Организация вычислительного процесса

5.4. Создание процессов и потоков. Модели процессов и потоков

Создать процесс – это, прежде всего, создать описатель процесса: несколько информационных структур, содержащих все сведения (атрибуты) о процессе, необходимые операционной системе для управления им. В число таких сведений могут входить: идентификатор процесса, данные о расположении в памяти исполняемого модуля, степень привилегированности процесса (приоритет и права доступа) и т.п.

Примерами таких описателей процесса являются [10, 17]:

• блок управления задачей (ТСВ – Task Control Block) в OS/360;
• управляющий блок процесса (PCB – Process Control Block) в OS/2;
• дескриптор процесса в UNIX;
• объект-процесс (object-process) в Windows NT/2000/2003.

Создание процесса включает загрузку кодов и данных исполняемой программы данного процесса с диска в операционную память. Для этого нужно найти эту программу на диске, перераспределить оперативную память и выделить память исполняемой программе нового процесса. Кроме того, при работе программы обычно используется стек, с помощью которого реализуются вызовы процедур и передача параметров.

Множество, в которое входят программа, данные, стеки и атрибуты процесса, называется образом процесса.

Типичные элементы образа процесса приведены ниже.

Местонахождение образа процесса зависит от используемой схемы управления памятью. В большинстве современных ОС с виртуальной памятью образ процесса состоит из набора блоков (сегменты, страницы или их комбинация), не обязательно расположенных последовательно. Такая организация памяти позволяет иметь в основной памяти лишь часть образа процесса (активная часть), в то время как во вторичной памяти находится полный образ. Когда в основную память загружается часть образа, она туда не переносится, а копируется. Однако если часть образа в основной памяти модифицируется, она должна быть скопирована на диск.

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 идентификации процесса;
• информация по состоянию процесса;
• информация, используемая при управлении процессом.

Каждому процессу присваивается числовой идентификатор, который может быть просто индексом в первичной таблице процессов. В любом случае должно существовать некоторое отображение, позволяющее операционной системе найти по идентификатору процесса соответствующие ему таблицы. При создании нового процесса идентификаторы указывают родительский и дочерние процессы. В операционных системах, не поддерживающих иерархию процессов, например, в Windows 2000, все созданные процессы равноправны, но один из 18-ти параметров, возвращаемых вызывающему (родительскому) процессу, представляет собой дескриптор нового процесса. Кроме того, процессу может быть присвоен идентификатор пользователя, который указывает, кто из пользователей отвечает за данное задание.

Информация по состоянию и управлению процессом включает следующие основные данные:

• состояние процесса, определяющее готовность процесса к выполнению (выполняющийся, готовый к выполнению, ожидающий какого-либо события, приостановленный);
• данные о приоритете (текущий приоритет, по умолчанию, максимально возможный);
• информация о событиях – идентификация события, наступление которого позволит продолжить выполнение процесса;
• указатели, позволяющие определить расположение образа процесса в оперативной памяти и на диске;
• указатели на другие процессы (в частности, находящиеся в очереди на выполнение);
• флаги, сигналы и сообщения, имеющие отношение к обмену информацией между двумя независимыми процессами;
• данные о привилегиях, определяющих права доступа к определенной области памяти или возможности выполнять определенные виды команд, использовать системные утилиты и службы;
• указатели на ресурсы, которыми управляет процесс (например, перечень открытых файлов);
• сведения по истории использования ресурсов и процессора;
• информация, связанная с планированием. Эта информация во многом 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 [10]:

• содержимое регистров процессора, доступных пользователю;
• содержимое счетчика команд;
• состояние управляющих регистров и регистров состояния;
• коды условий, отражающие результат выполнения последней арифметической или логической операции (например, знак равенства нулю, переполнения);
• указатели вершин стеков, хранящие параметры и адреса вызова процедур и системных служб.

Следует заметить, что часть этой информации, известная как "слово состояния программы" (Program Status Word – PSW), фиксируется в специальном регистре процессора (например, в регистре EFLAGS в процессорах Pentium).

Самую простую модель процесса можно построить исходя из того, что в любой момент времени процесс либо выполняется, либо не выполняется, т.е. имеет только два состояния. Если бы все процессы были бы всегда готовы к выполнению, то очередь по этой схеме могла бы работать вполне эффективно. Такая очередь работает по принципу обработки в порядке поступления, а процессор обслуживает имеющиеся в наличии процессы круговым методом (Round-robin). Каждому процессу отводится определенный промежуток времени, по истечении которого он возвращается в очередь.

Однако в таком простом примере подобная реализация не является адекватной: часть процессов готова к выполнению, а часть заблокирована, например, по причине ожидания ввода-вывода. Поэтому при наличии одной очереди диспетчер не может просто выбрать для выполнения первый процесс из очереди. Перед этим он должен будет просматривать весь список, отыскивая незаблокированный процесс, который находится в очереди дальше других. Отсюда представляется естественным разделить все невыполняющиеся процессы на два типа: готовые к выполнению и заблокированные. Полезно добавить еще два состояния, как показано на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Состояния процесса

В чем достоинства и недостатки такой модели и как устранить эти недостатки? Поскольку процессор работает намного быстрее выполнения операций ввода-вывода, то вскоре все находящиеся в памяти процессы оказываются в состоянии ожидания ввода-вывода. Таким образом, процессор может простаивать даже в многозадачной системе. Что делать? Можно увеличить емкость основной памяти, чтобы в ней умещалось больше процессов.

Но такой подход имеет два недостатка: во-первых, возрастает стоимость памяти, а во-вторых, "аппетит" программиста в использовании памяти возрастает пропорционально ее объему, так что увеличение объема памяти приводит к увеличению размера процессов, а не к росту их числа. Другое решение проблемы – свопинг, перенос части процессов из оперативной памяти на диск и загрузка другого процесса из очереди приостановленных (но не блокированных!) процессов, находящихся во внешней памяти. На этом мы прервем рассмотрение модели процессов и их выполнения. Как уже отмечалось, более эффективными являются многопоточные системы. В таких системах при создании процесса ОС создается для каждого процесса минимум один поток выполнения.

При создании потоков, так же как и при создании процессов, ОС генерирует специальную информационную структуру – описатель потока, который содержит идентификатор потока, данные о правах доступа и приоритете, о состоянии потока и другую информацию. Описатель потока можно разделить на две части: атрибуты блока управления и контекст потока. Заметим, что в случае многопоточной системы процессы контекста не имеют, так как им не выделяется процессор.

Есть два способа реализации пакета потоков [17]:

• в пространстве пользователя или на уровне пользователя (User-level threads – ULT);
• в ядре или на уровне ядра (kernel-level threads – KLT).

Рассмотрим эти способы, их преимущества и недостатки.

В программе, полностью состоящей из ULT-потоков, все действия по управлению потоками выполняются самим приложением. Ядро о потоках ничего не знает и управляет обычными однопоточными процессами (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Потоки в пространстве пользователя

Наиболее явное преимущество этого подхода состоит в том, что пакет потоков на уровне пользователя можно реализовать даже в ОС, не поддерживающей потоки.

Если управление потоками происходит в пространстве пользователя, каждому процессу необходима собственная таблица потоков. Она аналогична таблице процессов с той лишь разницей, что отслеживает такие характеристики потоков, как счетчик команд, указатель вершины стека, регистры состояния и т. п. Когда поток переходит в состояние готовности или блокировки, вся информация, необходимая для повторного запуска, хранится в таблице потоков.

По умолчанию приложение в начале своей работы состоит из одного потока и его выполнение начинается как выполнение этого потока. Такое приложение вместе с составляющим его потоком размещается в одном процессе, который управляется ядром. Выполняющийся поток может породить новый поток, который будет выполняться в пределах того же процесса. Новый поток создается с помощью вызова специальной подпрограммы из библиотеки, предназначенной для работы с потоками. Передача управления этой программе происходит в результате вызова соответствующей процедуры.

Таких процедур может быть по крайней мере четыре: thread-create, thread-exit, thread-wait и thread-yield, но обычно их больше. Библиотека подпрограмм для работы с потоками создает структуру данных для нового потока, а потом передает управление одному из готовых к выполнению потоков данного процесса, руководствуясь некоторым алгоритмом планирования. Когда управление переходит к библиотечной программе, контекст текущего процесса сохраняется в таблице потоков, а когда управление возвращается к потоку, его контекст восстанавливается. Все эти события происходят в пользовательском пространстве в рамках одного процесса. Ядро даже "не подозревает" об этой деятельности и продолжает осуществлять планирование процесса как единого целого и приписывать ему единое состояние выполнения.

Использование потоков на уровне пользователя имеет следующие преимущества [17]:

1. высокая производительность, поскольку для управления потоками процессу не нужно переключаться в режим ядра и обратно. Процедура, сохраняющая информацию о потоке, и планировщики являются локальными процедурами, их вызов существенно более эффективен, чем вызов ядра;
2. имеется возможность использования различных алгоритмов планирования потоков в различных приложениях (процессах) с учетом их специфики;
3. использование потоков на пользовательском уровне применимо для любой операционной системы. Для их поддержки в ядро системы не требуется вносить каких-либо изменений.

Однако имеются и недостатки по сравнению с использованием потоков на уровне ядра:

• в типичной ОС многие системные вызовы являются блокирующими. Когда в потоке, работающем на пользовательском уровне, выполняется системный вызов, блокируется не только этот поток, но и все потоки того процесса, к которому он относится;
• в стратегии с наличием потоков только на пользовательском уровне приложение не может воспользоваться преимуществом многопроцессорной системы, так как ядро закрепляет за каждым процессом только один процессор. Поэтому несколько потоков одного и того же процесса не могут выполняться одновременно. В сущности, получается мультипрограммирование в рамках одного процесса;
• при запуске одного потока ни один другой поток не будет запущен, пока первый добровольно не отдаст процессор. Внутри одного процесса нет прерываний по таймеру, в результате чего невозможно создать планировщик для поочередного выполнения потоков.

Рассмотрим теперь потоки на уровне ядра. В этом случае в области приложения система поддержки исполнения программ не нужна, нет необходимости и в таблицах потоков в каждом процессе. Вместо этого есть единая таблица потоков, отслеживающая все потоки в системе. Если потоку необходимо создать новый поток или завершить имеющийся, он выполняет запрос ядра, который создает или завершает поток, внося изменения в таблицу потоков (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Потоки в пространстве ядра

Любое приложение можно запрограммировать как многопоточное, при этом все потоки приложения поддерживаются в рамках единого процесса. Ядро поддерживается информацией контекста процесса как единого целого, а также контекстами каждого отдельного потока процесса. Планирование осуществляется ядром, исходя из состояния потоков. С помощью такого подхода удается избавиться от основных недостатков потоков пользовательского уровня.

Возможно планирование работы нескольких потоков одного и того же процесса на нескольких процессорах:

1. реализуется мультипрограммирование в режимах нескольких процессов (вообще – всех);
2. при блокировке одного из потоков процесса ядро может выбрать для выполнения другой поток этого же процесса;
3. процедуры ядра могут быть многопоточными.

Главный недостаток связан с необходимостью двукратного переключения режимов пользовательский – ядро, ядро – пользовательский для передачи одного потока к другому в рамках одного и того же процесса.