Управление процессами и потоками кратко

Обновлено: 16.05.2024

Подсистема управления процессами и потоками ответственна за обеспечение процессов необходимыми ресурсами компьютера. В последнее время все чаще используется параллельные вычисления в рамках одного процесса. Примером необходимости распараллеливания является сетевой сервер баз данных. В этом случае параллелизм желателен как для обслуживания различных запросов к базе данных, так и для более быстрого выполнения отдельного запроса за счет одновременного просмотра различных записей базы.

Средством распараллеливания вычислений в современных ОС является механизм многопоточной обработки. При этом вводится новая единица работы – поток выполнения.

Понятию поток выполнения соответствует последовательный переход процессора от одной команды программы к другой.

Операционная система распределяет процессорное время между потоками. Процессу назначается адресное пространство и набор ресурсов, которые совместно используются всеми потоками.

Создание потоков требует от ОС меньше накладных расходов, чем процессов. В отличие от процессов, которые принадлежат разным конкурирующим за ресурсы приложениям, все потоки одного процесса всегда принадлежат одному приложению. Вследствие этого операционная система изолирует потоки в гораздо меньшей степени, нежели процессы в традиционной мультипрограммной системе. Чтобы организовать взаимодействие и обмен данными, потокам не требуется обращаться к ОС, им достаточно использовать общую память – один поток записывает данные, а другой их читает.

Таким образом, мультипрограммирование более эффективно на уровне потоков, а не задач. Каждый поток имеет в процессоре собственный счетчик команд и стек. Задача, оформленная в виде нескольких потоков в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет псевдопараллельного (или параллельного в мультипроцессорных системах) выполнения ее отдельных частей. Особенно эффективна многопоточность в мультипроцессорных системах.

Создание процессов и потоков.

Создать процесс – это, прежде всего, означает создать описатель процесса(дескриптор процесса),в котором содержатся все сведения о процессе, необходимые операционной системе для управления им. Обычно описатель процесса состоит из двух частей – собственно дескриптора и контекста процесса, которые доступны только ядру ОС.

Дескриптор содержит информацию о процессе, необходимую ядру ОС в течение всего жизненного цикла процесса независимо от того, находится он в активном или пассивном состоянии. Дескрипторы отдельных процессов хранятся в таблице процессов, которая постоянно находится в оперативной памяти ядра операционной системы. В дескрипторе имеется указатель на место расположения контекста процесса.

Контекст процесса содержит менее оперативную, но более объемную часть информации о процессе, необходимую для возобновления процесса с прерванного места: содержимое регистров процессора, информацию о всех открытых данным процессом файлах, незавершенные операции ввода-вывода и другие данные. Контекст находится в оперативной памяти непосредственно рядом с образом процесса и перемещается вместе с ним на диск, если есть в этом необходимость.

Создание процесса включает загрузку кодов и данных исполняемой программы с диска в выделенную область оперативной памяти или в область подкачки – специальную область диска, где хранятся вытесненные из оперативной памяти процессы.

Создание описателя процесса знаменует собой появление в системе еще одного претендента на вычислительные ресурсы. Начиная с этого момента при распределении ресурсов ОС должна принимать во внимание потребности нового процесса.

При выполнении этих действий подсистема управления процессами тесно взаимодействует с подсистемой управления памятью и файловой системой.

В многопоточной системе операционная система при создании процесса создает для каждого процесса как минимум один поток выполнения. При этом так же, как и при создании процесса, операционная система генерирует специальную информационную структуру – описатель потока.

В исходном состоянии поток (или процесс – для систем без многопоточности) находится в приостановленном состоянии. Момент выборки потока на выполнение осуществляется в соответствии с принятым в данной системе правилом предоставления процессорного времени и с учетом всех существующих в системе процессов и потоков.

Планирование и диспетчеризация потоков.

На протяжении существования процесса выполнение его потоков может быть неоднократно прервано и продолжено. Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации.

Планирование – это работа операционной системы по определению того, в какой момент необходимо прервать выполнение текущего активного потока и какому потоку предоставить возможность выполняться.

В большинстве ОС универсального назначения планирование осуществляется динамически, то есть решения принимаются во время работы системы на основе анализа текущей ситуации.

Почти во всех современных ОС реализованы вытесняющие алгоритмы планирования потоков, в которых решение о переключении процессора с выполнения одного потока на другой принимается операционной системой.

При планировании потоков, как правило, применяются смешанные алгоритмы планирования, основанные как на квантовании (выделении потоку кванта времени использования процессора), так и на приоритетах.

В основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора потока из очереди готовых определяется приоритетом потоков. При этом могут приниматься во внимание не только приоритет потоков, но время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения и другие факторы. Часто низкоприоритетным процессам выделяется больший квант времени, чем высокоприоритетным. Поэтому хотя они и реже получают доступ к процессору, но зато дольше его могут занять.

Операционная система планирует выполнение потоков независимо от того, принадлежат ли они одному процессу или разным.

Диспетчеризация – это реализация найденного в результате планирования решения, то есть сам процесс переключения процессора с одного потока на другой.

Диспетчеризация сводится к следующему:

· сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить;

· загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования;

· запуск нового потока на выполнение.

В контексте потока можно выделить часть, общую для всех потоков процесса, и часть, относящуюся только к данному потоку. Потому часто общую часть выделяют как глобальный контекст, доступный всем потокам процесса и который не надо менять при смене потоков одного процесса. Меняется только локальный контекст, необходимый конкретному потоку. Это ускоряет переключение потоков.

В мультипрограммной системе поток может находиться в одном из трех основных состояний:

· выполнение – активное состояние потока, когда он выполняется процессором;

· ожидание – пассивное состояние потока, когда он заблокирован по своим внутренним причинам (ждет осуществления некоторого события или освобождения необходимого ресурса, кроме процессора);

· готовность– пассивное состояние потока, когда он заблокирован внешними обстоятельствами, то есть готов использовать процессор, но ему его не дают.

В состоянии выполнения в однопроцессорной системе может находиться не более одного потока, а в других состояниях – по несколько потоков, которые образуют очереди ожидающих и готовых потоков.

Для того чтобы процессы не могли вмешаться в распределение ресурсов, а также не могли повредить коды и данные друг друга, важнейшей задачей ОС является изоляция одного процесса от другого. Для этого операционная система обеспечивает каждый процесс отдельным виртуальным адресным пространством, так что ни один процесс не может получить прямого доступа к командам и данным другого процесса.

В ОС, где существуют процессы и потоки, процесс рассматривается как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Этот важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы – потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд. Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации. Работа по определению момента, в который необходимо прервать выполнение текущего потока, и потока, которому следует предоставить возможность выполняться, называется планированием. Планирование потоков осуществляется на основе информации, хранящейся в описателях процессов и потоков. При планировании принимается во внимание приоритет потоков, время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения, интенсивность обращения к вводу-выводу и другие факторы.

Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования решения, т.е. в переключении процессора с одного потока на другой. Диспетчеризация проходит в три этапа:

сохранение контекста текущего потока;
загрузка контекста потока, выбранного в результате планирования;
запуск нового потока на выполнение.

Когда в системе одновременно выполняется несколько независимых задач, возникают дополнительные проблемы. Хотя потоки возникают и выполняются синхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например, при обмене данными. Для общения друг с другом процессы и потоки могут использовать широкий спектр возможностей: каналы (в UNIX), почтовые ящики (Windows), вызов удаленной процедуры, сокеты (в Windows соединяют процессы на разных машинах). Согласование скоростей потоков также очень важно для предотвращения эффекта "гонок" (когда несколько потоков пытаются изменить один и тот же файл), взаимных блокировок и других коллизий, которые возникают при совместном использовании ресурсов.

Синхронизация потоков является одной из важнейших функций подсистемы управления процессами и потоками. Современные операционные системы предоставляют множество механизмов синхронизации, включая семафоры, мьютексы, критические области и события. Все эти механизмы работают с потоками, а не с процессами. Поэтому когда поток блокируется на семафоре, другие потоки этого процесса могут продолжать работу.

Каждый раз, когда процесс завершается, – а это происходит благодаря одному из следующих событий: обычный выход, выход по ошибке, выход по неисправимой ошибке, уничтожение другим процессом – ОС предпринимает шаги, чтобы "зачистить следы" его пребывания в системе. Подсистема управления процессами закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области оперативной памяти, отведенные под коды, данные и системные информационные структуры процесса. Выполняется коррекция всевозможных очередей ОС и список ресурсов, в которых имелись ссылки на завершаемый процесс.

Механизм многопоточной обработки (multithreading).

Понятию "поток" соответствует последовательный переход процессора от одной команды к другой. Процессору ОС назначают адресное пространство и набор ресурсов, которые совместно используются всеми его потоками. В отличие от процессов, которые принадлежат, вообще говоря, конкурирующим приложениям, все потоки одного процесса всегда принадлежат одному приложению, поэтому ОС изолирует потоки в гораздо меньшей степени, чем процессы в традиционной мультипрограммной системе. Все потоки одного процесса используют общие файлы, таймеры, устройства, одну и ту же область оперативной памяти, одно и то же адресное пространство.

Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к любому виртуальному адресу, один поток может задействовать стек другого потока. Между потоками одного процесса нет полной защиты, во-первых, потому что это невозможно, а во-вторых, потому что не нужно. Чтобы организовать взаимодействие и обмен данными, потокам не требуется обращаться к ОС, им достаточно использовать общую память – один поток записывает данные, а другой читает их. С другой стороны, потоки разных процессов по-прежнему хорошо защищены друг от друга.

При управлении процессами ОС использует два основных типа информационных структур: блок управления процессом (дескриптор процесса) и контекст процесса. Дескрипторы процессов объединяются в таблицу процессов, которая размещается в области ядра. На основании информации, содержащейся в таблице процессов, ОС осуществляет планирование и синхронизацию процессов.

В дескрипторе (блоке управления) процесса содержится такая информация о процессе, которая необходима ядру в течение всего жизненного цикла процесса независимо от того, находится он в активном или пассивном состоянии и находится ли образ в оперативной памяти или на диске. Эту информацию можно разделить на три категории:

Информация по состоянию и управлению процессом включает следующие основные данные:

(выполняющийся, готовый к выполнению, ожидающий какого-либо события, приостановленный);

позволит продолжить выполнение процесса;

оперативной памяти и на диске;

между двумя независимыми процессами;

области памяти или возможности выполнять определенные виды команд, использовать системные утилиты и службы;

зависит от алгоритма планирования. Сюда относятся, например, такие данные, как время ожидания или время, в течение которого процесс выполнялся при последнем запуске, количество выполненных операций ввода-вывода и др.

Контекст процесса содержит информацию, позволяющую системе приостанавливать и возобновлять выполнение процесса с прерванного места.

В контексте процесса содержится следующая основная информация:

арифметической или логической операции (например, знак равенства нулю, переполнения);

Потоки, процессы, контексты.

Системный вызов (syscall). Данное понятие, вы будете встречать достаточно часто в данной статье, однако несмотря на всю мощь звучания, его определение достаточно простое :) Системный вызов — это процесс вызова функции ядра, из приложение пользователя. Режим ядра — код, который выполняется в нулевом кольце защиты процессора (ring0) с максимальными привилегиями. Режим пользователя — код, исполняемый в третьем кольце защиты процессора (ring3), обладает пониженными привилегиями. Если код в ring3 будет использовать одну из запрещенных инструкций (к примеру rdmsr/wrmsr, in/out, попытку чтения регистра cr3, cr4 и т.д.), сработает аппаратное исключение и пользовательский процесс, чей код исполнял процессор в большинстве случаях будет прерван. Системный вызов осуществляет переход из режима ядра в режим пользователя с помощью вызова инструкции syscall/sysenter, int2eh в Win2k, int80h в Linux и т.д.

И так, что же такое поток? Поток (thread) — это, сущность операционной системы, процесс выполнения на процессоре набора инструкций, точнее говоря программного кода. Общее назначение потоков — параллельное выполнение на процессоре двух или более различных задач. Как можно догадаться, потоки были первым шагом на пути к многозадачным ОС. Планировщик ОС, руководствуясь приоритетом потока, распределяет кванты времени между разными потоками и ставит потоки на выполнение.

На ряду с потоком, существует также такая сущность, как процесс. Процесс (process) — не что более иное, как некая абстракция, которая инкапсулирует в себе все ресурсы процесса (открытые файлы, файлы отображенные в память. ) и их дескрипторы, потоки и т.д. Каждый процесс имеет как минимум один поток. Также каждый процесс имеет свое собственное виртуальное адресное пространство и контекст выполнения, а потоки одного процесса разделяют адресное пространство процесса.

Регистры процессора.
Указатель на стек потока/процесса.

Если ваша задача требует интенсивного распараллеливания, используйте потоки одного процесса, вместо нескольких процессов. Все потому, что переключение контекста процесса происходит гораздо медленнее, чем контекста потока.
При использовании потока, старайтесь не злоупотреблять средствами синхронизации, которые требуют системных вызовов ядра (например мьютексы). Переключение в редим ядра — дорогостоящая операция!
Если вы пишете код, исполняемый в ring0 (к примеру драйвер), старайтесь обойтись без использования дополнительных потоков, так как смена контекста потока — дорогостоящая операция.

Классификация потоков

По отображению в ядро: 1:1, N:M, N:1
По многозадачной модели: вытесняющая многозадачность (preemptive multitasking), кооперативная многозадачность (cooperative multitasking).
По уровню реализации: режим ядра, режим польователя, гибридная реализация.

Классификация потоков по отображению в режим ядра

Центральный планировщик ОС режима ядра, который распределяет время между любым потоком в системе.
Планировщик библиотеки потоков. У библиотеки потоков режима пользователя может быть свой планировщик, который распределяет время между потоками различных процессов режима пользователя.
Планировщик потоков процесса. Уже рассмотренные нами волокна, ставятся на выполнение именно таким способом. К примеру свой Thread Manager есть у каждого процесса Mac OS X, написанного с использованием библиотеки Carbon.

Модель N:M отображает некоторое число потоков пользовательских процессов N на M потоков режима ядра. Проще говоря имеем некую гибридную систему, когда часть потоков ставится на выполнение в планировщике ОС, а большая их часть в планировщике потоков процесса или библиотеки потоков. Как пример можно привести GNU Portable Threads. Данная модель достаточно трудно реализуема, но обладает большей производительностью, так как можно избежать значительного количества системных вызовов.

Модель N:1. Как вы наверное догадались — множество потоков пользовательского процесса отображаются на один поток ядра ОС. Например волокна.

Классификация потоков по многозадачной модели

Во времена DOS, когда однозадачные ОС перестали удовлетворять потребителя, программисты и архитекторы задумали реализовать многозадачную ОС. Самое простое решение было следующим: взять общее количество потоков, определить какой-нибудь минимальный интервал выполнения одного потока, да взять и разделить между всеми -братьями- потоками время выполнения поровну. Так и появилось понятие кооперативной многозадачности (cooperative multitasking), т.е. все потоки выполняются поочередно, с равным временем выполнения. Никакой другой поток, не может вытеснить текущий выполняющийся поток. Такой очень простой и очевидный подход нашел свое применение во всех версиях Mac OS вплоть до Mac OS X, также в Windows до Windows 95, и Windows NT. До сих пор кооперативная многозадачность используется в Win32 для запуска 16 битных приложений. Также для обеспечения совместимости, cooperative multitasking используется менеджером потоков в Carbon приложениях для Mac OS X.

Однако, кооперативная многозадачность со временем показала свою несостоятельность. Росли объемы данных хранимых на винчестерах, росла также скорость передачи данных в сетях. Стало понятно, что некоторые потоки должны иметь больший приоритет, как-то потоки обслуживания прерываний устройств, обработки синхронных IO операций и т.д. В это время каждый поток и процесс в системе обзавелся таким свойством, как приоритет. Подробнее о приоритетах потоков и процессов в Win32 API вы можете прочесть в книге Джефри Рихтера, мы на этом останавливатся не будем ;) Таким образом поток с большим приоритетом, может вытеснить поток с меньшим. Такой прицип лег в основу вытесняющей многозадачности (preemptive multitasking). Сейчас все современные ОС используют данный подход, за исключением реализации волокон в пользовательском режиме.

Классификация потоков по уровню реализации

Реализация потоков на уровне ядра. Проще говоря, это классическая 1:1 модель. Под эту категорию подпадают:
- Потоки Win32.
- Реализация Posix Threads в Linux — Native Posix Threads Library (NPTL). Дело в том, что до версии ядра 2.6 pthreads в Linux был целиком и полностью реализован в режиме пользователя (LinuxThreads). LinuxThreads реализовывалf модель 1:1 следующим образом: при создании нового потока, библиотека осуществляла системный вызов clone, и создавало новый процесс, который тем не менее разделял единое адресное пространство с родительским. Это породило множество проблем, к примеру потоки имели разные идентификаторы процесса, что противоречило некоторым аспектам стандарта Posix, которые касаются планировщика, сигналов, примитивов синхронизации. Также модель вытеснения потоков, работала во многих случаях с ошибками, по этому поддержку pthread решено было положить на плечи ядра. Сразу две разработки велись в данном направлении компаниями IBM и Red Hat. Однако, реализация IBM не снискала должной популярности, и не была включена ни в один из дистрибутивов, потому IBM приостановила дальнейшую разработку и поддержку библиотеки (NGPT). Позднее NPTL вошли в библиотеку glibc.
- Легковесные ядерны потоки (Leight Weight Kernel Threads — LWKT), например в DragonFlyBSD. Отличие этих потоков, от других потоков режима ядра в том, что легковесные ядерные потоки могут вытеснять другие ядерные потоки. В DragonFlyBSD существует множество ядерных потоков, например поток обслуживания аппаратных прерываний, поток обслуживания программных прерываний и т.д. Все они работают с фиксированным приоритетом, так вот LWKT могут вытеснять эти потоки (preempt). Конечно это уже более специфические вещи, про которые можно говорить бесконечно, но приведу еще два примера. В Windows все потоки ядра выполняются либо в контексте потока инициировавшего системный вызов/IO операцию, либо в контексте потока системного процесса system. В Mac OS X существует еще более интересная система. В ядре есть лишь понятие task, т.е. задачи. Все операции ядра выполняются в контексте kernel_task. Обработка аппаратного прерывания, к примеру, происходит в контексте потока драйвера, который обслуживает данное прерывание.
Реализация потоков в пользовательском режиме. Так как, системный вызов и смена контекста — достаточно тяжелые операции, идея реализовать поддержку потоков в режиме пользователя витает в воздухе давно. Множество попыток было сделано, однако данная методика популярности не обрела:
- GNU Portable Threads — реализация Posix Threads в пользовательском режиме. Основное преимущество — высокая портабельность данной библиотеки, проще говоря она может быть легко перенесена на другие ОС. Проблему вытиснения потоков в данной библиотеке решили очень просто — потоки в ней не вытесняются :) Ну и конечно ни о какой мультмпроцессорности речь идти не может. Данная библиотека реализует модель N:1.
- Carbon Threads, которые я упоминал уже не раз, и RealBasic Threads.
Гибридная реализация. Попытка использовать все преимущества первого и второго подхода, но как правило подобные мутанты обладают гораздо бОльшими недостатками, нежели достоинствами. Один из примеров: реализация Posix Threads в NetBSD по модели N:M, которая была посже заменена на систему 1:1. Более подробно вы можете прочесть в публикации Scheduler Activations: Effective Kernel Support for the User-Level Management of Parallelism.

Win32 API Threads

Если вы все еще не устали, предлагаю небольшой обзор API для работы с потоками и средствами синхронизации в win32 API. Если вы уже знакомы с материалом, можете смело пропускать этот раздел ;)

Средства синхронихации в Win32 есть двух типов: реализованные на уровне пользователя, и на уровне ядра. Первые — это критические секции (critical section), к второму набору относят мьютексы (mutex), события (event) и семафоры (semaphore).

Критические секции — легковесный механизм синхронизации, который работает на уровне пользовательского процесса и не использует тяжелых системных вызовов. Он основан на механизме взаимных блокировок или спин локов (spin lock). Поток, который желает обезопасить определенные данные от race conditions вызывает функцию EnterCliticalSection/TryEnterCriticalSection. Если критическая секция свободна — поток занимает ее, если же нет — поток блокируется (т.е. не выполняется и не отъедает процессорное время) до тех пор, пока секция не будет освобождена другим потоком с помощью вызова функции LeaveCriticalSection. Данные функции — атомарные, т.е. вы можете не переживать за целостность ваших данных ;)

Они использует примитивы ядра при выполнении, т.е. системные вызовы, что сказывается не производительности.
Могут быть именованными и не именованными, т.е. каждому такому объекту синхронизации можно присвоить имя.
Работают на уровне системы, а не на уровне процесса, т.е. могут служить механизмом межпроцессного взаимодействия (IPC).
Используют для ожидания и захвата примитива единую функцию: WaitForSingleObject/WaitForMultipleObjects.

Posix Threads или pthreads

Сложно представить, какая из *nix подобных операционных систем, не реализует этот стандарт. Стоит отметить, что pthreads также используется в различных операционных системах реального времени (RTOS), потому требование к этой библиотеке (вернее стандарту) — жестче. К примеру, поток pthread не может пребывать в состоянии сна. Также в pthread нет событий, но есть гораздо более мощный механизм — условных переменных (conditional variables), который с лихвой покрывает все необходимые нужды.

Поговорим об отличиях. К примеру, поток в pthreads может быть отменен (cancel), т.е. просто снят с выполнения посредством системного вызова pthread_cancel в момент ожидания освобождения какого-нибудь мьютекса или условной переменной, в момент выполнения вызова pthread_join (вызывающий поток блокируется до тех пор, пока не закончит свое выполнение поток, приминительно к которому была вызвана функция) и т.д. Для работы с мьютексами и семафорами существует отдельные вызовы, как-то pthread_mutex_lock/pthread_mutex_unlock и т.д.

Conditional variables (cv) обычно используется в паре с мьютексами в более сложных случаях. Если мьютекс просто блокирует поток, до тех пор, пока другой поток не освободит его, то cv создают условия, когда поток может заблокировать сам себя до тех пор, пока не произойдет какое-либо условия разблокировки. Например, механизм cv помогает эмулировать события в среде pthreads. Итак, системный вызов pthread_cond_wait ждет, пока поток не будет уведомлен о том, что случилось определенное событие. pthread_cond_signal уведомляет один поток из очереди, что cv сработала. pthread_cond_broadcast уведомляет все потоки, которые вызывали pthread_cond_wait, что сработала cv.

Прощальное слово

На сегодня пожалуй все, иначе информации станет слишком много. Для интересующихся, есть несколько полезных ссылок и книг внизу ;) Также высказывайте свое мнение, интересны ли вам статьи по данной теме.

UPD: дополнил статью небольшой информацией о режиме ядра и режиме пользователя.
UPD2: исправил досадные промахи и ошибки. Спасибо комментаторам ;)

Процесс (задача) - программа, находящаяся в режиме выполнения.

С каждым процессом связывается его адресное пространство, из которого он может читать и в которое он может писать данные.

Адресное пространство содержит:

данные к программе

С каждым процессом связывается набор регистров, например:

счетчика команд (в процессоре) - регистр в котором содержится адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того как команда выбрана из памяти, счетчик команд корректируется и указатель переходит к следующей команде.

Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, дополнительная к содержимому его собственного адресного пространства, хранится в таблице процессов операционной системы.

Некоторые поля таблицы:

Управление процессом

Управление памятью

Управление файлами

Время начала процесса

Использованное процессорное время

Указатель на текстовый сегмент

Указатель на сегмент данных

Указатель на сегмент стека

4.1.2 Модель процесса

В многозадачной системе реальный процессор переключается с процесса на процесс, но для упрощения модели рассматривается набор процессов, идущих параллельно (псевдопараллельно).

Рассмотрим схему с четырьмя работающими программами.

В каждый момент времени активен только один процесс

С права представлены параллельно работающие процессы, каждый со своим счетчиком команд. Разумеется, 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 памяти, в логическом счетчике команд процесса.

4.1.3 Создание процесса

Три основных события, приводящие к созданию процессов (вызов fork или CreateProcess):

Работающий процесс подает системный вызов на создание процесса

Запрос пользователя на создание процесса

Во всех случаях, активный текущий процесс посылает системный вызов на создание нового процесса.

В UNIX каждому процессу присваивается идентификатор процесса ( PID - Process IDentifier)

4.1.4 Завершение процесса

Четыре события, приводящие к остановке процесса (вызов exit или ExitProcess):

Плановое завершение (окончание выполнения)

Плановый выход по известной ошибке (например, отсутствие файла)

Выход по неисправимой ошибке (ошибка в программе)

Уничтожение другим процессом

Таким образом, приостановленный процесс состоит из собственного адресного пространства, обычно называемого образом памяти (core image), и компонентов таблицы процессов (в числе компонентов и его регистры).

4.1.5 Иерархия процессов

В UNIX системах заложена жесткая иерархия процессов. Каждый новый процесс созданный системным вызовом fork, является дочерним к предыдущему процессу. Дочернему процессу достаются от родительского переменные, регистры и т.п. После вызова fork, как только родительские данные скопированы, последующие изменения в одном из процессов не влияют на другой, но процессы помнят о том, кто является родительским.

В таком случае в UNIX существует и прародитель всех процессов - процесс init.

Дерево процессов для систем UNIX

4.1.6 Состояние процессов

Три состояния процесса:

Выполнение (занимает процессор)

Готовность (процесс временно приостановлен, чтобы позволить выполняться другому процессу)

Ожидание (процесс не может быть запущен по своим внутренним причинам, например, ожидая операции ввода/вывода)

Возможные переходы между состояниями.

1. Процесс блокируется, ожидая входных данных

2. Планировщик выбирает другой процесс

3. Планировщик выбирает этот процесс

4. Поступили входные данные

Переходы 2 и 3 вызываются планировщиком процессов операционной системы, так что сами процессы даже не знают о этих переходах. С точки зрения самих процессов есть два состояния выполнения и ожидания.

На серверах для ускорения ответа на запрос клиента, часто загружают несколько процессов в режим ожидания, и как только сервер получит запрос, процесс переходит из "ожидания" в "выполнение". Этот переход выполняется намного быстрее, чем запуск нового процесса.

4.2 Потоки (нити, облегченный процесс)

4.2.1 Понятие потока

Каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный поток исполняемых команд. В многопользовательских системах, при каждом обращении к одному и тому же сервису, приходится создавать новый процесс для обслуживания клиента. Это менее выгодно, чем создать квазипараллельный поток внутри этого процесса с одним адресным пространством.

Сравнение многопоточной системы с однопоточной

4.2.2 Модель потока

С каждым потоком связывается:

Счетчик выполнения команд

Регистры для текущих переменных

Потоки делят между собой элементы своего процесса:

В остальном модель идентична модели процессов.

В POSIX и Windows есть поддержка потоков на уровне ядра.

4.2.3 Преимущества использования потоков

Упрощение программы в некоторых случаях, за счет использования общего адресного пространства.

Быстрота создания потока, по сравнению с процессом, примерно в 100 раз.

Повышение производительности самой программы, т.к. есть возможность одновременно выполнять вычисления на процессоре и операцию ввода/вывода. Пример: текстовый редактор с тремя потоками может одновременно взаимодействовать с пользователем, форматировать текст и записывать на диск резервную копию.

4.2.4 Реализация потоков в пространстве пользователя, ядра и смешанное

А - потоки в пространстве пользователя

B - потоки в пространстве ядра

В случае А ядро о потоках ничего не знает. Каждому процессу необходима таблица потоков, аналогичная таблице процессов.

Преимущества случая А:

Такую многопоточность можно реализовать на ядре не поддерживающим многопоточность

Более быстрое переключение, создание и завершение потоков

Процесс может иметь собственный алгоритм планирования.

Недостатки случая А:

Отсутствие прерывания по таймеру внутри одного процесса

При использовании блокирующего (процесс переводится в режим ожидания, например: чтение с клавиатуры, а данные не поступают) системного запроса все остальные потоки блокируются.

дной из основных подсистем любой современной мультипрограммной ОС, непосредственно влияющей на функционирование компьютера, является подсистема управления процессами и потоками. Основные функции этой подсистемы:

· создание процессов и потоков;

· обеспечение процессов и потоков необходимыми ресурсами;

· изоляция процессов;

· планирование выполнения процессов и потоков (вообще, следует говорить и о планировании заданий);

· диспетчеризация потоков;

· организация межпроцессного взаимодействия;

· синхронизация процессов и потоков;

· завершение и уничтожение процессов и потоков.

К созданию процесса приводят пять основных событий:

1. инициализация ОС (загрузка);

2. выполнение запроса работающего процесса на создание процесса;

3. запрос пользователя на создание процесса, например, при входе в систему в интерактивном режиме;

4. инициирование пакетного задания;

5. создание операционной системой процесса, необходимого для работы каких-либо служб.

Обычно при загрузке ОС создаются несколько процессов. Некоторые из них являются высокоприоритетными процессами, обеспечивающими взаимодействие с пользователями и выполняющими заданную работу. Остальные процессы являются фоновыми, они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции – например, связанные с электронной почтой, Web-страницами, выводом на печать, передачей файлов по сети, периодическим запуском программ (например, дефрагментации дисков) и т.д. Фоновые процессы называют демонами.

Новый процесс может быть создан по запросу текущего процесса. Создание новых процессов полезно в тех случаях, когда выполняемую задачу проще всего сформировать как набор связанных, но, тем не менее, независимых взаимодействующих процессов. В интерактивных системах пользователь может запустить программу, набрав на клавиатуре команду или дважды щелкнув на значке программы. В обоих случаях создается новый процесс и запуск в нем программы. В системах пакетной обработки на мэйнфреймах пользователи посылают задание (возможно, с использованием удаленного доступа), а ОС создает новый процесс и запускает следующее задание из очереди, 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. Подсистема управления процессами и потоками отвечает за обеспечение процессов необходимыми ресурсами. ОС поддерживает в памяти специальные информационные структуры, в которые записывает, какие ресурсы выделены каждому процессу. Она может назначить процессу ресурсы в единоличное пользование или совместное пользование с другими процессами. Некоторые из ресурсов выделяются процессу при его создании, а некоторые – динамически по запросам во время выполнения. Ресурсы могут быть выделены процессу на все время его жизни или только на определенный период. При выполнении этих функций подсистема управления процессами взаимодействует с другими подсистемами ОС, ответственными за управление ресурсами, такими как подсистема управления памятью, подсистема ввода-вывода, файловая система.

· сохранение контекста текущего потока;

· загрузка контекста потока, выбранного в результате планирования;

· запуск нового потока на выполнение.

Синхронизация потоков является одной из важнейших функций подсистемы управления процессами и потоками. Современные операционные системы предоставляют множество механизмов синхронизации, включая семафоры, мьютексы, критические области и события. Все эти механизмы работают с потоками, а не с процессами. Поэтому, когда поток блокируется на семафоре, другие потоки этого процесса могут продолжать работу.

Как уже отмечалось, чтобы поддержать мультипрограммирование, ОС должна оформить для себя те внутренние единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. Возникает вопрос: в чем принципиальное отличие этих единиц работы, какой эффект мультипрограммирования можно получить от их применения и в каких случаях эти единицы работ операционной системы следует создавать?

Очевидно, что любая работа вычислительной системы заключается в выполнении некоторой программы. Поэтому и с процессом, и с потоком связывается определенный программный код, который оформляется в виде исполняемого модуля. В простейшем случае процесс состоит из одного потока, и в некоторых современных ОС сохранилось такое положение. Мультипрограммирование в таких ОС осуществляется на уровне процессов. При необходимости взаимодействия процессы обращаются к операционной системе, которая, выполняя функции посредника, предоставляет им средства межпроцессной связи – каналы, почтовые акции, разделяемые секции памяти и др.

Однако в системах, в которых отсутствует понятие потока, возникают проблемы при организации параллельных вычислений в рамках процесса. А такая необходимость может возникать. Дело в том, что отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем в однопрограммном режиме. Однако приложение, выполняемое в рамках одного процесса, может обладать внутренним параллелизмом, который, в принципе, мог бы ускорить его решение. Если, например, в программе предусмотрено обращение к внешнему устройству, то на время этой операции можно не блокировать выполнение всего процесса, а продолжить вычисления по другой ветви программы.

Параллельное выполнение нескольких работ в рамках одного интерактивного приложения повышает эффективность работы пользователя. Так, при работе с текстовым редактором желательно иметь возможность совмещения набора нового текста с такими продолжительными операциями, как переформатирование значительной части текста, сохранение его на локальном или удаленном диске.

Эти задачи можно было бы возложить на программиста, который должен был бы написать программу-диспетчер, реализующую параллелизм в рамках одного процесса. Однако это весьма сложно, да и сама программа получилась бы весьма запутанной и сложной в отладке.

Другим решением является создание для одного приложения нескольких процессов для каждой из параллельных работ. Однако использование для создания процессов стандартных средств ОС не позволяет учесть тот факт, что процессы решают единую задачу и имеют много общего: работают с одними и теми же данными, используют один и тот же кодовый сегмент, имеют одни и те же права доступа к ресурсам вычислительной системы. А операционная система при таком подходе будет рассматривать эти процессы наравне со всеми остальными процессами и обеспечивать их изоляцию друг от друга. В данном случае это будет не только бесполезная, но и вредная работа, затрудняющая обмен данными между различными частями приложения. Кроме того, на создание каждого процесса ОС тратит определенные системные ресурсы, которые в данном случае неоправданно дублируются – каждому процессу выделяется собственное виртуальное адресное пространство, физическая память, закрепляются устройства ввода-вывода и т.п.

Из изложенного следует вывод, что операционной системе наряду с процессами нужен другой механизм распараллеливания вычислений, который учитывал бы тесные связи между отдельными ветвями вычислений одного и того же приложения. Для этих целей современные ОС предлагают механизм многопоточной обработки (multithreading).

Понятию "поток" соответствует последовательный переход процессора от одной команды к другой. Процессу ОС назначают адресное пространство и набор ресурсов, которые совместно используются всеми его потоками. В отличие от процессов, которые принадлежат, вообще говоря, конкурирующим приложениям, все потоки одного процесса всегда принадлежат одному приложению, поэтому ОС изолирует потоки в гораздо меньшей степени, чем процессы в традиционной мультипрограммной системе. Все потоки одного процесса используют общие файлы, таймеры, устройства, одну и ту же область оперативной памяти, одно и то же адресное пространство.

Таким образом, мультипрограммирование более эффективно на уровне потоков, а не процессов. Еще больший эффект многопоточной обработки достигается в мультипроцессорных системах, в которых потоки могут выполняться на разных процессорах действительно параллельно.

Читайте также: