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.

2.2Жизненный цикл процесса.

С момента запуска и до завершения выполнения процесс может находиться в различных активных или пассивных состояниях, которые в совокупности описывают жизненный цикл процесса в вычислительной системе. Количество и характеристики таких состояний может меняться в зависимости от конкретной вычислительной системы. Можно выделить несколько основных состояний процесса:

1. ПОРОЖДЕНИЕ – состояние процесса, когда он уже создан, но не готов к запуску, при этом создаются информационные структуры, описывающие данный процесс; загружается кодовый сегмент процесса в оперативную память или в область свопинга.

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

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

4. ГОТОВНОСТЬ - также пассивное состояние процесса: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

5. ЗАВЕРШЕНИЕ – конечное состояние в жизненном цикле процесса, процесс выгружается из памяти и разрушаются все структуры данных, связанные с ним.

Рис. 1 Общая схема состояний процесса.

В общем случае жизненный цикл процесса представлен на Рис. 1. Жизненный цикл любого процесса начинается с момента его создания, когда он попадает в очередь готовых к выполнению процессов. Жизненный цикл процесса во всех состояниях, кроме собственно выполнения, всегда связан с той или иной очередью, количество которых также зависит от операционной системы (см. Рис. 1). Основной причиной попадания процесса в ту или иную очередь является невозможность взаимодействия с тем или иным устройством (это может быть как центральный процессор, так и любое устройство ввода-вывода) в данный момент времени. Поэтому основные состояния процесса описываются набором очередей в операционной системе: очередь на начало обработки, очередь готовых процессов, очередь заблокированных процессов. Последняя есть совокупность очередей, связанных с ожиданием использования конкретных ресурсов в вычислительной системе. Количество таких очередей меняется в зависимости от конкретной архитектуры или операционной системы. Это множество очередей может состоять из очередей распределения процессов по функциональным устройствам, времени ЦП, доступа к внешним или внутренним устройствам ввода вывода, памяти. Итак, жизненный цикл процесса есть совокупность состояний, которые в основном характеризуются либо работой процесса, либо ожиданием в какой-либо очереди.

Как видно из Рис. 1, начальным этапом обработки процесса в операционной системе является очередь на запуск. Существование и длина такой очереди зависит от конкретной операционной системы. Если это однозадачная ОС, то длина такой очереди равна нулю, или попросту говоря ее не существует. Если ОС является мультизадачной, то длина такой очереди определяется конкретной ОС. Движение в этой очереди может быть организовано как с помощью элементарных алгоритмов типа FIFO, так и с помощью более сложных алгоритмов с использованием понятия приоритета и динамического планирования.

Из очереди на запуск, если такая существует, процесс переходит в стадию выполнения. Время его обработки ЦП также определяется алгоритмами планирования для конкретной ОС, т.е. процесс может работать, пока он не завершится, а может возникнуть переключение на другой процесс спустя некоторый квант времени или при появлении готового на выполнение более приоритетного процесса.

Процесс также может остановить свое выполнение, если он ожидает некоторого события, например, ввода с внешнего устройства. Тогда он попадает в очередь процессов, ожидающих ввод/вывод, и будет находится там до тех пор, пока ожидаемое событие не произойдет. Если процесс больше не ожидает никакого события, и он готов к выполнению, он попадает в очередь готовых процессов и ждет, пока ему будет выделено процессорное время. Алгоритмы планирования очереди готовых процессов, как впрочем и всех других очередей, также зависят от конкретной операционной системы и во многом определяют ее тип, о чем будет подробнее рассказано ниже.

Описанная схема для различных ОС может отличаться как отсутствием некоторых состояний, так и присутствием некоторых дополнительных.

Еще раз подчеркнем, что для любой многозадачной операционной системы существует проблема управления различными очередями и временем центрального процессора. Операционная система должна обладать четкими критериями для определения того, какому готовому к выполнению процессу и когда предоставить ресурс процессора, какой процесс взять из очереди и какой поставить. Некоторые задачи планирования решаются программными средствами, а некоторые аппаратно. Существует множество различных алгоритмов планирования, преследующих различные цели и обеспечивающих различное качество мультипрограммирования¹.

3Синхронизация параллельных процессов.

В однопроцессорных системах имеет место так называемый псевдопараллелизм – хотя в каждый конкретный момент времени процессор занят обработкой одной конкретной задачи, благодаря постоянному переключению с исполнения одной задачи на другую, достигается иллюзия параллельного исполнения нескольких задач. Во многопроцессорных системах задача максимально эффективного использования каждого конкретного процессора также решается путем переключения между процессами, однако тут, наряду с псевдопараллелизмом, имеет место и действительный параллелизм, когда на разных процессорах в один и тот же момент времени исполняются разные процессы.

Процессы, выполнение которых хотя бы частично перекрывается по времени, называются параллельными. Они могут быть независимыми и взаимодействующими. Независимые процессы – процессы, использующие независимое множество ресурсов; на результат работы такого процесса не должна влиять работа другого независимого процесса. Наоборот – взаимодействующие процессы совместно используют ресурсы и выполнение одного процесса может оказывать влияние на результат другого. Совместное использование ресурса двумя процессами, т.е. когда каждый из процессов полностью владеет ресурсом некоторое время, называют разделением ресурса. Разделению подлежат как аппаратные, так программные ресурсы. Разделяемые ресурсы, которые должны быть доступны в текущий момент времени только одному процессу – это так называемые критические ресурсы. Таковыми ресурсами могут быть как внешнее устройство, так и некая переменная, значение которой может изменяться разными процессами.

Процессы могут быть связаны некоторыми соотношениями (например, когда один процесс является прямым потомком другого), а могут быть не связанными друг с другом. Кроме того, процессы могут выполняться в разных узлах сети. Эти обстоятельства влияют на способ их взаимодействия, а именно – на возможность совместно использовать ресурсы, обмениваться информацией, оповещать друг друга о наступлении некоторых событий, а также определяют возможность одного процесса влиять на выполнение другого.

Таким образом, необходимо уметь решать две важнейшие задачи:

1. Распределение ресурсов между процессами.

2. Организация защиты ресурсов, выделенных определенному процессу, от неконтролируемого доступа со стороны других процессов.

Важнейшим требованием мультипрограммирования с точки зрения распределения ресурсов является следующее: результат выполнения процессов не должен зависеть от порядка переключения выполнения между процессами, т.е. от соотношения скорости выполнения данного процесса со скоростями выполнения других процессов.

В качестве примера ситуации, когда это правило нарушается, рассмотрим следующую. Пусть имеется некоторая простая функция, которая считывает символ, введенный с клавиатуры, и выводит его на экран:

void echo()

{

char in;

input(in);

output(in)

}

В данном примере мы используем некоторые условные функции input() и output(), так как в данный момент для нас неважно, как конкретно реализован ввод/вывод в данной системе. Поскольку такой кусок кода будет использоваться практически в любой программе, его удобно сделать разделяемым, когда ОС загружает в некоторую область памяти, доступную всем процессам, одну-единственную копию данной программы, и все процессы используют эту копию совместно. Заметим, что в этом случае переменная in является разделяемой. Представим теперь ситуацию, изображенную на Рис. 2:

Рис. 2 Конкуренция процессов за ресурс.

1. Процесс А вызывает функцию echo(), однако в тот момент, когда входной символ был считан в переменную in, но до того, как он был выведен на экран, выполнение процесса прерывается и на выполнение загружается процесс В.

2. Процесс В тоже вызывает функцию echo(). После выполнения функции echo() переменная in содержит уж новое значение, считанное с клавиатуры.

3. Процесс А возобновляет свою работу в той точке, в которой он был прерван, и выводит на экран символ, находящийся в переменной in.

В рассмотренном случае символ, считанный процессом А, был потерян, а символ, считанный процессом В, был выведен дважды. Результат выполнения процессов здесь зависит от того, в какой момент осуществляется переключение процессов, и от того, какой конкретно процесс будет выбран для выполнения следующим. Такие ситуации называются гонками (в англоязычной литературе - race conditions) между процессами, а процессы – конкурирующими. Единственный способ избежать гонок при использовании разделяемых ресурсов – контролировать доступ к любым разделяемым ресурсам в системе. При этом необходимо организовать взаимное исключение – т.е. такой способ работы с разделяемым ресурсом, при котором постулируется, что в тот момент, когда один из процессов работает с разделяемым ресурсом, все остальные процессы не могут иметь к нему доступ.

Проблему организации взаимного исключения можно сформулировать в более общем виде. Часть программы (фактически набор операций), в которой осуществляется работа с критическим ресурсом, называется критической секцией, или критическим интервалом. Задача взаимного исключения в этом случае сводится к тому, чтобы не допускать ситуации, когда два процесса одновременно находятся в критических секциях, связанных с одним и тем же ресурсом.

Заметим, что вопрос организации взаимного исключения актуален не только для взаимосвязанных процессов, совместно использующих определенные ресурсы для обмена информацией. Выше отмечалось, что возможна ситуация, когда процессы, не подозревающие о существовании друг друга, используют глобальные ресурсы системы, такие как, например, устройства ввода/вывода. В с этом случае имеет место конкуренция за ресурсы, доступ к которым также должен быть организован по принципу взаимного исключения.

Важно отметить, что при организации взаимного исключения могут возникнуть две неприятные проблемы:

1. Возникновение так называемых тупиков (deadlocks). Рассмотрим следующую ситуацию (см. Рис. 3): имеются процессы А и В, каждому из которых в некоторый момент требуется иметь доступ к двум ресурсам R₁ и R₂. Процесс А получил доступ к ресурсу R_1, и следовательно, никакой другой процесс не может иметь к нему доступ, пока процесс А не закончит с ним работать. Одновременно процесс В завладел ресурсом R₂. В этой ситуации каждый из процессов ожидает освобождения недостающего ресурса, но оба ресурса никогда не будут освобождены, и процессы никогда не смогут выполнить необходимые действия.

Рис. 3 Возникновение тупиковой ситуации.

1. Ситуация блокирования (дискриминации) одного из процессов, когда один из процессов будет бесконечно находиться в ожидании доступа к разделяемому ресурсу, в то время как каждый раз при его освобождении доступ к нему получает какой-то другой процесс.

Таким образом, любые средства организации взаимного исключения должны обеспечивать разрешение этих двух проблем. Помимо этого, к организации взаимного исключения выдвигаются следующие требования:

1. Не должно возникать ситуации, при которой процесс, находящийся вне своей критической секции, блокирует исполнение другого процесса.

2. Не должно делаться никаких предположений относительно взаимных скоростей исполнения процессов, а также относительно количества и скоростей работы процессоров в системе.

Далее мы рассмотрим различные механизмы организации взаимного исключения для синхронизации доступа к разделяемым ресурсам и обсудим достоинства, недостатки и области применения этих подходов.

3.1Способы реализации взаимного исключения.

3.1.1Запрещение прерываний и специальные инструкции.

Простейшее умозаключение, которое, на первый взгляд, решает проблему синхронизации доступа к критическим ресурсам, заключается в следующем: некорректная работа с разделяемыми ресурсами возникает в том случае, если переключение процессов происходит в тот момент, когда выполняющийся процесс начал работу с разделяемым ресурсом, но не закончил ее, т.е. находится в своей критической секции. Чтобы этого не происходило, процесс должен запретить все прерывания непосредственно после входа в критическую секцию и разрешить их перед самым выходом из нее. Если прерывания запрещены, то переключения процессов не происходит, так как передача управления планировщику может быть реализована только с использованием прерываний (это может быть как прерывание по таймеру, так и другие прерывания, например, при заказе обмена). Таким образом, запрещение прерываний гарантирует процессу, что никакой другой процесс не обратится к разделяемому ресурсу, пока прерывания не будут разрешены.