Часть I. Теоретические основы.
1ВВЕДЕНИЕ.
Вычислительная система (ВС) есть совокупность аппаратных и программных средств, функционирующих как единое целое и предназначенных для решения задач определенного класса. Любая вычислительная система обладает некоторым набором ресурсов. Эти ресурсы включают в себя как реально существующие физические ресурсы (устройства) с их реальными характеристиками, так и устройства, эксплутационные характеристики которых полностью или частично реализованы программным образом – виртуальные (логические) ресурсы (устройства). Под операционной системой (ОС) понимают комплекс программ осуществляющий управление, распределение и контроль за использованием ресурсов вычислительной системы.
Любая операционная система оперирует некоторыми сущностями (понятиями), которые во многом характеризуют свойства этой операционной системы. К таким сущностям могут относиться понятия – задача, процесс, объект, файл, набор данных и т.д.. Одним из важнейших таких понятий является понятие процесса. В общем случае процесс можно определить как совокупность данных и машинных команд, исполняющуюся в рамках ВС и обладающую правами на владение некоторым набором ресурсов. Эти права могут носить эксклюзивный характер, когда ресурс принадлежит только одному процессу, либо ресурс может одновременно принадлежать нескольким процессам – в этом случае ресурс называется разделяемым.
Во всех современных ВС поддерживается режим мультипрограммирования, поэтому одной из основных функций ОС является задача управления процессами в ВС. Эта задача включает в себя:
обеспечение жизненного цикла процессов (порождение, выполнение и уничтожение процессов);
распределение ресурсов ВС;
синхронизацию процессов;
организацию межпроцессного взаимодействия.
2Понятие процесса.
Нетрудно найти целый ряд “синонимов” понятия типа “процесс” – процесс, нить, задача, задание или программа, причем в различных ОС могут присутствовать только часть понятий из этого набора, и их интерпретация во многом будет зависеть от конкретной вычислительной среды, где они используются. Таким образом, разные операционные системы оперируют с разными понятиями относительно базовой сущности, с которой работает ОС . Более того эти понятия могут переплетаться, т.е. задача может состоять из нескольких процессов, а процесс имеет многонитевую структуру.
Для каждого процесса определена структура данных, фиксирующая текущее состояние процесса. Такую структуру называют контекстом процесса. Она существует с момента создания процесса и до момента завершения его работы. В зависимости от конкретной операционной системы, данная информационная структура может включать в себя содержимое пользовательского адресного пространства (т.е. содержимое сегментов программного кода, данных, стека, разделяемых сегментов и сегментов файлов, отображаемых в виртуальную память) – пользовательский контекст, содержимое аппаратных регистров (таких, как регистр счетчика команд, регистр состояния процессора, регистр указателя стека и регистров общего назначения) – регистровый контекст, а также структуры данных ядра ОС, связанные с этим процессом (контекст системного уровня). В общем случае данная информация может дополняться или меняться по ходу исполнения процесса в зависимости от того, чем в данный момент процесс занимался.
Одной из целей создания и поддержания такой структуры является возможность продолжения корректной работы процесса после приостановки его функционирования на процессоре. В момент выделения следующему процессу вычислительных ресурсов происходит так называемое переключение контекста, в результате которого происходит сохранение контекста текущего процесса и передача управления новому.
2.1Некоторые типы процессов.
2.1.1 «Полновесные процессы»
Существует понятие «полновесные процессы» - это процессы, выполняющиеся внутри защищенных участков памяти операционной системы, то есть имеющие собственные виртуальные адресные пространства для статических и динамических данных. Для «полновесных процессов» можно сказать, что операционная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы - файлы, окна, семафоры и т.д. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы ВС, конкурируют с друг другом. В общем случае процессы принадлежат разным пользователям, разделяющим один компьютер, и ОС берет на себя все функции, связанные с распределением ресурсов между конкурирующими процессами. В операционных системах управление такими процессами тесно связанно с управлением и защитой памяти, поэтому переключение процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого является достаточно дорогой операцией по времени.
2.1.2«Легковесные процессы»
Наряду с «полновесными процессами» существуют и «легковесные процессы», они же нити, которые в той или иной степени присутствуют в различных операционных системах. При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем если бы он выполнялся в однопрограммном режиме. Однако задача, решаемая в рамках одного процесса, может обладать внутренним параллелизмом, который позволяет ускорить ее выполнение. Например, в ходе выполнения задачи происходит обращение к внешнему устройству, и на время этой операции можно не блокировать полностью выполнение процесса, а продолжить вычисления по другой "ветви" процесса. Для этих целей современные ОС предлагают использовать механизм многонитевой обработки (multithreading). При этом вводится новое понятие "нить" (thread). Нити, относящиеся к одному процессу, не настолько изолированы друг от друга, как процессы в традиционной многозадачной системе, между ними легко организовать тесное взаимодействие. Нити, или «легковесные процессы», во многих отношениях схожи с процессами. Каждая нить выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Нити, как и процессы, могут, например, порождать нити-потомки, могут переходить из состояния в состояние. Подобно традиционным процессам (то есть процессам, состоящим из одной нити), нити могут находится в одном из следующих состояний: ВЫПОЛНЕНИЕ, ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ. Пока одна нить заблокирована, другая нить того же процесса может выполняться. Нити разделяют процессор так, как это делают процессы, в соответствии с различными вариантами планирования.
Однако различные нити в рамках одного процесса не настолько независимы, как отдельные процессы. Все такие нити имеют одно и то же адресное пространство. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждая нить может иметь доступ к каждому виртуальному адресу, одна нить может использовать стек другой нити. Все нити одного процесса всегда решают общую задачу одного пользователя, и аппарат нитей используется для более быстрого решения задачи путем ее распараллеливания. При этом программисту очень важно получить в свое распоряжения удобные средства организации взаимодействия частей одной задачи. Кроме разделения адресного пространства, все нити разделяют также набор открытых файлов, таймеров, сигналов и т.п.
Итак, нити имеют собственные: программный счетчик, стек, регистры, нити-потомки, состояние. В то же время все нити одного процесса разделяют: адресное пространство, глобальные переменные, открытые файлы, таймеры, статистическую информацию.
В рамках одной ОС понятия полновесного и легковесного процесса (нити) могут как взаимозаменяться (например, в случае ОС с однонитевой организацией процесса, когда каждый процесс может иметь лишь одну исполняемую нить), так и дополнять друг друга (в случае многонитевой организации процесса, когда каждый процесс представляет собой совокупность исполняемых нитей).
Обобщая сказанное, отметим, что понятие процесса в любой ОС включает в себя:
исполняемый код;
собственное виртуальное адресное пространство;
совокупность ресурсов, выделенных данному процессу операционной системой;
хотя бы одну исполняемую нить.
|
