Понятие процесса. Состояния процесса.

Понятие процесса

Процесс — фундаментальное понятие при изучении операционных систем.

Современные компьютеры умеют делать несколько дел одновременно. В многозадачной системе процессор переключается между задачами, выделяя им по немногу времени, причем в каждый отдельный момент процессор может работать только над одной задачей, но переключение между процессами происходит достаточно часто, чтобы у пользователя возникла иллюзия многозадачности. Для упрощения работы с несколькими задачами одновременно было введено понятие процесс.

Все функционирующее в данный момент программное обеспечение организованно в виде процессов. Процесс — это выполняющаяся программа включая текущие значения счетчиков команд, регистров и переменных. Такая модель подразумевает, что каждый отдельный процесс думает, что у него есть свой собственный процессор, который он и эксплуатирует и, получается, что сколько в данный момент выполняется процессов, столько в системе виртуальных процессоров, но на самом деле физический процессор один. Действительно, проще представить себе систему как набор параллельно работающих процессов, чем представить себе процессор, переключающийся от программы к программе.

Итак, процесс характеризует некоторую совокупность набора исполняющихся команд, ассоциированных с ним ресурсов и текущего момента его выполнения, находящуюся под управлением операционной системы.

Важно понимать различие между процессом и программой.

Процесс при его создании и управлении им операционной системой включает следующую основную информацию:

• Счетчик команд (program counter - PC) – адрес текущей выполняемой команды процесса; обычно хранится в специальном системном регистре аппаратуры;
• Стек (stack) – резидентная область основной памяти, выделяемая операционной системой при создании процесса, в которой хранятся локальные данные процедур процесса, их параметры (аргументы) и связующая информация между ними, необходимая для организации вычислений. При запуске очередной процедуры в стеке отводится запись активации (activation record),называемая также стековым фреймом (stack frame) и областью локальных данных (local data area) для хранения локальных данных текущего поколения (запуска) процедуры. По окончании ее выполнения запись активации удаляется из стека;
• Секция данных (data section) – статическая (постоянно выделенная, неизменного размера) область основной памяти, выделяемая операционной системой процессу, в которой хранятся его глобальные переменные, массивы, структуры, объекты.
• Исполняемый код (команды) процесса первоначально хранится во вторичной памяти (на диске) и загружается в основную память полностью или частично при обращении к нему.

Состояния процесса

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.

Диспетчеризация процессов. Планировщики процессов.

Основные понятия диспетчеризации процессов

Диспетчеризация процессора – распределение его времени между процессами в системе. Цель диспетчеризации – максимальная загрузка процессора, достигаемая с помощью мультипрограммирования.

Исполнение любого процесса можно рассматривать как цикл CPU / I-O – чередование периодов использования процессора и ожидания ввода-вывода.

Распределение периодов активности процессора (bursts) и ввода-вывода изображено на рис. 11.1.

1. 
   Рис. 11.1. Последовательность активных фаз процессора и фаз ввода-вывода.

Планировщики, выполняющие диспетчеризацию процессов

Планировщик – компонента ОС, которая выбирает один из нескольких процессов, загруженных в память и готовых к выполнению, и выделяет процессор для одного из них.

Решения по диспетчеризации могут быть приняты в случаях, если процесс:

1. Переключается из состояния выполнения в состояние ожидания.
2. Переключается из состояния выполнения в состояние готовности к выполнению.
3. Переключается из состояния ожидания в состояние готовности.
4. Завершается.

В операционной системе диспетчеризация процессов выполняется обычно несколькими планировщиками,каждый из которых имеет свою периодичность вызовов и свою определенную задачу, которую он решает.

Долговременный планировщик (планировщик заданий) определяет, какие процессы должны быть перемещены в очередь готовых процессов.

Кратковременный планировщик (планировщик процессора) – определяет, какие процессы должны быть выполнены следующими и каким процессам должен быть предоставлен процессор.

Для реализации режима разделения времени в систему может быть добавлен также планировщик откачки и подкачки процессов, определяющий, какие пользовательские процессы должны быть подкачаны в память или откачаны на диск.

Особенности планировщиков и процессов. Каждый планировщик имеет свои особенности поведения, как и каждый процесс.

Кратковременный планировщик вызывается очень часто, по крайней мере не реже, чем по истечение очередного кванта времени процессора. Поэтому он должен быть очень быстрым, максимально эффективно реализованным. Понятно, что недопустимо, например, если время работы этого планировщика окажется сравнимым с размером самого кванта времени – слишком велики будут накладные расходы.

Долговременный планировщик вызывается относительно редко, так как система не столь часто принимает решения о переводе процесса в очередь готовых процессов. Поэтому он может быть сравнительно медленным, не столь эффективно реализованным.

Однако, поскольку основной задачей системы в целом остается обслуживание как можно большего числа процессов, именно долговременный планировщик определяет степень (коэффициент) мультипрограммирования – число процессов, которое обслуживает система в единицу времени.

Сами процессы также могут вести себя по-разному, с точки зрения их диспетчеризации. Процессы могут быть:

• Ориентированными на ввод-вывод (I/O-bound) – процессы, которые тратят больше времени на ввод-вывод, чем на вычисления. Такие процессы обычно расходуют много коротких квантов процессорного времени.
• Ориентированные на использование процессора (CPU-bound) – процессы, которые тратят основное время на вычисления. Такие процессы расходуют небольшое число долговременных квантов процессорного времени.