ОС управление процессами

зователем). Если приложение тратит слишком много времени на выполнение какой-либо работы, например, на форматирование диска, пользователь не может переключиться с этой задачи на другую задачу, например, на текстовый редактор, в то время как форматирование продолжалось бы в фоновом режиме. Эта ситуация нежелательна, так как пользователи обычно не хотят долго ждать, когда машина завершит свою задачу.

Поэтому разработчики приложений для non-preemptive операционной среды, возлагая на себя функции планировщика, должны создавать приложения так, чтобы они выполняли свои задачи небольшими частями. Например, программа форматирования может отформатировать одну дорожку дискеты и вернуть управление системе. После выполнения других задач система возвратит управление программе форматирования, чтобы та отформатировала следующую дорожку. Подобный метод разделения времени между задачами работает, но он существенно затрудняет разработку программ и предъявляет повышенные требования к квалификации программиста. Программист должен обеспечить «дружественное» отношение своей программы к другим выполняемым одновременно с ней программам, достаточно часто отдавая им управление. Крайним проявлением «недружественности» приложения является его зависание, которое приводит к общему краху системы. В системах с вытесняющей многозадачностью такие ситуации, как правило, исключены, так как центральный планирующий механизм снимет зависшую задачу с выполнения.

Однако распределение функций планировщика между системой и приложениями не всегда является недостатком, а при определенных условиях может быть и преимуществом, потому что дает возможность разработчику приложений самому проектировать алгоритм планирования, наиболее подходящий для данного фиксированного набора задач. Так как разработчик сам определяет в программе момент времени отдачи управления, то при этом исключаются нерациональные прерывания программ в «неудобные» для них моменты времени. Кроме того, легко разрешаются проблемы совместного использования данных: задача во время каждой итерации использует их монопольно и уверена, что на протяжении этого периода никто другой не изменит эти данные. Существенным преимуществом non-preemptive систем является более высокая скорость переключения с задачи на задачу.

Примером эффективного использования невытесняющей многозадачности является файл-сервер NetWare, в котором, в значительной степени благодаря этому, достигнута высокая скорость выполнения файловых операций. Менее удачным оказалось использование невытесняющей многозадачности в операционной среде Windows 3.х.

Однако почти во всех современных операционных системах, ориентированных на высокопроизводительное выполнение приложений (UNIX, Windows NT, OS/2, VAX/VMS), реализована вытесняющая многозадачность. В последнее время дошла очередь и до ОС класса настольных систем, например, OS/2 Warp и Windows 95. Возможно в связи с этим вытесняющую многозадачность часто называют истинной многозадачностью.

61

Рис. 24

Рис. 25

62

Программный код только тогда начнет выполняться, когда для него операционной системой будет создан процесс.

Создать процесс − это значит:

1.создать информационные структуры, описывающие данный процесс, то есть его дескриптор и контекст;

2.включить дескриптор нового процесса в очередь готовых процессов;

3.загрузить кодовый сегмент процесса в оперативную память или в область свопинга.

Рис. 26

В многозадачной (многопроцессорной) системе процесс может находиться в одном из трех основных состояний:

ВЫПОЛНЕНИЕ − активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

ОЖИДАНИЕ − пассивное состояние процесса, процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса;

ГОТОВНОСТЬ − также пассивное состояние процесса, но в этом случае процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельст-

63

вами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

Входе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния

вдругое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе. Типичный граф состояний процесса показан на рисунке 26.

Всостоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ − несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно «вытеснен» из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени. В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.

Рис. 27

Модель с пятью состояниями

Если бы все процессы всегда были готовы к выполнению, то очередь на рис. 27 могла бы работать вполне эффективно. Такая очередь работает по

64

принципу обработки в порядке поступления, а процессор обслуживает имеющиеся в наличии процессы круговым (round-robin) методом (каждому процессу в очереди отводится определенный промежуток времени, по истечении которого процесс возвращается обратно в очередь, если он не был блокирован). Однако даже в таком простом примере, который был описан выше, подобная реализация не является адекватной: некоторые из не выполняющихся процессов готовы к выполнению, в то время как другие являются заблокированными и ждут окончания операции ввода-вывода. Таким образом, при наличии только одной очереди диспетчер не может просто выбрать для выполнения первый процесс из очереди. Перед этим он должен будет просмотреть весь список, отыскивая незаблокированный процесс, который находится в очереди дольше других.

Естественнее было бы разделить все невыполняющиеся процессы на два типа: готовые к выполнению и заблокированные. Такая схема показана на рис. 27. Здесь добавлены еще два состояния, которые окажутся полезными в дальнейшем. Опишем каждое из пяти состояний процессов, представленных на диаграмме.

•Выполняющийся. Процесс, который выполняется в текущий момент времени. В настоящей главе предполагается, что на компьютере установлен только один процессор, поэтому в этом состоянии может находиться только один процесс.

•Готовый к выполнению. Процесс, который может быть запущен, как только для этого представится возможность.

•Блокированный. Процесс, который не может выполняться до тех пор, пока не произойдет некоторое событие, например завершение операции ввода-вывода.

•Новый. Только что созданный процесс, который еще не помещен операционной системой в пул выполнимых процессов. Обычно это новый процесс, который еще не загружен в основную память.

•Завершающийся. Процесс, удаленный операционной системой из пула выполнимых процессов.

Состояния «новый» и «завершающийся» представляют собой полезные конструкции для управления процессами. Первое из них соответствует процессу, который был только что определен. Например, если новый пользователь пытается войти в систему с разделением времени или в систему поступает новое пакетное задание, операционная система может определить новый процесс в два этапа. Во-первых, она выполняет всю необходимую рутинную работу: процессу присваивается идентификатор, формируются все необходимые для управления процессом таблицы. В этот период времени процесс находится в состоянии нового. Это означает, что операционная система выполнила необхо-

65

димые для создания процесса действия, но еще не приготовилась к его запуску. Например, операционная система может иметь ограничения по количеству одновременно выполняющихся процессов. Такие ограничения устанавливаются, например, чтобы не снижать производительность системы (или не переполнять основную память). Таблицы управления новыми процессами в необходимой операционной системе информацией содержатся в основной памяти, однако самих процессов там нет, т. е. код программы, которую нужно выполнить, не загружен в память, данным, относящимся к этой программе, не выделено пространство. Отвечающая такому процессу программа остается во вторичной памяти (обычно это диск)

Выход процесса из системы также происходит в два этапа. Во-первых, процесс переходит в состояние завершающегося при достижении точки естественно завершения, а также когда он останавливается из-за возникновения неустранимой ошибки или когда его останавливает другой процесс, обладающий необходимыми для этого полномочиями. После этого момента процесс больше не может выполняться. Операционная система временно сохраняет таблицы и другую информацию, связанную с этим заданием, так что вспомогательные программы могут получить все необходимые сведения о завершившемся процессе (например, эти данные могут понадобиться программе, ведущей учет использования процессорного времени и других ресурсов). После того, как эти программы извлекут всю необходимую информацию, операционной системе больше не нужно хранить данные, связанные с процессом, и он полностью удаляется из системы.

На рис. 27 показаны типы событий, соответствующие каждому из возможных переходов из одного состояния в другое. Возможны следующие переходы.

•Нулевое состояние → Новый. Для выполнения программы создается новый процесс. Это событие может быть вызвано одной из причин, перечисленных в табл. 3.1.

•Новый → Готовый. Операционная система переводит процесс из состояния нового в состояние готового к выполнению, когда она будет готова к обработке дополнительных процессов. В большинстве систем устанавливается ограничение на количество существующих процессов или на объем выделяемой для процессов виртуальной памяти. Таким образом предотвращается снижение производительности, которое может произойти, если будет загружено слишком много активных процессов.

•Готовый → Выполняющийся. Когда наступает момент выбора нового процесса для запуска, операционная система выбирает один из готовых для выполнения процессов. Принцип этого выбора обсуждается в четвертой части книги.

66

•Выполняющийся → Завершающийся. Если процесс сигнализирует об окончании своей работы или происходит его аварийное завершение, операционная система прекращает его выполнение.

•Выполняющийся → Готовый. Этот переход чаще всего происходит из-за того, что процесс выполняется в течение максимального промежутка времени, отведенного для непрерывной работы одного процесса. Подобная стратегия планирования используется практически во всех многозадачных операционных системах. Такой переход возможен и по некоторым другим причинам, зависящим от конкретной операционной системы. Например, если операционная система назначает разным процессам различные приоритеты, то может случиться так, что процесс будет выгружен из-за появления процесса с более высоким приоритетом. Предположим, что выполняется процесс А, имеющий определенный приоритет, а процесс В, приоритет которого выше, блокирован. Когда операционная система обнаружит, что произошло событие, ожидаемое процессом В, она переведет этот процесс в состояние готовности, в результате чего процесс А может быть, прерван и управление перейдет к процессу В. Говорят, что операционная система вытесняет (preempt) процесс А [3]. Наконец, процесс сам по себе может отказаться от использования процессора.

•·Выполняющийся → Блокированный. Процесс переводится в за-

блокированное состояние, если для продолжения работы требуется наступление некоторого события. Посылаемый операционной системе запрос обычно имеет вид вызова какой-нибудь системной службы, т. е. вызова процедуры, являющейся частью кода операционной системы. Процесс может запросить ресурс (например, файл или совместно используемую ячейку виртуальной памяти), который окажется временно недоступным, и потребуется подождать его освобождения. Кроме того, возможна ситуация, в которой для продолжения процесса требуется выполнить некоторое действие, например, операцию ввода-вывода. Если процессы обмениваются информацией друг с другом, один из них может быть блокирован в состоянии ожидания ввода или сообщения от другого процесса.

•Блокированный → Готовый. Заблокированный процесс переходит в состояние готовности к выполнению в тот момент, когда происходит ожидаемое им событие.

•Готовый → Завершающийся. Чтобы не усложнять картину, этот переход на диаграмме состояний не показан. В некоторых системах родительский процесс может в любой момент прервать выполнение

67

дочернего процесса. Кроме того, дочерние процессы могут прекратиться при завершении родительского процесса.

•Блокированный → Завершающийся. См. комментарии к преды-

дущему пункту.

Рис. 28

Многопоточностью (multithreading) называется способность операционной системы поддерживать в рамках одного процесса выполнение нескольких потоков. Традиционный подход, при котором каждый процесс представляет собой единый поток выполнения, называется однопоточным подходом. Две левые части рис. 28 иллюстрируют однопоточные подходы. MS DOS является примером операционной системы, способной поддерживать не более одного однопоточного пользовательского процесса. Другие операционные системы, такие, как разнообразные разновидности UNIX, поддерживают процессы множества пользователей, но в каждом из этих процессов может содержаться только один поток. В правой половине рис. 28 представлены многопоточные подходы. Примером системы, в которой один процесс может расщепляться на несколько потоков, является среда выполнения Java. В этом разделе нас будет интересовать использование нескольких процессов, каждый из которых поддерживает выполнение нескольких потоков. Подобный подход принят в таких операционных системах, как OS/2, Windows 2000 (W2K), Linux, Solaris, Mach и ряде других.

В этом разделе приведено общее описание многопоточного режима, а в после-

68

дующих разделах будут подробно рассмотрены подходы, использующиеся в операционных системах W2K, Solaris и Linux.

В многопоточной среде процесс определяется как структурная единица распределения ресурсов, а также структурная единица защиты. С процессами связаны следующие элементы:

•Виртуальное адресное пространство, в котором содержится образ процесса.

•Защищенный доступ к процессорам, другим процессам (при обмене информаций между ними), файлам и ресурсам ввода-вывода (устройствам и каналам).

•В рамках процесса могут находиться один или несколько потоков, каждый из которых обладает следующими характеристиками.

•Состояние выполнения потока (выполняющийся, готовый к выполнению и т. д.).

•Сохраненный контекст не выполняющегося потока; один из способов рассмотрения потока — считать его независимым счетчиком команд, работающим в рамках процесса.

•Стек выполнения.

•Статическая память, выделяемая потоку для локальных переменных.

•Доступ к памяти и ресурсам процесса, которому этот поток при-

надлежит; этот доступ разделяется всеми потоками данного процесса.

На рис. 28 продемонстрировано различие между потоками и процессами

сточки зрения управления последними. В однопоточной модели процесса в его представление входит управляющий блок этого процесса и пользовательское адресное пространство, а также стеки ядра и пользователя, с помощью которых осуществляются вызовы процедур и возвраты из них при выполнении процесса. Когда выполнение процесса прерывается, содержимое регистров процессора сохраняется в памяти. В многопоточной среде с каждым процессом тоже связаны управляющий блок и адресное пространство, но теперь для каждого потока создаются свои отдельные стеки, а также свой управляющий блок, в котором содержатся значения регистров, приоритет и другая информация о состоянии потока.

Таким образом, все потоки процесса разделяют между собой состояние и ресурсы этого процесса. Они находятся в одном и том же адресном пространстве и имеют доступ к одним и тем же данным. Если один поток изменяет в памяти какие-то данные, то другие потоки во время своего доступа к этим данным имеют возможность отследить эти изменения. Если один поток открывает файл

справом чтения, другие потоки данного процесса тоже могут читать из этого файла.

Перечислим основные преимущества использования потоков с точки зрения производительности.

69

1.Создание нового потока в уже существующем процессе занимает намного меньше времени, чем создание совершенно нового процесса. Исследования, проведенные разработчиками операционной системы Mach, показали, что скорость создания процессов по сравнению с такой же скоростью в UNIX-совместимых приложениях, в которых не используются потоки, возрастает в 10 раз

2.Поток можно завершить намного быстрее, чем процесс.

3.Переключение потоков в рамках одного и того же процесса происходит намного быстрее.

4.При использовании потоков повышается эффективность обмена

информацией между двумя выполняющимися программами. В большинстве операционных систем обмен между независимыми процессами происходит с участием ядра, в функции которого входит обеспечение защиты и механизма, необходимого для осуществления обмена. Однако благодаря тому, что различные потоки одного и того же процесса используют одну и ту же область памяти и одни и те же файлы, они могут обмениваться информацией без участия ядра.

Итак, если приложение или функцию нужно реализовать в виде набора взаимосвязанных модулей, намного эффективнее реализовать ее в виде набора потоков, чем в виде набора отдельных процессов.

Примером приложения, в котором можно удачно применить потоки, является файловый сервер. При получении каждого нового файлового запроса программа управления файлами может порождать новый поток. Из-за того, что серверу приходится обрабатывать очень большое количество запросов, за короткий промежуток времени будут создаваться и удаляться множество потоков. Если такая серверная программа работает на многопроцессорной машине, то на разных процессорах в рамках одного процесса могут одновременно выполняться несколько потоков. Кроме того, из-за того, что процессы или потоки файлового сервера должны совместно использовать данные из файлов, а, следовательно, координировать свои действия, рациональнее использовать потоки и общую область памяти, а не процессы и обмен сообщениями.

Потоковая конструкция процесса полезна и на однопроцессорных машинах. Она помогает упростить структуру программы, выполняющей несколько логически различных функций.

70