глава 2 (Методическое пособие по Операционным системам)

65

Глава 2

Процессы и потоки

Теперь мы детально рассмотрим устройство и работу операционных систем. Основ­ным понятием, связанным с операционными системами, является процесс — абст­рактное понятие, описывающее работу программы. Все остальное базируется на этом понятии, поэтому представляется крайне важным, чтобы разработчики опера­ционных систем (а также студенты) получили полное представление о концепции процесса как можно раньше.

Процессы

Все современные компьютеры могут делать одновременно несколько дел. Напри­мер, одновременно с запушенной 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. Темой данной главы будет содержание и применение этой модели, а также неко­торые результаты ее применения.

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. Как мы уже знаем из первой главы, это переключение и называется многозадачностью или мультипрограммированием.

На рис. 2.1, а представлена схема компьютера, работающего с четырьмя про­граммами. На рис. 2.1, представлены четыре процесса, каждый со своей управ­ляющей логикой (то есть логическим счетчиком команд), идущие независимо друг от друга. Разумеемся, 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. 2.1, 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. 2.1. Четыре программы в многозадачном режиме (а); принципиальная модель четырех независимых последовательных процессов (б); в каждый момент времени активна только одна программа (в)

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. д. 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, па 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.

Создание процесса

Операционной системе необходим способ, позволяющий удостовериться в нали­чии всех необходимых процессов, В простейших системах, а также системах, раз­работанных для выполнения одного единственного приложения (например, кон­троллер микроволновой печи), можно реализовать такую ситуацию, в которой все процессы, которые когда-либо могут понадобиться, присутствуют в системе при ее загрузке. В универсальных системах необходим способ создания и прерывания процессов по мере необходимости. В этом разделе мы рассмотрим некоторые из возможных способов решения этой проблемы. Ниже перечислены четыре основ­ных события, приводящие к созданию процессов.

1. Инициализация системы.

2. Выполнение изданного работающим процессом системного запроса на созда­ние процесса.

3. 3anрос пользователя на создание процесса.

4. Инициирование пакетного задания.

Обычно при загрузке операционной системы создаются несколько процессов. Некоторые из них являются высокоприоритетными процессами, то есть обес­печивающими взаимодействие с пользователем и выполняющими заданную ра­боту. Остальные процессы являются фоновыми, они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции. Например, один фоновый процесс может быть предназначен для обработки приходящей на компьютер почты, активизируясь только по мере появления писем. Другой фоновый процесс может обрабатывать запросы к web-страницам, расположенным на компьютере, и акти­визироваться для обслуживания полученного запроса. Фоновые процессы, связанные с электронной почтой, web-страницами, новостями, выводом на печать и т. п., называются демонами. В больших системах насчитываются десятки демонов. В UNIX для вывода списка запущенных процессов используется программа ps. В Windows 95/98/MЕ достаточно нажать CTRL-ALT-DEL, а в Windows 2000 можно воспользоваться диспетчером задач, вызываемым этой же комбинацией трех клавиш.

Процессы могут создаваться не только в момент загрузки системы, но и позже. Например, новый процесс (или несколько) может быть создан по просьбе текуще­го процесса. Создание новых процессов особенно полезно в тех случаях, когда вы­полняемую задачу проще всего сформировать как набор связанных, но тем не ме­нее независимых взаимодействующих процессов. Если необходимо организовать выборку большого количества данных из сети для дальнейшей обработки, удобно создать один процесс для выборки данных и размещения их в совместно исполь­зуемом буфере, в то время как второй процесс будет считывать данные из буфера и обрабатывать их. Эта схема даже ускорит обработку данных, если каждый про­цесс запустить на отдельном процессоре в случае многопроцессорной системы.

В интерактивных системах пользователь может запустить программу, набрав на клавиатуре команду или дважды щелкнув на значке программы. В обоих случаях результатом будет создание нового процесса и запуск в нем программы. Когда на UNIX работает Х Windows, новый процесс получает то окно, в котором был запу­щен. В Microsoft Windows процесс не имеет собственного окна при запуске, но он может (и должен) создать одно или несколько окон. В обеих системах пользователь может одновременно открыть несколько окон, каждому из которых соответствует свой процесс. Пользователь может переключаться между окнами с помощью мыши и взаимодействовать с процессом, например, вводя данные по мере необходимости.

Последнее событие, приводящее к созданию нового процесса, связано с система­ми пакетной обработки на больших компьютерах. Пользователи посылают пакет­ное задание (возможно, с использованием удаленного доступа), а операционная система создает новый процесс и запускает следующее задание из очереди в тот момент, когда освобождаются необходимые ресурсы.

С технической точки зрения во всех перечисленных случаях новый процесс формируется одинаково: текущий процесс выполняет системный запрос на созда­ние нового процесса. В роли текущего процесса может выступать процесс, запущен­ный пользователем, системный процесс, инициированный клавиатурой или мышью, а также процесс, управляющий пакетами. В любом случае этот процесс всего лишь выполняет с искомый запрос и создает новый процесс. Системный запрос застав­ляет операционную систему создать новый процесс, а также прямо или косвенно содержит информацию о программе, которую нужно запустить в этом процессе.

В UNIX существует только один системный запрос, направленный на создание нового процесса: fork (ветвление или вилка). Этот запрос создает дубликат вызы­ваемого процесса. После выполнения запроса fork двум процессам — родитель­скому и дочернему — соответствуют одинаковые образы памяти, строки окружения и одни и те же открытые файлы. Обычно дочерний процесс выполняет системный вызов execve (или похожий) для изменения своего образа памяти и запуска новой программы. Так, когда пользователь набирает на клавиатуре команду sort, оболоч­ка создает путем ветвления дочерний процесс, который и выполняет программу sort. Смысл этого двухступенчатого процесса заключается в том, что дочерний про­цесс успевает обработать описания файлов после fork, но до execve, чтобы выпол­нить перенаправление стандартных устройств ввода и вывода и потока сообще­нии об ошибках,

В Windows же вызов всего одной функции CreateProcess интерфейса Win32 управляет и созданием процесса, и запуском в нем нужной программы. У этой функции 10 параметров: программа, которую нужно запустить, параметры команд­ной строки этой программы, различные атрибуты защиты, биты, управляющие наследованием открытых файлов, приоритеты, спецификация окна, которое сле­дует открыть для процесса, и указатель на структуру, в которой информация о со­зданном процессе возвращается вызывающей программе. Кроме CreateProcess в Win32 есть около 100 функций для управления процессами и их синхронизации.

И в UNIX, и в Windows после создания нового процесса родительский и дочерний процессы имеют собственные различные адресные пространства. При изме­нении любым процессом слова в адресном пространстве это изменение незаметно для других процессов. В UNIX начальное адресное пространство дочернего про­цесса является копией родительского, но сами адресные пространства различны, и перезаписываемая намять совместно не используется (некоторые приложения UNIX совместно используют текст программы, поскольку его нельзя модифи­цировать). В то же время созданный процесс может использовать совместно с родительским процессом некоторые другие ресурсы, например открытые файлы. В Window-s адресные пространства родительского и дочернего процессов отлича­ются с самого начала.

Завершение процесса

После того как процесс создан, он начинает выполнять свою работу. Но ничто не длится вечно, даже процесс — рано или поздно он завершится, чаще всего благо­даря одному из следующих событий:

1. Обычный выход (преднамеренно).

2. Выход по ошибке (преднамеренно).

3. Выход по неисправимой ошибке (непреднамеренно),