса с диска в операционную память. Для этого нужно найти эту программу на диске, перераспределить оперативную память и выделить память исполняемой программе нового процесса. Кроме того, при работе программы обычно используется стек, с помощью которого реализуются вызовы процедур и передача параметров.

Множество, в которое входят программа, данные, стеки и атрибуты процесса, называется образом процесса.

Типичные элементы образа процесса приведены ниже.

Информация	Описание
Данные пользователя	Изменяемая часть пользовательского адресного пространства (данные программы, пользовательский стек, модифицируемый код)
Пользовательская программа	Программа, которую необходимо выполнить
Системный стек	Один или несколько системных стеков для хранения параметров и адресов вызова процедур и системных служб
Управляющий блок процесса	Данные, необходимые операционной системе для управления процессом

Местонахождение образа процесса зависит от используемой схемы управления памятью. В большинстве современных ОС с виртуальной памятью образ процесса состоит из набора блоков (сегменты, страницы или их комбинация), не обязательно расположенных последовательно. Такая организация памяти позволяет иметь в основной памяти лишь часть образа процесса (активная часть), в то время как во вторичной памяти находится полный образ. Когда в основную память загружается часть образа, она туда не переносится, а копируется. Однако если часть образа в основной памяти модифицируется, она должна быть скопирована на диск.

При управлении процессами ОС использует два основных типа информационных структур: блок управления процессом (дескриптор процесса) и контекст процесса. Дескрипторы процессов объединяются в таблицу процессов, которая размещается в области ядра. На основании информации, содержащейся в таблице процессов, ОС осуществляет планирование и синхронизацию процессов.

В дескрипторе (блоке управления) процесса содержится такая информация о процессе, которая необходима ядру в течение всего жизненного цикла процесса независимо от того, находится он в активном или пассивном состоянии и находится ли образ в оперативной памяти или на диске. Эту информацию можно разделить на три категории:

· информация по идентификации процесса;

· информация по состоянию процесса;

· информация, используемая при управлении процессом.

Каждому процессу присваивается числовой идентификатор, который может быть просто индексом в первичной таблице процессов. В любом случае должно существовать некоторое отображение, позволяющее операционной системе найти по идентификатору процесса соответствующие ему таблицы. При создании нового процесса идентификаторы указывают родительский и дочерние процессы. В операционных системах, не поддерживающих иерархию процессов, например, в Windows 2000, все созданные процессы равноправны, но один из 18-ти параметров, возвращаемых вызывающему (родительскому) процессу, представляет собой дескриптор нового процесса. Кроме того, процессу может быть присвоен идентификатор пользователя, который указывает, кто из пользователей отвечает за данное задание.

Информация по состоянию и управлению процессом включает следующие основные данные:

состояние процесса, определяющее готовность процесса к выполнению (выполняющийся, готовый к выполнению, ожидающий какого-либо события, приостановленный);

· данные о приоритете (текущий приоритет, по умолчанию, максимально возможный);

· информация о событиях – идентификация события, наступление которого позволит продолжить выполнение процесса;

· указатели, позволяющие определить расположение образа процесса в оперативной памяти и на диске;

· указатели на другие процессы (в частности, находящиеся в очереди на выполнение);

· флаги, сигналы и сообщения, имеющие отношение к обмену информацией между двумя независимыми процессами;

· данные о привилегиях, определяющих права доступа к определенной области памяти или возможности выполнять определенные виды команд, использовать системные утилиты и службы;

· указатели на ресурсы, которыми управляет процесс (например, перечень открытых файлов);

· сведения по истории использования ресурсов и процессора;

· информация, связанная с планированием. Эта информация во многом зависит от алгоритма планирования. Сюда относятся, например, такие данные, как время ожидания или время, в течение которого процесс выполнялся при последнем запуске, количество выполненных операций ввода-вывода и др.

Контекст процесса содержит информацию, позволяющую системе приостанавливать и возобновлять выполнение процесса с прерванного места.

· содержимое регистров процессора, доступных пользователю;

· содержимое счетчика команд;

· состояние управляющих регистров и регистров состояния;

· коды условий, отражающие результат выполнения последней арифметической или логической операции (например, знак равенства нулю, переполнения);

· указатели вершин стеков, хранящие параметры и адреса вызова процедур и системных служб.

Следует заметить, что часть этой информации, известная как " слово состояния программы" (Program Status Word – PSW), фиксируется в специальном регистре процессора (например, в регистре EFLAGS в процессорах Pentium).

Самую простую модель процесса можно построить исходя из того, что в любой момент времени процесс либо выполняется, либо не выполняется, т.е. имеет только два состояния. Если бы все процессы были бы всегда готовы к выполнению, то очередь по этой схеме могла бы работать вполне эффективно. Такая очередь работает по принципу обработки в порядке поступления, а процессор обслуживает имеющиеся в наличии процессы круговым методом (Round-robin). Каждому процессу отводится определенный промежуток времени, по истечении которого он возвращается в очередь.

Планирование заданий, процессов и потоков

Основная цель планирования вычислительного процесса заключается в распределении времени процессора (нескольких процессоров) между выполняющимися заданиями пользователей таким образом, чтобы удовлетворять требованиям, предъявляемым пользователями к вычислительной системе. Такими требованиями могут быть, как это уже отмечалось, пропускная способность, время отклика, загрузка процессора и др.

Все виды планирования, используемые в современных ОС, в зависимости от временного масштаба, делятся на долгосрочное, среднесрочное, краткосрочное и планирование ввода-вывода. Рассматривая частоту работы планировщика, можно сказать, что долгосрочное планирование выполняется сравнительно редко, среднесрочное несколько чаще. Краткосрочный планировщик, называемый часто диспетчер (dispatcher), обычно работает, определяя, какой процесс или поток будет выполняться следующим. Ниже приведен перечень функций, выполняемых планировщиком каждого вида.

Вид планирования	Выполняемые функции
Долгосрочное	Решение о добавлении задания (процесса) в пул выполняемых в системе
Среднесрочное	Решение о добавлении процесса к числу процессов, полностью или частично размещенных в основной памяти
Краткосрочное	Решение о том, какой из доступных процессов (потоков) будет выполняться процессором
Планирование ввода-вывода	Решение о том, какой из запросов процессов (потоков) на операцию ввода-вывода будет выполняться свободным устройством ввода-вывода

Место планирования в графе состояний и переходов процессов показано на рис. 5.9. В большинстве операционных систем универсального назначения планирование осуществляется динамически (on-line), т.е. решения принимаются во время работы системы на основе анализа текущей ситуации, не используя никаких предложений о мультипрограммной смеси. Найденное оперативно решение в таких условиях редко бывает оптимальным.