ОС управление процессами

Рис. 21

Еще один способ построения множественных прикладных сред основан на микроядерном подходе. При этом очень важно отделить базовые, общие для всех прикладных сред, механизмы операционной системы от специфических для каждой из прикладных сред высокоуровневых функций, решающих стратегические задачи.

В соответствии с микроядерной архитектурой все функции ОС реализуются микроядром и серверами пользовательского режима. Важно, что каждая прикладная среда оформляется в виде отдельного сервера пользовательского режима и не включает базовых механизмов (рис. 21). Приложения, используя API, обращаются с системными вызовами к соответствующей прикладной среде через микроядро. Прикладная среда обрабатывает запрос, выполняет его (возможно, обращаясь для этого за помощью к базовым функциям микроядра) и отсылает приложению результат. В ходе выполнения запроса прикладной среде приходится, в свою очередь, обращаться к базовым механизмам ОС, реализуемым микроядром и другими серверами ОС.

Такому подходу к конструированию множественных прикладных сред присущи все достоинства и недостатки микроядернойархитектуры, вчастности:

•очень просто можно добавлять и исключать прикладные среды, что является следствием хорошей расширяемости микроядерных ОС;

•надежность и стабильность выражаются в том, что при отказе одной из прикладных сред все остальные сохраняют работоспособность;

51

•низкая производительность микроядерных ОС сказывается на скорости работы прикладных сред, а значит, и на скорости выполнения приложений.

Создание в рамках одной операционной системы нескольких прикладных сред для выполнения приложений различных ОС представляет собой путь, который позволяет иметь единственную версию программы и переносить ее между операционными системами. Множественные прикладные среды обеспечивают совместимость на двоичном уровне данной ОС с приложениями, написанными для других ОС. В результате пользователи получают большую свободу выбора операционных систем и более легкий доступ к качественному программному обеспечению.

Процессы и потоки

Под процессом понимается программа в стадии выполнения. Процесс можно рассматривать также как единицу работы для процессора. Для современных типов процессоров существует и более мелкая единица работы поток или нить. Другими словами процесс может породить один и более потоков.

Итак, в чем же состоят принципиальные отличия в понятиях «процесс» и «поток»? Очевидно, что любая работа вычислительной системы заключается в выполнении некоторой программы. Поэтому и с процессом, и с потоком связывается определенный программный код, который для этих целей оформляется в виде исполняемого модуля. Чтобы этот программный код мог быть выполнен, его необходимо загрузить в оперативную память, возможно, выделить некоторое место на диске для хранения данных, предоставить доступ к устройствам ввода-вывода, например к последовательному порту для получения данных по подключенному к этому порту модему; и т. д. В ходе выполнения программе может также понадобиться доступ к информационным ресурсам, например файлам, портам TCP/UPD, семафорам. И, конечно же, невозможно выполнение программы без предоставления ей процессорного времени, то есть времени, в течение которого процессор выполняет коды данной программы.

Воперационных системах, где существуют и процессы, и потоки, процесс рассматривается операционной системой как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Этот последний 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.

Впростейшем случае процесс состоит из одного потока, и именно таким образом трактовалось понятие «процесс» до середины 80-х годов (например, в ранних версиях UNIX) и в таком же виде оно сохранилось в некоторых современных ОС. В таких системах понятие «поток» полностью поглощается понятием «процесс», то есть остается только одна единица работы и потребления ресурсов – процесс.

52

Потоки возникли в операционных системах как средство распараллеливания вычислений. Конечно, задача распараллеливания вычислений в рамках одного приложения может быть решена и традиционными способами.

Во-первых, прикладной программист может взять на себя сложную задачу организации параллелизма, выделив в приложении некоторую подпрограмму - диспетчер, которая периодически передает управление той или иной ветви вычислений. При этом программа получается логически весьма запутанной, с многочисленными передачами управления, что существенно затрудняет ее отладку и модификацию.

Во-вторых, решением является создание для одного приложения нескольких процессов для каждой из параллельных работ. Однако использование для создания процессов стандартных средств ОС не позволяет учесть тот факт, что эти процессы решают единую задачу, а значит, имеют много общего между собой – они могут работать с одними и теми же данными, использовать один и тот же кодовый сегмент, наделяться одними и теми же правами доступа к ресурсам вычислительной системы. Так, если в примере с сервером баз данных создавать отдельные процессы для каждого запроса, поступающего из сети, то все процессы будут выполнять один и тот же программный код и выполнять поиск в записях, общих для всех процессов файлов данных. А операционная система при таком подходе будет рассматривать эти процессы наравне со всеми остальными процессами и с помощью универсальных механизмов обеспечивать их изоляцию друг от друга. В данном случае все эти достаточно громоздкие механизмы используются явно не по назначению, выполняя не только бесполезную, но и вредную работу, затрудняющую обмен данными между различными частями приложения. Кроме того, на создание каждого процесса ОС тратит определенные системные ресурсы, которые в данном случае неоправданно дублируются – каждому процессу выделяются собственное виртуальное адресное пространство, физическая память, закрепляются устройства ввода-вывода и т. п.

Из всего вышеизложенного, следует, что в операционной системе наряду с процессами нужен другой механизм распараллеливания вычислений, который учитывал бы тесные связи между отдельными ветвями вычислений одного и того же приложения. Для этих целей современные ОС предлагают механизм многопоточной обработки (multithreading). При этом вводится новая единица работы – поток выполнения, а понятие «процесс» в значительной степени меняет смысл. Понятию «поток» соответствует последовательный переход процессора от одной команды программы к другой. ОС распределяет процессорное время между потоками. Процессу ОС назначает адресное пространство и набор ресурсов, которые совместно используются всеми его потоками.

53

	• •••••••	• ••••••
	• ••• ••• · ,
	,
	• ••• •••		• ••• •••
	•••••••• ••••••••	•••••• •••• ••••••••
1	.	1	.
2	.		( )
		2	.
			( )
		3	.
3	.
			( )
4	.	4	.
			( )

Рис. 22

Создание процессов

Когда операционная система собирается добавить новый процесс к тем, которые уже состоят на учете, она создает структуры данных, использующиеся при управлении этим процессом и размещает его адресное пространство в основной памяти. С помощью этих действий и создается новый процесс.

В среде пакетной обработки процесс создается в ответ на поступление задания; в интерактивной среде процесс создается при попытке нового пользователя войти в систему. В обоих случаях ответственность за создание нового процесса лежит на операционной системе. Кроме того, операционная система может создавать процесс по требованию приложения. Например, если пользователь отправляет запрос на распечатку файла, операционная система может создать процесс, управляющий печатью. Затем процесс, производивший запрос, может продолжить свою работу, независимо от того, сколько времени понадобится для печати.

Новое пакетное задание

В операционную систему для обработки поступает управляющий поток пакетных заданий (обычно с ленты или с диска). Готовясь принять на обработку новое задание, операционная система считывает очередную последовательность команд управления заданиями.

Вход в систему в интерактивном режиме

В систему с терминала входит новый пользователь.

54

Создание операционной системой процесса, необходимого для работы каких-либо служб

Операционная система может создать процесс для выполнения некоторой функции, которая требуется для программы пользователя. При этом пользователь не должен ждать, пока закончится ее выполнение (как в примере, в котором создавался процесс управления печатью)

Порождение одного процесса другим

С целью структуризации программы или использования возможностей параллельных вычислений программа может создавать другие процессы

Традиционно операционная система создает все процессы незаметно для пользователя или приложения; такой способ принят во многих современных операционных системах. Однако иногда требуется, чтобы один процесс мог послужить причиной создания другого процесса. Например, процесс приложения может сгенерировать другой процесс, который будет получать данные от первого процесса и приводить их к виду, удобному для дальнейшего анализа. Новый процесс будет работать параллельно с приложением и время от времени активизироваться для получения новых данных. Такая организация может быть очень полезна для структурирования приложений. В качестве другого примера можно привести ситуацию, в которой процесс-сервер (например, сервер печати или файловый сервер) может генерировать новый процесс для каждого обрабатываемого им запроса. Создание операционной системой процесса по явному запросу другого процесса называется порождением процесса (process spawning).

Когда один процесс порождает другой, то порождающий процесс называ-

ется родительским, или предком (parent), а порождаемый процесс – дочерним,

или потомком (child). Обычно «родственные» процессы обмениваются между собой информацией и взаимодействуют друг с другом. Организация такого взаимодействия является достаточно трудной задачей для программиста.

Завершение процессов

В любой компьютерной системе должны быть средства, позволяющие определить, закончилось выполнение процесса или нет. Пакетное задание должно включать в себя команду типа halt (останов) или какой-то явный вызов службы операционной системы, приводящий к завершению процесса. В первом случае генерируется прерывание для извещения операционной системы о завершении процесса. Например, в системе с разделением времени процесс пользователя должен быть завершен, когда пользователь выходит из системы или выключает терминал. На персональном компьютере или рабочей станции пользователь может выйти из приложения (например, закрыть программу обработки текста или электронную таблицу). Все эти действия в конечном счете приведут

55

к тому, что будет вызвана служба операционной системы, завершающая процесс.

Обычное завершение

Процесс вызывает службу операционной системы, чтобы сообщить, что он завершил свою работу

Превышение лимита отведенного программе времени

Общее время выполнения процесса превышает заданное предельное значение. Это время может измеряться несколькими способами. Одним из них является учет полного времени, затраченного на выполнение («по настенным часам»); при выполнении интерактивного процесса время можно отсчитывать с момента последнего ввода данных пользователем.

Недостаточный объем памяти

Для работы процесса требуется больше памяти, чем имеется в системе.

Выход за пределы отведенной области памяти

Процесс пытается получить доступ к ячейке памяти, к которой у него нет прав доступа.

Ошибка защиты

Процесс пытается использовать недоступный для него ресурс или файл, или пытается сделать это недопустимым образом, например, производит попытку записи в файл, открытый только для чтения.

Арифметическая ошибка

Процесс пытается выполнить запрещенную арифметическую операцию, например, деление на ноль, или пытается использовать число, превышающее возможности аппаратного обеспечения.

Излишнее ожидание

Процесс ждет наступления определенного события дольше, чем задано в параметрах системы.

Ошибка ввода-вывода

Во время ввода или вывода происходит ошибка. Например, не удается найти нужный файл или выполнить чтение или запись за максимально возможное количество попыток (когда, например, на магнитном носителе попался дефектный участок) или производится попытка выполнить недопустимую операцию (например, чтение с печатающего устройства).

56

Неверная команда

Процесс пытается выполнить несуществующую команду (часто это бывает, если процесс переходит в область данных и пытается интерпретировать их как команду).

Команда с недоступными привилегиями

Процесс пытается использовать команду, зарезервированную для операционной системы.

Неправильное использование данных

Часть данных принадлежит не к тому типу или не инициализирована.

Вмешательство оператора или операционной системы

По какой-либо причине операционная система может завершить процесс (например, в случае взаимоблокировки).

Завершение родительского процесса

При завершении родительского процесса операционная система может автоматически прекращать все его дочерние процессы.

Запрос со стороны родительского процесса

Обычно родительский процесс имеет право прекращать любой из своих дочерних процессов.

Наконец, в некоторых операционных системах процесс может быть завершен процессом, который его породил, а также при завершении самого родительского процесса. Снисходительная операционная система в некоторых случаях может позволять пользователю восстановить работу процесса, в котором возникли условия отказа, не прекращая его. Например, если пользователь запросил доступ к файлу, к которому у него нет доступа, операционная система может просто сообщить пользователю, что ему отказано в доступе, предоставив процессу возможность продолжать свою работу.

57

• ••••••• • ••••••

• •••••• ( ,

.), - .

••••• - .

•••••• • • • •••••••••••

••••••••• • •••••••

Ý -

Ý

Ý

Ý

( , )

Ý ( ’ ù,

)

Ý - ’ ù,. .

Рис. 23

Планирование процессов включает в себя решение следующих задач:

•определение момента времени для смены выполняемого процесса;

•выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов;

•переключение контекстов «старого» и «нового» процессов.

Первые две задачи решаются программными средствами, а последняя в значительной степени аппаратно.

Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, по разному решающих вышеперечисленные задачи, преследующих различные цели и обеспечивающих различное качество мультипрограммирования. Среди этого множества алгоритмов рассмотрим подробнее две группы наиболее часто встречающихся алгоритмов: алгоритмы, основанные на квантовании, и алгоритмы, основанные на приоритетах.

В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если,

•процесс завершился и покинул систему;

•произошла ошибка;

•процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ;

•исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.

Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние ГОТОВНОСТЬ и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом

58

выбирается новый процесс из очереди готовых. Таким образом, ни один процесс не занимает процессор надолго, поэтому квантование широко используется в системах разделения времени. Граф состояний процесса, изображенный на следующем рисунке, соответствует алгоритму планирования, основанному на квантовании.

Кванты, выделяемые процессам, могут быть одинаковыми для всех процессов или различными. Кванты, выделяемые одному процессу, могут быть фиксированной величины или могут изменяться в разные периоды жизни процесса. Процессы, которые не полностью использовали выделенный им квант (например, из-за ухода на выполнение операций ввода-вывода), могут получить или не получить компенсацию в виде привилегий при последующем обслуживании. По разному может быть организована очередь готовых процессов: циклически, по правилу «первый пришел – первый обслужился» (FIFO) или по правилу «последний пришел – первый обслужился» (LIFO).

Другая группа алгоритмов использует понятие «приоритет» процесса. Приоритет − это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.

Приоритет может выражаться целыми или дробными, положительным или отрицательным значением. Чем выше привилегии процесса, тем меньше времени он будет проводить в очередях. Приоритет может назначаться директивно администратором системы в зависимости от важности работы или внесенной платы, либо вычисляться самой ОС по определенным правилам, он может оставаться фиксированным на протяжении всей жизни процесса либо изменяться во времени в соответствии с некоторым законом. В последнем случае приоритеты называются динамическими.

Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты.

В обоих случаях выбор процесса на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается процесс, имеющий наивысший приоритет. По-разному решается проблема определения момента смены активного процесса. В системах с относительными приоритетами активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЕ (или же произойдет ошибка, или процесс завершится). В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного процесса прерывается еще при одном условии: если в очереди готовых процессов появился процесс, приоритет которого выше приоритета активного процесса. В этом случае прерванный процесс переходит в состояние готовности. Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как квантования, так и приоритетов. Например, в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора процесса из очереди готовых определяется приоритетами процессов.

59

Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования

Существуют два основных типа процедур планирования процессов − вы-

тесняющие (preemptive) иневытесняющие (non-preemptive).

Non-preemptive multitasking − не вытесняющая многозадачность − это способ планирования процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление планировщику операционной системы для того, чтобы тот выбрал из очереди другой, готовый к выполнению процесс.

Preemptive multitasking − вытесняющая многозадачность − это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается планировщиком операционной системы, а не самой активной задачей.

Понятия preemptive и non-preemptive иногда отождествляются с понятиями приоритетных и бесприоритетных дисциплин, что совершенно неверно, а также с понятиями абсолютных и относительных приоритетов, что неверно отчасти. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность − это более широкие понятия, чем типы приоритетности. Приоритеты задач могут как использоваться, так и не использоваться и при вытесняющих, и при невытесняющих способах планирования. Так в случае использования приоритетов дисциплина относительных приоритетов может быть отнесена к классу систем с невытесняющей многозадачностью, а дисциплина абсолютных приоритетов − к классу систем с вытесняющей многозадачностью. А бесприоритетная дисциплина планирования, основанная на выделении равных квантов времени для всех задач, относится к вытесняющим алгоритмам.

Основным различием между preemptive и non-preemptive вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования задач. При вытесняющей многозадачности механизм планирования задач целиком сосредоточен в операционной системе, и программист пишет свое приложение, не заботясь о том, что оно будет выполняться параллельно с другими задачами. При этом операционная система выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения активной задачи, запоминает ее контекст, выбирает из очереди готовых задач следующую и запускает ее на выполнение, загружая ее контекст.

При невытесняющей многозадачности механизм планирования распределен между системой и прикладными программами. Прикладная программа, получив управление от операционной системы, сама определяет момент завершения своей очередной итерации и передает управление ОС с помощью какоголибо системного вызова, а ОС формирует очереди задач и выбирает в соответствии с некоторым алгоритмом (например, с учетом приоритетов) следующую задачу на выполнение. Такой механизм создает проблемы как для пользователей, так и для разработчиков.

Для пользователей это означает, что управление системой теряется на произвольный период времени, который определяется приложением (а не поль-

60