Александр Кручинин - Операционные системы

Переходы между состояниями:

1) процесс блокируется, ожидая входных данных;

2) планировщик выбирает другой процесс;

3) планировщик выбирает этот процесс;

4) доступны входные данные.

Переход 1 происходит, когда процесс обнаруживает, что продолжение работы невозможно. Переходы 2 и 3 вызываются частью операционной системы, называемой планировщиком процессов, так что сами процессы даже не знают о существовании этих переходов. Переход 4 происходит с появлением внешнего события, ожидавшегося процессом (например, прибытие входных данных).

Для реализации модели процессов операционная система содержит таблицу (массив структур), называемую таблицей процессов, с одним элементом для каждого процесса. Элемент таблицы содержит информацию о состоянии процесса, счетчике команд, указателе стека, распределении памяти, состоянии открытых файлов, об использовании и распределении ресурсов, а также всю остальную информацию, которую необходимо сохранять при переключении в состояние готовности или блокировки для последующего запуска – как если бы процесс не останавливался. В таблице 1 представлены некоторые типичные элементы таблицы процессов.

Таблица 1 – Некоторые поля типичного элемента таблицы процессов

Большое значение для создания иллюзии многопоточности на компьютерах с одним процессором имеет значение понятия прерывания. Прерывание (англ. interrupt) – сигнал, сообщающий процессору о совершении какого-либо асинхронного события [14]. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, и управление передаётся обработчику прерывания, который выполняет работу по обработке события и возвращает управление в прерванный код.

Понятия программы и процесса отличаются друг от друга. Программа представляет собой статический набор команд, а процесс это набор ресурсов и данных, использующихся при выполнении программы. Процесс в Windows состоит из следующих компонентов:

• структура данных, содержащая всю информацию о процессе;

• адресное пространство – диапазон адресов виртуальной памяти, которым может пользоваться процесс;

• исполняемая программа и данные, проецируемые на виртуальное адресное пространство процесса.

Далее необходимо уяснить отличие между процессом и потоком. Процесс представляет собой объект, которому принадлежат ресурсы приложения. А поток (или нить) – это независимый путь выполнения внутри процесса, разделяющий вместе с процессом общее адресное пространство, код и глобальные данные. У каждого потока имеются собственные регистры, стек и механизмы ввода, в том числе очередь скрытых сообщений. Для описания использования нескольких потоков в одном процессе используется термин многопоточность.

В отличие от различных процессов, которые могут быть инициированы различными пользователями и преследовать несовместимые цели, один процесс всегда запущен одним пользователем, и потоки созданы таким образом, чтобы работать совместно, не мешая друг другу. Как показано в таблице 2, потоки разделяют не только адресное пространство, но и открытые файлы, дочерние процессы, сигналы и т. п.

Первая колонка содержит элементы, являющиеся свойствами процесса, а не потока. Например, если один поток открывает файл, этот файл тут же становится видимым для остальных потоков, и они могут считывать информацию и записывать ее в файл. Также как и процесс, поток может находиться в одном из нескольких состояний. Переходы между состояниями потоков такие же, как на рисунке 11.

У каждого потока свой собственный стек. Стек (англ. stack – стопка) – структура данных с методом доступа к элементам LIFO (англ. Last In – First Out, «последним пришел – первым вышел») [14].

В качестве примера использования нескольких потоков в одном процессе, можно привести ситуацию, когда приложению нужно записать большой файл на диск. При использовании одного потока – доступ к другим функциям программы будет недоступен до окончания операции.

Таблица 2 – Элементы процесса, общие для потоков, и индивидуальные элементы потоков

Преимущества использования нескольких потоков перед несколькими процессами:

• возможность совместного использования параллельными объектами адресного пространства и всех содержащихся в нём данных;

• создание и уничтожение потоков происходит в примерно в 100 раз быстрее, чем для процессов;

• увеличивается производительность.

Есть два основных способа реализации пакета потоков: в пространстве пользователя и в ядре (Рисунок 12). В первом случае ядро ничего не знает о потоках и управляет обычными однопоточными процессами. Преимущество этого способа состоит в том, что его можно реализовать даже в операционных системах, не поддерживающих потоки. Раньше именно так все операционные системы и строились. Другое преимущество – это более высокая производительность по отношению ко второму способу и возможность использовать процессом собственный алгоритм планирования.

Рисунок 12 – Пакет потоков в пространстве пользователя (а); пакет потоков, управляемый ядром (б)

Однако, у первого способа есть серьёзные недостатки по отношению со вторым, например проблема добровольной отдачи процессора одним из потоков, или блокирование одного потока, что приводит к блокированию всего процесса. Поэтому на настоящий момент в большинстве известных ОС потоки реализуются в ядре или используется смешанное использование обоих способов.

Процессам часто бывает необходимо взаимодействовать между собой. Поэтому необходимо правильно организованное взаимодействие между процессами, по возможности не использующее прерываний. Проблема межпроцессного взаимодействия разбивается на 3 пункта [14]:

• передача информации от одного процесса другому;

• контроль над деятельностью процессов (к примеру, гарантии, что два процесса не пересекутся в критических ситуациях);

• согласование действий процессов (к примеру, если один процесс ожидает действий второго процесса, чтобы в свою очередь произвести некие действия).

Эти же пункты, не считая первого, относятся и к потокам.

Важным понятие в проблеме межпроцессного взаимодействия является состояние состязания – ситуация, в которой два или более процесса считывают и записывают данные одновременно и конченый результат зависит от того, какой из них был первым. Для предотвращения такого состояния и любой другой ситуации, связанной с совместным использованием памяти, файлов и чего-либо ещё, используется взаимное исключение – запрет одновременной записи и чтения разделенных данных более чем одним процессом.