4.1. Понятие процесса

Одним из основных понятий, связанных с операционными системами, является процесс – абстрактное понятие, описывающее работу программы. Иными словами процесс — это программа, которая выполняется в текущий момент. Все функционирующее на компьютере программное обеспечение, включая и операционную систему, можно представить набором процессов.

Задачей ОС является управление процессами и ресурсами компьютера или, точнее, организация рационального использования ресурсов в интересах наиболее эффективного выполнения процессов. Для решения этой задачи операционная система должна располагать информацией о текущем состоянии каждого процесса и ресурса. Универсальный подход к предоставлению такой информации заключается в создании и поддержке таблиц с информацией по каждому объекту управления.

Общее представление об этом можно получить из рис. 4.1, на котором показаны таблицы, поддерживаемые операционной системой: для памяти, устройств ввода-вывода, файлов (программ и данных) и процессов. Хотя детали таких таблиц в разных ОС могут отличаться, по сути, все они поддерживают информацию по этим четырем категориям. Располагающий одними и теми же аппаратными ресурсами, но управляемый различными ОС, компьютер может работать с разной степенью эффективности.

Рисунок 4.1 – Таблицы ОС

Процессы рассматриваются операционной системой как заявки или контейнеры для всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Это важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы – потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд. Каждый процесс начинается с одного потока, но новые потоки могут создаваться (порождаться) процессом динамически.

Как правило, поток работает в пользовательском режиме, но когда он обращается к системному вызову, то переключается в режим ядра. После завершения системного вызова поток продолжает выполняться в режиме пользователя. У каждого потока есть два стека, один используется в режиме ядра, другой – в режиме пользователя. Помимо состояния (текущие значения всех объектов потока) идентификатора и двух стеков, у каждого потока есть контекст (в котором сохраняются его регистры, когда он не работает), приватная область для его локальных переменных, а также может быть собственный маркер доступа (информация о защите). Когда поток завершает работу, он может прекратить свое существование. Процесс завершается, когда прекратит существование последний активный поток. [1]

Процесс включает в себя:

• программный код – последовательность команд, исполняемых процессором;
• данные, обрабатываемые программой;
• стек – динамически выделяемая память для хранения оперативной информации;
• системную информацию о выполняемой задаче (размещаемая память, открытые файлы, статус процесса, системные переменные окружения).

Типы процессов:

• Системные процессы. Являются частью ядра и всегда расположены в оперативной памяти. Системные процессы не имеют соответствующих им программ в виде исполняемых файлов и запускаются особым образом при инициализации ядра системы. Выполняемые инструкции и данные этих процессов находятся в ядре системы, таким образом, они могут вызывать функции и обращаться к данным, недоступным для остальных процессов. В UNIX системными процессами являются: shed (диспетчер свопинга (выгрузки процессов)), vhand (диспетчер страничного замещения), bdfflush (диспетчер буферного кэша) и kmadaemon (диспетчер памяти ядра). К системным процессам следует отнести init, являющийся прародителем всех остальных процессов в UNIX. Хотя init не является частью ядра, и его запуск происходит из исполняемого файла (/etc/init), его работа жизненно важна для функционирования всей системы в целом.
• Демоны. Неинтерактивные процессы, которые запускаются обычным образом — путем загрузки в память соответствующих им программ (исполняемых файлов), и выполняются в фоновом режиме. Обычно демоны запускаются при инициализации системы (но после инициализации ядра) и обеспечивают работу различных подсистем: системы терминального доступа, системы печати, системы сетевого доступа и сетевых услуг и т. п. Демоны не связаны ни с одним пользовательским сеансом работы и не могут непосредственно управляться пользователем. Большую часть времени демоны ожидают пока тот или иной процесс запросит определенную услугу, например, доступ к файловому архиву или печать документа.
• Прикладные процессы. Все остальные процессы, выполняющиеся в системе. Как правило, это процессы, порожденные в рамках пользовательского сеанса работы. Например, запуск команды породит соответствующий процесс этого типа. Важнейшим пользовательским процессом является основной командный интерпретатор (loginshell). Он запускается сразу же после регистрации в системе, а завершение работы loginshell приводит к отключению от системы.

Пользовательские процессы могут выполняться как в интерактивном, так и в фоновом режиме, но в любом случае время их жизни (и выполнения) ограничено сеансом работы пользователя. При выходе из системы все пользовательские процессы будут уничтожены.

Интерактивные процессы монопольно владеют терминалом, и пока такой процесс не завершит свое выполнение, пользователь не сможет работать другими приложениями. [2]

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.

Контекст процесса содержит информацию, позволяющую системе приостанавливать и возобновлять выполнение процесса с прерванного места. [1]

Контекст процесса складывается из пользовательского контекста и контекста ядра (рисунок 4.2)

Под пользовательским контекстом процесса понимают код и данные, расположенные в адресном пространстве процесса. Все данные подразделяются на:

• инициализируемые неизменяемые данные (например, константы);
• инициализируемые изменяемые данные (все переменные, начальные значения которых присваиваются на этапе компиляции);
• неинициализируемые изменяемые данные (все статические переменные, которым не присвоены начальные значения на этапе компиляции);
• стек пользователя;
• данные, расположенные в динамически выделяемой памяти.

Рисунок 4.2 – Контекст процесса в Unix

Исполняемый код и инициализируемые данные составляют содержимое файла программы, который исполняется в контексте процесса. Пользовательский стек применяется при работе процесса в пользовательском режиме (user-mode).

Под понятием контекст ядра объединяются системный контекст и регистровый контекст (регистр счетчика команд, регистр состояния процессора, регистр указателя стека и регистры общего назначения). Выделяют в контексте ядра стек ядра, который используется при работе процесса в режиме ядра (kernel mode), и данные ядра, хранящиеся в структурах, являющихся аналогом блока управления процессом. В данные ядра входят: идентификатор пользователя — UID, групповой идентификатор пользователя — GID, идентификатор процесса — PID, идентификатор родительского процесса — PPID. [1]

Операции над процессами:

Процесс может находиться в следующих состояниях: рождение, готовность, исполнение, ожидание, завершение. Процесс не может перейти из одного состояния в другое самостоятельно. Изменением состояния процессов занимается операционная система, совершая операции над ними:

• создание процесса – завершение процесса;
• приостановка процесса (перевод из состояния исполнение в состояние готовность) – запуск процесса (перевод из состояния готовность в состояние исполнение);
• блокирование процесса (перевод из состояния исполнение в состояние ожидание) – разблокирование процесса (перевод из состояния ожидание в состояние готовность);
• изменение приоритета процесса.

Операции создания и завершения процесса являются одноразовыми, так как применяются к процессу не более одного раза (некоторые системные процессы при работе вычислительной системы не завершаются никогда). Все остальные операции, связанные с изменением состояния процессов, будь то запуск или блокировка, как правило, являются многоразовыми.[3]

Процесс обладает следующими свойствами:

• - одновременно могут выполняться несколько процессов;
• - процесс никогда непосредственно не передает управление набору инструкций другого процесса;
• - процессы изолированы друг от друга. Одному процессу недоступны данные и стеки других процессов;
• - процессы имеют возможность обмениваться друг с другом данными;
• - процесс может порождать новые процессы – системными вызовами exec и fork.

Процесс в UNIX имеет ряд атрибутов, позволяющих операционной системе управлять его работой.

Основные атрибуты процесса:

• Идентификатор процесса (PID). Каждый процесс имеет уникальный идентификатор PID, позволяющий ядру системы различать процессы. Когда создается новый процесс, ядро присваивает ему следующий свободный идентификатор. Присвоение идентификатора обычно происходит по возрастающий, т.е. идентификатор нового процесса больше, чем идентификатор процесса, созданного перед ним. Когда процесс завершает работу, ядро освобождает использовавшийся им идентификатор.
• Идентификатор родительского процесса (PPID) - идентификатор процесса, породившего данный процесс. Все процессы в системе, кроме системных процессов и процесса init, являющегося прародителем остальных процессов, порождены одним из существующих или существовавших ранее процессов.
• Приоритет процесса (NI) - относительный приоритет процесса, учитываемый планировщиком при определении очередности запуска. Фактическое же распределение процессорных ресурсов определяется приоритетом выполнения (атрибут PRI), зависящим от нескольких факторов, в частности от заданного относительного приоритета. Относительный приоритет не изменяется системой на всем протяжении жизни процесса (хотя может быть изменен пользователем или администратором) в отличие от приоритета выполнения, динамически изменяемого планировщиком.
• Терминальная линия (TTY) - терминал или псевдотерминал, связанный с процессом. С этим терминалом по умолчанию связаны стандартные потоки: входной, выходной и поток сообщений об ошибках. Потоки (программные каналы) являются стандартным средством межпроцессного взаимодействия в ОС UNIX.
• Реальный (UID) и эффективный (EUID) идентификаторы пользователя. Реальным идентификатором пользователя данного процесса является идентификатор пользователя, запустившего процесс. Эффективный идентификатор служит для определения прав доступа процесса к системным ресурсам (в первую очередь к ресурсам файловой системы). Обычно реальный и эффективный идентификаторы совпадают, т.е. процесс имеет в системе те же права, что и пользователь, запустивший его. Однако существует возможность задать процессу более широкие права, чем права пользователя, путем установки бита SUID, когда эффективному идентификатору присваивается значение идентификатора владельца выполняемого файла (например, пользователя root).
• Реальный (GID) и эффективный (EGID) идентификаторы группы. Реальный идентификатор группы равен идентификатору основной или текущей группы пользователя, запустившего процесс. Эффективный идентификатор служит для определения прав доступа к системным ресурсам от имени группы. Обычно эффективный идентификатор группы совпадает с реальным. Но если для выполняемого файла установлен бит SGID, такой файл выполняется с эффективным идентификатором группы-владельца. [4]

Каждый процесс в любой момент времени находится в одном из нескольких определенных состояний: инициализация, готовность, исполнение, приостановка, ожидание ввода-вывода, завершение (рисунок 4.3).

Большинство этих состояний совпадает с классическим набором состояний процессов в многозадачных операционных системах. Для операционной системы UNIX характерно особое состояние процесса — зомби. Процесс получает это состояние, если он завершился раньше, чем этого ожидал его родительский процесс. В UNIX перевод процессов в состояние зомби служит для корректного завершения группы процессов и освобождения ресурсов. [5]

В состоянии исполнения выполняется в пользовательском режиме и в режиме ядра. В пользовательском режиме процессором выполняются прикладные инструкции данного процесса. В режиме ядра процессом выполняются системные инструкции ядра от имени процесса. Из состояния исполнение в режиме пользователя процесс не может непосредственно перейти в состояния ожидание (сон), готовность и закончил исполнение. Такие переходы возможны только через промежуточное состояние «исполняется в режиме ядра». Точно также запрещен прямой переход из состояния готовность в состояние исполнение в режиме пользователя. [4]

Рисунок 4.3 – Состояния процесса [5]

4.2. Многозадачность

Наибольшие сложности в управлении ресурсами компьютера возникают в многозадачных ОС. Многозадачность – это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ.

Центральный процессор извлекает программу из памяти, декодирует и исполняет команды, переходит к следующей команде согласно текущей команде.

В каждый момент времени процессор может исполнять только одну программу. Так как число процессоров конечно, необходимы алгоритмы, позволяющие чередовать исполнения процессов так, чтобы каждый из них получал процессорное время. Этот подход называется псевдопараллелизмом (рисунок 4.4): каждому процессу выделяется квант процессорного времени, по истечении которого управление передается другому процессу (это действие называют переключением контекста). Также управление может быть передано другому процессу, если исполняемый процесс ожидает системный ресурс. В случае многопроцессорных компьютеров принцип остаётся прежним – только лишь большее число процессов может одновременно исполняться на этих процессорах.

Рисунок 4.4 - Пример пcевдопараллелизма [6]

Многозадачность призвана повысить эффективность использования вычислительной системы. Однако эффективность может пониматься по-разному. Наиболее характерными показателями эффективности вычислительных систем являются:

• пропускная способность – количество задач, выполняемых системой в единицу времени;
• удобство работы пользователей, заключающихся, в частности, в том, что они могут одновременно работать в интерактивном режиме с несколькими приложениями на одной машине;
• реактивность системы – способность выдерживать заранее заданные (возможно, очень короткие) интервалы времени между запуском программы и получением конечного результата.

В зависимости от выбора одного из этих показателей эффективности ОС делятся на системы пакетной обработки, системы разделения времени и системы реального времени (некоторые ОС могут поддерживать одновременно несколько режимов).

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов.

В системах разделения времени пользователям (в частном случае – одному) предоставляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. Для этого каждое приложение должно регулярно получать возможность «общения» с пользователем. Эта проблема решается за счет того, что ОС принудительно периодически приостанавливает приложения, не дожидаясь, когда они «добровольно» освободят процессор.

Всем приложениям попеременно выделяются кванты времени процессора, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог со своего терминала. Если время кванта выбрано достаточно небольшим, то у всех пользователей складывается впечатление единоличной работы на машине.

Системы реального времени предназначены для управления техническими объектами (спутник, ракета, атомные электростанции, станок, научная установка и др.), технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.), системами обслуживания разного рода (резервирование авиабилетов, оплата покупок и счетов и др.). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа управления объектом. В противном случае возможны нежелательные последствия вплоть до аварии. В системе реального времени обычно закладывается запас вычислительной мощности на случай пиковой нагрузки, а также принимаются меры обеспечения высокой надежности работы системы (резервирование, дублирование и др.). [1]

4.3. Планирование процессов

При реализации многозадачности переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации. Работа по определению момента, в который необходимо прервать выполнение текущего потока, и потока, которому следует предоставить возможность выполняться, называется планированием. Планирование потоков осуществляется на основе информации, хранящейся в описателях процессов и потоков. При планировании принимается во внимание приоритет потоков, время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения, интенсивность обращения к вводу-выводу и другие факторы.

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.

Когда в системе одновременно выполняется несколько независимых задач, возникают дополнительные проблемы. Хотя потоки возникают и выполняются синхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например, при обмене данными. Для общения друг с другом процессы и потоки могут использовать широкий спектр возможностей: каналы (в UNIX), почтовые ящики (Windows), вызов удаленной процедуры, сокеты.

Синхронизация потоков является одной из важнейших функций подсистемы управления процессами и потоками. Современные операционные системы предоставляют множество механизмов синхронизации, включая семафоры, мьютексы, критические области и события.

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. В таблице 4.1 приведен перечень функций, выполняемых планировщиком каждого вида.

Таблица 4.1 – Функции планировщиков

В большинстве операционных систем универсального назначения планирование осуществляется динамически (on-line), т.е. решения принимаются во время работы системы на основе анализа текущей ситуации. Найденное оперативно решение в таких условиях редко бывает оптимальным.

Другой тип планирования – статический (предварительный), может быть использован только в специализированных системах с заданным набором задач (заранее определенным), например, в управляющих вычислительных системах или системах реального времени. В этом случае статический планировщик (или предварительный планировщик) принимает решение не во время работы системы, а заранее (off-line). Результатом его работы является расписание – таблица, в которой указано, какому процессу, когда и на какое время должен быть предоставлен процессор. [1]

С самых общих позиций все множество алгоритмов планирования можно разделить на два класса: вытесняющие и не вытесняющие алгоритмы планирования.

Не вытесняющие (non-preemptive) алгоритмы основаны на том, что активному потоку позволяется выполняться, пока он сам, по своей инициативе, не отдает управление операционной системе, для того чтобы она выбрала из очереди готовый к выполнению поток.

Вытесняющие (preemptive) алгоритмы – это такие способы планирования потоков, в которых решение о переключении процессора с выполнения одного потока на выполнение другого потока принимается операционной системой, а не активной задачей.

В первом случае механизм планирования распределяется между операционной системой и прикладными программами. Во втором случае функции планирования потоков целиком сосредоточены в операционной системе.

Почти во всех ОС реализованы вытесняющие алгоритмы планирования. В основе многих таких алгоритмов лежит концепция квантования. В соответствии с ней каждому потоку поочередно для выполнения предоставляется ограниченный непрерывный период процессорного времени – квант.

Смена активного потока происходит, если:

• поток завершается и покинул систему;
• произошла ошибка;
• поток перешел в состояние ожидания;
• исчерпан квант времени, отведенный данному потоку.

Важной концепцией, лежащей в основе многих вытесняющих алгоритмов планирования, является приоритетное обслуживание. Оно предполагает наличие у потоков некоторой изначально известной характеристики – приоритета, на основании которого определяется порядок выполнения потоков. Чем выше приоритет, тем выше привилегии потока, тем меньше времени поток находится в очередях. Приоритет задается числом (целым или дробным, положительным или отрицательным).

В большинстве ОС, поддерживающих потоки, приоритет потока связан с приоритетом процесса, в рамках которого выполняется поток.

Приоритет процесса назначается операционной системой при его создании, его значение включается в описатель процесса и используется при назначении приоритета потоком этого процесса. При назначении приоритетов вновь созданному процессу ОС учитывается, является ли этот процесс системным или прикладным, каков статус пользователя, запустившего процесс (администратор, пользователь, часть и т.п.), было ли явное указание пользователя на присвоение процессу определенного уровня приоритета. Поток может быть инициирован не только по команде пользователя, но и в результате выполнения системного вызова другим потоком. В этом случае ОС учитывает значения параметров системного вызова.

Изменения приоритета могут происходить по инициативе самого потока, когда он обращается с соответствующим вызовом к ОС, или по инициативе пользователя, когда он выполняет соответствующую команду.

Существует две разновидности приоритетного планирования: с относительными и абсолютными приоритетами. В обоих случаях на выполнение выбирается поток, имеющий наивысший приоритет. Но определение момента смены активного потока решается по-разному. В системах с относительными приоритетами активный поток выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ожидания (по вводу-выводу, например), или не завершится, или не произойдет ошибка. В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного потока прерывается еще и по причине появления потока, имеющего более высокий приоритет, чем у активного потока. В этом случае прерванный поток переходит в состояние готовности.[1]

Наиболее распространенным алгоритмом планирования в системах разделения времени является кольцевой режим (Round Robin). Основной смысл алгоритма состоит в том, что время процессора делится на кванты фиксированного размера, а процессы, готовые к выполнению, выстраиваются в кольцевую очередь (рисунок 4.5). У этой очереди имеются два указателя – начала и конца. Когда процесс, выполняющийся на процессоре, исчерпывает свой квант процессорного времени, он снимается с процессора, ставится в конец очереди, а ресурсы процессора отдаются процессу, находящемуся в начале очереди. Если выполняющийся на процессоре процесс откладывается (например, по причине обмена с некоторым внешнем устройством) до того, как он исчерпает свой квант, то после повторной активизации он становится в конец очереди (не смог доработать - не вина системы). Это удачная схема разделения времени в случае, когда все процессы одновременно помещаются в оперативной памяти.

Рисунок 4.5 - Схема планирования с кольцевой очередью

Однако операционная система UNIX всегда была рассчитана на то, чтобы обслуживать больше процессов, чем можно одновременно разместить в основной памяти. Другими словами, часть процессов, потенциально готовых выполняться, размещалась во внешней памяти. Поэтому требовалась несколько более гибкая схема планирования разделения ресурсов процессора(ов). В результате было введено понятие приоритета (рисунок 4.6). В операционной системе UNIX значение приоритета определяет, во-первых, возможность процесса пребывать в основной памяти и на равных конкурировать за процессор. Во-вторых, от значения приоритета процесса зависит размер временного кванта, который предоставляется процессу для работы на процессоре при достижении своей очереди. В-третьих, значение приоритета, влияет на место процесса в общей очереди процессов к ресурсу процессора.

Рисунок 4.6 - Схема планирования с кольцевой очередью и приоритетами [7]

Источники:

1. Назаров, С. В. Современные операционные системы [Электронный ресурс] / С. В. Назаров, А. И. Широков. — Электрон. текстовые данные. — М. : Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ), 2016. — 351 c. — 978-5-9963-0416-5. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/52176.html

2. Операционные системы вычислительных машин. – URL: http://bourabai.ru/os/lecture05.htm

3. ИНТУИТ. Лекция 2: Процессы. Операции над процессами и связанные с ними понятия. – URL: https://www.intuit.ru/studies/courses/2192/31/lecture/970?page=3

4. CIT forum. Основы операционной системы UNIX. – URL: http://citforum.ru/operating_systems/unix/kravchuk/7.shtml

5. Архитектура UNIX. Процессы. - – URL: http://heap.altlinux.org/tmp/unix_base/ch01s03.html

6. Введение в операционную систему UNIX. Основные концепции операционных систем. – URL: https://losst.ru/peremennye-okruzheniya-v-linux

7. Введение в операционную систему UNIX. Архитектура UNIX. Управление процессами. – URL: http://ftp.altlinux.ru/pub/docs/Heap/modules/unix_base_admin.dralex/ch01s02.html#intro-unix-proc