Процессы и потоки в операционной системе Оглавление Введение

Все современные компьютеры могут делать одновременно несколько дел. Напри­мер, одновременно с запущенной пользователем программой может выполняться чтение с диска и вывод текста на экран монитора или на принтер. В многозадач­ной системе процессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. При этом в каждый конкретный момент време­ни процессор занят только одной программой, но за секунду он успевает поработать с несколькими программами, создавая у пользователей иллюзию параллельной работы со всеми программами. Иногда в этом контексте говорят о псевдопарал­лелизме, в отличие от настоящего параллелизма в многопроцессорных системах (в которых установлено два и более процессора, разделяющих между собой общую физическую память). Следить за работой параллельно идущих процессов достаточ­но трудно, поэтому со временем разработчики операционных систем разработали концептуальную модель последовательных процессов, упрощающую эту работу.

Модель процесса

В этой модели все функционирующее на компьютере программное обеспечение, иногда включая собственно операционную систему, организовано в виде набора последовательных процессов, или, для краткости, просто процессов. Процессом является выполняемая программа, включая текущие значения счетчика команд, регистров и переменных. С позиций данной абстрактной модели, у каждого процес­са есть собственный виртуальный центральный процессор. На самом деле, разуме­ется, реальный процессор переключается с процесса на процесс, но для лучшего понимания системы значительно проще рассматривать набор процессов, идущих параллельно (псевдопараллельно), чем пытаться представить себе процессор, пере­ключающийся от программы к программе. Это переключение и называется многозадачностью или мультипрограммированием. На рис. 1, а представлена схема компьютера, работающего с четырьмя про­граммами. На рис. 1, б представлены четыре процесса, каждый со своей управ­ляющей логикой (то есть логическим счетчиком команд), идущие независимо друг от друга. Разумеется, на самом деле существует только один физический счетчик команд, в который загружается логический счетчик команд текущего процесса. Когда время, отведенное текущему процессу, заканчивается, физический счетчик команд сохраняется в логическом счетчике команд процесса в памяти. На рис. 1, в видно, что за достаточно большой промежуток времени изменилось состояние всех четырех процессов, но в каждый конкретный момент в действительности работает только один процесс.

Рис. 1. Четыре программы в многозадачном режиме (а); принципиальная модель четырех независимых последовательных процессов (б); в каждый момент времени активна только одна программа (е)

Поскольку процессор переключается между программами, скорость, с которой процессор производит свои вычисления, будет непостоянной и, возможно, даже будет отличной при каждом новом запуске процесса. Поэтому не следует про­граммировать процессы, исходя из каких-либо жестко заданных временных пред­положений. Представьте себе, например, процесс ввода-вывода, запускающий накопитель на магнитной ленте для восстановления заархивированных файлов. Процесс выполняет холостой цикл задержки 10 000 раз, чтобы дать время накопи­телю разогнаться, а затем дает команду считать первый сектор. Если во время хо­лостого цикла процессор решит переключиться на другую задачу, может случить­ся так, что работающий с магнитофоном процесс запустится снова уже после того, как считывающая головка пройдет первую запись. Если у процесса есть критичес­кие временные рамки такого рода, то есть отдельные события должны укладывать­ся в заданное количество миллисекунд, необходимы специальные меры, чтобы удостовериться в завершенности события. Однако обычно многозадачный режим процессора, а также относительные скорости различных процессов не влияют на работу большинства процессов.

Различие между процессом и программой трудноуловимо и, тем не менее, име­ет принципиальное значение. Воспользуемся следующей аналогией: представьте себе программиста, разбирающегося в кулинарии и пекущего торт на день рожде­ния своей дочери. В его распоряжении есть рецепт торта, кухня, оборудованная всем необходимым, и ингредиенты для торта: мука, яйца, сахар, ванилин и т. п. Согласно этой аналогии, рецепт — это программа (то есть алгоритм, записанный в заданном виде), программист исполняет роль процессора, а ингредиенты торта являются входными данными. Процессом является следующая последователь­ность действий: программист читает рецепт, смешивает продукты и печет торт.

Теперь представьте, что на кухню прибегает плачущий сын программиста и кри­чит, что его ужалила пчела. Программист отмечает, на чем он остановился (сохра­няет текущее состояние процесса), находит справочник по оказанию первой по­мощи и действует в соответствии с инструкцией. Таким образом, наш процессор переключился с одного процесса (выпечка торта) на другой, с большим приорите­том (оказание первой помощи), и у каждого процесса есть своя программа (рецепт торта и справочник по оказанию первой помощи). После проведения всех необхо­димых процедур по борьбе с укусом пчелы программист возвращается к торту, продолжая с той операции, на которой он прервался.

Мы привели эту аналогию с целью показать, что процесс — это активность не­которого рода. У него есть программа, входные и выходные данные, а также состо­яние. Один процессор может переключаться между различными процессами, ис­пользуя некий алгоритм планирования для определения момента переключения от одного процесса к другому.