Лекции по операционным системам (1114738), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Также ранее отмечалось, что одной из функций логического блока управления процессами ОС является функция поддержания жизненного цикла процесса. Жизненный цикл процесса — это те этапы, через которые может проходить процесс в ходе своей обработки и исполнении в рамках вычислительной системы. В реальности жизненный цикл процесса представляет собою характеристику конкретной операционной системы.

Выделим следующие типовые этапы жизненного цикла процесса:

• образование (порождение или формирование) процесса,

• исполнение процесса на процессоре,

• ожидание постановки процесса на исполнение — обычно это ожидание какого-либо события: ожидание окончания обмена, ожидание выделения ресурса центрального процессора и пр.,

• завершение процесса — важный этап, связанный с возвратом процессом принадлежащих ему ресурсов.

2.1.1Модели операционных систем

Ниже будем рассматривать некоторую модельную операционную систему. Будем считать, что этапы жизненного цикла процесса разделены на два блока. Первый блок — это размещение процесса, или программы, в буфере ввода процессов (БВП). В этом буфере размещаются процессы от момента их формирования, или ввода в систему, до начала обработки его центральным процессором. Второй блок объединяет состояния процесса, связанные с размещением процесса в буфере обрабатываемых процессов (БОП), т.е. будем считать, что все процессы, которые начали обрабатываться центральным процессором, размещаются в данном буфере. Мы выделили именно два логических блока, т.к. эта модель отражает наиболее общую картину. Процесс после его формирования не обязательно сразу попадает на процессор, а многие информационные системные структуры образуются только тогда, когда процесс начинает обрабатываться, соответственно, поэтому можно провести разделение по структурной организации. Размеры буферов в различных системах могут варьироваться.

Теперь рассмотрим модели операционных систем того или иного класса систем, и начнем мы рассмотрение модели пакетной однопроцессной системы (Рис. 69.). В подобной системе жизненный цикл процесса состоит всего из трех этапов. Первый этап — ожидание начала обработки, т.е. поступление процесса в очередь на начало обработки процессором и ожидание им начала своей обработки (процесс попадает в БВП). Второй этап — обработка (переход из БВП в БОП). Последний этап — завершение процесса, освобождение системных ресурсов. Данная система не имеет ожиданий готовых процессов или ожиданий ввода-вывода — это однопроцессная система, которая обрабатывает один процесс, причем все обмены синхронные, и процесс никогда не откладывается.

1. Модель пакетной однопроцессной системы. 0 — поступление процесса в очередь на начало обработки ЦП (процесс попадает в БВП). 1 — начало обработки процесса на ЦП (из БВП в БОП). 2 — Завершение выполнения процесса, освобождение системных ресурсов.

Следующая модель — модель пакетной мультипроцессной системы (Рис. 70.). Данная модель уже имеет более богатый набор состояний процесса. Есть состояние ожидания начала обработки в БВП, после которого процесс попадает в БОП на обработку центральным процессором. Поскольку мы рассматриваем модель пакетной системы, то обрабатываемый процесс может либо завершиться, либо перейти в состояние ожидания ввода-вывода (если процесс обращается к операции обмена). Когда процесс переходит из состояния обработки на процессоре, система может поставить на счет либо процесс из БВП, либо из очереди готовых на выполнение процессов в зависимости от той или иной реализованной стратегии. Соответственно, после того, как процесс завершил обмен, он меняет свой статус и попадает в очередь на выполнение, из которой позже он попадет снова на выполнение.

1. Модель пакетной мультипроцессной системы. 0 — поступление процесса в очередь на начало обработки ЦП (процесс попадает в БВП). 1 — начало обработки процесса на ЦП (из БВП в БОП). 2 — процесс прекращает обработку ЦП по причине ожидания операции ввода-вывода, поступает в очередь завершения операции обмена (БОП). 3 — операция обмена завершена, и процесс поступает в очередь ожидания продолжения выполнения ЦП (БОП). 4 — выбирается процесс для выполнения на ЦП. 5 — завершение выполнения процесса, освобождение системных ресурсов.

Произведя в рассмотренной модели пакетной мультипроцессной системы небольшие изменения, можно получить модель операционной системы с разделением времени (Рис. 71.). Структурно достаточно добавить возможность перехода из состояния обработки центральным процессором в очередь готовых на выполнение процессов. Т.е. система имеет возможность прервать выполнение текущего процесса и поместить его в указанную очередь. Но такая модель не предполагает свопинга, или механизма откачки процесса во внешнюю память. В принципе, такую возможность можно также добавить в модель системы (Рис. 72.), тогда появляется еще одно состояние, характеризующее процесс, как откачанный во внешнюю память. Заметим, что в новое состояние могут переходить процессы лишь из очереди готовых на выполнение процессов, а процессы, ожидающие окончания ввода-вывода, свопироваться не могут, иначе в системе будут «зависать» заказы на обмен.

1. Модель ОС с разделением времени. 6 — процесс прекращает обработку ЦП, но в любой момент может быть продолжен (истек квант времени ЦП, выделенный процессу). Поступает в очередь процессов, ожидающих продолжения выполнения центральным процессором (БОП).

1. Модель ОС с разделением времени (модификация). Заблокированный процесс может быть откачан (свопирован) на внешний носитель, а на освободившееся место может быть подкачен процесс с внешнего носителя, который был откачен ранее, либо взят новый.

2.1.2Типы процессов

Рассматривая процесс в той или иной операционной системе, можно обнаружить, что встречается деление процессов на две категории: т.н. полновесные процессы и легковесные процессы, или нити.

Полновесные процессы (иногда их называют просто процессы) — это те процессы, машинный код которых обладает эксклюзивными правами на владение оперативной памятью (т.е. это традиционная однопроцессная программа).

Альтернативой являются т.н. легковесные процессы, известные также как нити, — это процессы, которые могут работать совместно с другими процессами на общем пространстве оперативной памяти. Обычно легковесные процессы реализуются внутри полновесного процесса.

1. Типы процессов: однонитевая (а) и многонитевая (б) организации.

Тогда традиционную однопроцессную программу, которую мы отнесли к полновесным процессам, можно теперь переопределить как однонитевой процесс, т.е. этому процессу эксклюзивно выделена память, и внутри существует один набор команд, который владеет и работает в этой защищенной области памяти. Многонитевая организация подразумевает выделение процессу защищенной области памяти, но внутри эта область доступна двум и более нитям.

Организуя многонитевые процессы, обычно преследуются следующие цели. Во-первых, это снижение накладных расходов. Как отмечалось выше, смена контекста полновесных процессов является трудоемкой операцией. В то же время, смена контекста нитей в рамках одного процесса является более простой задачей, поскольку не требуется полного переконфигурирования системы.

Также отметим, что многонитевые процессы хорошо ложатся на современные многопроцессорные системы (например, SMP-системы), т.е. в некоторых случаях при такой организации повышается эффективность системы.

Кроме того, механизм нитевой организации позволяет осуществлять взаимодействие нитей в рамках одного процесса, причем адресное пространство, посредством которого они взаимодействуют, остается защищенным от других процессов в системе.

Соответственно, перед операционной системой помимо управления полновесными процессами, планирования и выделения им ресурсов возникает задача управления нитями.

Тогда определение процесса можно расширить. Процесс — это совокупность исполняемого кода с собственным адресным пространством, представляющее собой множество виртуальных адресов, которые может использовать процесс, и назначенными ему ресурсами системы, и которая содержит хотя бы одну нить.

В заключение отметим, что многие современные операционные системы (как семейства Unix, так и Windows-системы, и др.) обеспечивают работу с нитями.

2.1.3Контекст процесса

Говоря о различных механизмах, происходящих в системе, часто затрагивался термин контекст процесса. Под контекстом процесса мы будем понимать совокупность данных, характеризующих актуальное состояние процесса. Обычно контекст процесса состоит из нескольких компонент:

• пользовательская составляющая — это совокупность машинных команд и данных, которые характеризуют выполнение данного процесса;

• системная составляющая, которая содержит в себе информацию об именовании, правах процесса, т.е. различного рода учетная системная информация, а также содержит информацию о состоянии процесса в точке останова (содержимое регистров, настройки процесса и пр.). Соответственно, о последнем имеет смысл говорить лишь тогда, когда процесс откачан. Во время исполнения процесса обычно говорят об аппаратной составляющей контекста (т.е это актуальное состояние регистров, актуальные настройки процесса и пр.). Таким образом, когда процесс обрабатывается на процессоре, то актуальна аппаратная составляющая, когда процесс отложен — актуальна системная составляющая.

2.2Реализация процессов в ОС Unix

2.2.1Процесс ОС Unix

Механизм управления и взаимодействия процессов в ОС Unix послужил во многом основой для развития операционных систем в целом, и логического блока управления процессами в частности. Во многом организация управления процессами в ОС Unix является эталонной, рассмотрим ее теперь более детально.

С точки зрения понимания термина процесса в ОС Unix данное понятие можно определить двояко. В первом случае процесс можно определить как объект, зарегистрированный в таблице процессов. Таблица процессов является одной из специальных системных таблиц, которая, очевидно, является программной таблицей. Второе определение объявляет процессом объект, порожденный системным вызовом fork(). Оба определения являются корректными и равносильными (если учесть, что в системе существуют два особых процесса с нулевым и первым номерами, и об их особенностях речь пойдет ниже).

Остановимся сначала на первой трактовке процесса. В операционной системе имеется таблица процессов, размер которой является параметром настройки ОС, и, соответственно, количество процессов в системе является системным ресурсом. Таблица устроена позиционным образом, а это означает, что именование процесса осуществляется посредством номера записи таблицы, соответствующей данному процессу (нумерация строится от нуля до некоторого фиксированного значения). Этот номер записи называется идентификатором процесса (PID — Process Identifier). Как только что отмечалось, две первые записи таблицы предопределены и используются для системных нужд. Соответственно, каждая запись таблицы (Рис. 74.) имеет ссылку на контекст процесса, который структурно состоит из пользовательской, системной и аппаратной составляющих.

Пользовательская составляющая — это тело процесса. В нее входит сегмент кода, который содержит машинные команды и неизменяемые константы. Сегмент кода — это обычно не изменяемая программным способом часть тела процесса. Также в пользовательскую составляющую входит сегмент данных, в который входит область статических данных процесса (в т.ч. статические переменные), область разделяемой памяти (т.е. область памяти, которая может принадлежать двум и более процессам одновременно), а также область стека. На стеке в системе реализуется передача фактических параметров в функциях, реализуются автоматические и регистровые переменные, а также в этой области организуется динамическая память (т.н. куча).

1. Таблица процессов в ОС Unix.

В ОС Unix реализована такая возможность, как разделение сегмента кода (Рис. 75.). Допустим, в системе работает несколько (пускай, 100) пользователей, каждый из которых помимо прочего работает с одним и тем же текстовым редактором. Таким образом, в системе обрабатываются 100 копий текстового редактора. Ставится вопрос о необходимости держать в ОЗУ все сегменты кода для этих 100 процессов. Для оптимизации подобных ситуаций в ОС Unix используется указанный механизм разделения сегмента кода. Тогда каждый обрабатываемый в системе процесс текстового редактора в пользовательской составляющей хранит ссылку на единственную копию сегмента кода редактора, а сегмент данных у каждого из процессов оказывается своим. Соответственно, в приведенном примере в памяти будут находиться один сегмент кода и 100 сегментов данных. Но рассмотренный механизм может иметь место в ОС только в том случае, когда сегмент кода нельзя изменить: он закрыт на запись.

1. Разделение сегмента кода.

Аппаратная составляющая включает в себя все регистры, аппаратные таблицы процессора и пр., характеризующие актуальное состояние процесса в момент его выполнения на процессоре.

Системная составляющая содержит системную информацию об идентификации процесса (т.е. идентификация пользователя, сформировавшего процесс), системная информация об открытых и используемых в процессе файлах и пр., а также сохраненные значения аппаратной составляющей. Итак, системная составляющая хранит множество параметров, рассмотрим некоторые из них.

Характеристики

Список файлов лекций