глава 2 (Методическое пособие по Операционным системам)
Описание файла
Файл "глава 2" внутри архива находится в следующих папках: Методическое пособие по Операционным системам, Операционне системы. Документ из архива "Методическое пособие по Операционным системам", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "операционные системы" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "операционные системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "глава 2"
Текст из документа "глава 2"
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),