Часть II. Процессы и их поддержка в операционной системе

Глава 2. Процессы

Предыдущая глава | Программа курса | Следующая глава

— Гусар, Вы любите детей?
— Нет. Но сам процесс!..
Из известного анекдота

Начиная с этой главы, мы будем знакомиться с внутренним поведением операционных систем, разбирая одну за другой их основные функции по отдельности и во взаимосвязи. Фундаментальным понятием для изучения работы операционных систем является понятие процессов, как основных динамических объектов, над которыми системы выполняют определенные действия. Данная глава посвящена описанию таких объектов, их состояний и свойств, их представлению в вычислительных системах, а также операциям, которые могут проводиться над ними.

Понятие процесса

В первой части книги мы, поясняя понятие “операционная система” и описывая способы построения операционных систем, часто применяли слова “программа” и “задание”. Мы писали: вычислительная система исполняет одну или несколько программ, операционная система планирует задания, программы могут обмениваться данными и т. д. Мы использовали эти термины в некотором общеупотребительном, житейском смысле, предполагая, что все читающие одинаково представляют себе, что собственно подразумевается под ними в каждом конкретном случае. При этом одни и те же слова обозначали и объекты в статическом состоянии, не обрабатывающиеся вычислительной системой (например, совокупность файлов на диске), и объекты в динамическом состоянии, находящиеся в процессе исполнения. Такой подход являлся справедливым, пока мы говорили об общих свойствах операционных систем, не вдаваясь в подробности их внутреннего поведения, или о работе вычислительных систем первого-второго поколений, которые не могли обрабатывать более одной программы или одного задания одновременно, по сути дела, не имея операционных систем. Как только мы начинаем знакомиться с деталями функционирования современных компьютерных систем, нам требуется уточнение терминологии.

Рассмотрим следующий пример. Допустим, что на жестком диске нашей вычислительной системы находится подготовленная к исполнению программа вычисления квадратного корня из натуральных чисел, и что два студента одновременно используют ее для обработки результатов лабораторных работ. Одному из них требуется извлечь корень квадратный из 1, а второму - из 4. С точки зрения студентов, они работают с одним и тем же объектом, запуская на выполнение одну и ту же программу. С точки же зрения компьютерной системы, она имеет дело с двумя различными вычислительными процессами. Разные исходные данные обуславливают разные последовательности вычислений и приводят к разным результатам, которые должны быть доставлены различным пользователям, возможно, на различные устройства ввода-вывода. Было бы странным, если бы студент, извлекающий квадратный корень из 1, получил в итоге значение 2, а студент, извлекающий квадратный корень из 4 - значение 1. Следовательно, мы не можем использовать термин "программа" в пользовательском смысле этого слова для описания того, что происходит внутри вычислительной системы.

Когда мы говорили о системах пакетной обработки, мы ввели понятие “задание” как совокупности программы, набора команд языка управления заданиями, необходимых для ее выполнения, и входных данных. С точки зрения студентов, они, подставив разные исходные данные, сформировали два различных задания. Может быть, термин “задание” подойдет нам для описания внутреннего функционирования компьютерных систем? Чтобы выяснить это, давайте рассмотрим другой пример. Пусть оба студента пытаются извлечь корень квадратный из 1, то есть, пусть они сформировали идентичные задания, но загрузили их в вычислительную систему со сдвигом по времени. В то время как одно из выполняемых заданий приступило к печати полученного значения и ждет окончания операции ввода-вывода, второе только начинает исполняться. Можем ли мы сказать об идентичности заданий внутри вычислительной системы в данный момент времени? Нет, так как состояние процесса их выполнения различно. Следовательно, и слово “задание” в пользовательском смысле не может быть использовано для описания происходящего в вычислительной системе.

Это происходит потому, что термины “программа” и “задание” предназначены для описания статических, неактивных объектов. Программа же в процессе исполнения является динамическим, активным объектом. По ходу ее работы компьютер обрабатывает различные команды и преобразует значения переменных. Для ее выполнения операционная система должна выделить определенное количество оперативной памяти, закрепить за ней определенные устройства ввода-вывода или файлы (откуда должны поступать входные данные и куда нужно доставить полученные результаты), то есть зарезервировать определенные ресурсы из общего числа ресурсов всей вычислительной системы. Их количество и конфигурация могут изменяться с течением времени. Для описания таких активных объектов внутри компьютерной системы вместо терминов “программа” и “задание” мы будем использовать новый термин “процесс”.

В ряде учебных пособий и монографий для простоты предлагается думать о процессе как об абстракции, характеризующей выполняющуюся программу. С точки зрения авторов, эта рекомендация является не совсем корректной. Понятие процесса характеризует некоторую совокупность набора исполняющихся команд, ассоциированных с ним ресурсов (выделенная для исполнения память или адресное пространство, стеки, используемые файлы и устройства ввода-вывода и т. д.) и текущего момента его выполнения (значения регистров, программного счетчика, состояние стека и значения переменных), находящуюся под управлением операционной системы. Не существует взаимно однозначного соответствия между процессами и программами, обрабатываемыми вычислительными системами. Как будет показано в дальнейшем, в некоторых операционных системах для работы определенных программ может организовываться более одного процесса или один и тот же процесс может исполнять последовательно несколько различных программ. Более того, даже в случае обработки только одной программы в рамках одного процесса, нельзя считать, что процесс представляет собой просто динамическое описание кода исполняемого файла, данных и выделенных для них ресурсов. Процесс находится под управлением операционной системы и поэтому в нем может выполняться часть кода ее ядра (не находящегося в исполняемом файле!), как в случаях, специально запланированных авторами программы (например, при использовании системных вызовов), так и в непредусмотренных ими ситуациях (например, при обработке внешних прерываний).

Состояния процесса

При использовании такой абстракции все, что выполняется в вычислительных системах (не только программы пользователей, но и, возможно, определенные части операционных систем), организовано как набор процессов. Понятно, что реально на однопроцессорной компьютерной системе в каждый момент времени может исполняться только один процесс. Для мультипрограммных вычислительных систем псевдопараллельная обработка нескольких процессов достигается с помощью переключения процессора с одного процесса на другой. Пока один процесс выполняется, остальные ждут своей очереди на получение процессора.

Как видим, каждый процесс может находиться как минимум в двух состояниях: процесс исполняется и процесс не исполняется. Диаграмма состояний процесса в такой модели изображена на рисунке 2.1.

Рис 2.1. Простейшая диаграмма состояний процесса.

Процесс, находящийся в состоянии процесс исполняется, может через некоторое время завершиться или быть приостановлен операционной системой и снова переведен в состояние процесс не исполняется. Приостановка процесса происходит по одной из двух причин: для его дальнейшей работы потребовалось возникновение какого-либо события (например, завершения операции ввода-вывода) или истек временной интервал, отведенный операционной системой для работы этого процесса. После этого операционная система по определенному алгоритму выбирает для исполнения один из процессов, находящихся в состоянии процесс не исполняется, и переводит его в состояние процесс исполняется. Новый процесс, появляющийся в системе, первоначально помещается в состояние процесс не исполняется.

Рис. 2.2. Более подробная диаграмма состояний процесса.

Такая модель является очень грубой. Она не учитывает, в частности то, что процесс, выбранный для исполнения, может все еще ждать события, из-за которого он был приостановлен, и реально к выполнению не готов. Для того чтобы избежать такой ситуации, разобьем состояние процесс не исполняется на два новых состояния: готовность и ожидание (см. рисунок 2.2).

Всякий новый процесс, появляющийся в системе, попадает в состояние готовность. Операционная система, пользуясь каким-либо алгоритмом планирования, выбирает один из готовых процессов и переводит его в состояние исполнение. В состоянии исполнение происходит непосредственное выполнение программного кода процесса. Покинуть это состояние процесс может по трем причинам:

• либо он заканчивает свою деятельность;
• либо он не может продолжать свою работу, пока не произойдет некоторое событие, и операционная система переводит его в состояние ожидание;
• либо в результате возникновения прерывания в вычислительной системе (например, прерывания от таймера по истечении дозволенного времени выполнения) его возвращают в состояние готовность.

Наша новая модель хорошо описывает поведение процессов во время их жизни, но она не акцентирует внимания на появлении процесса в системе и его исчезновении из системы. Для полноты картины нам необходимо ввести еще два состояния процессов: рождение и закончил исполнение (см. рисунок 2.3).

Рис. 2.3. Диаграмма состояний процесса, принятая в курсе.

Теперь для появления в вычислительной системе процесс должен пройти через состояние рождение. При рождении процесс получает в свое распоряжение адресное пространство, в которое загружается программный код процесса; ему выделяются стек и системные ресурсы; устанавливается начальное значение программного счетчика этого процесса и т. д. Родившийся процесс переводится в состояние готовность. При завершении своей деятельности процесс из состояния исполнение попадает в состояние закончил исполнение.

В конкретных операционных системах состояния процесса могут быть еще более детализированы, могут появиться некоторые новые варианты переходов из состояния в состояние. Так, например, модель состояний процессов для операционной системы Windows NT содержит 7 различных состояний, а для операционной системы UNIX — 9. Тем не менее, в принципе, все операционные системы подчиняются изложенной выше модели.