Умение грамотно использовать основные механизмы операционных систем при разработке программного обеспечения — одно из основных условий успешного развития современного технического специалиста в области компьютерных наук. Курс «Использование механизмов операционных систем в разработке программного обеспечения» поможет: • расширить знание в области компьютерных наук и в области ОС; • научится грамотно и обоснованно выбирать верные механизмы ОС при разработке программных средств; • овладеть навыками использования функций ОС в программном коде; • развить индивидуальные профессиональные способности по разработке современных программ.
Операции над процессами
Loading...
來自 National Research Nuclear University MEPhI 的課程
Использование механизмов операционных систем в разработке программного обеспечения
6 個評分
National Research Nuclear University MEPhI
6 個評分
從本節課中
Процессы
В этом модуле изучим понятия процессов в операционных системах. Узнаем, что включает в себя процесс, как он организован и как операционная система управляет вычислениями посредством процессов. Рассмотрим основные особенности реализации процессов в различных операционных системах
與講師見面
Котельников Андрей СергеевичАссистент
Кафедра компьютерных систем и технологий
Красникова Светлана АнатольевнаСтарший преподаватель
Отделение интеллектуальных кибернетических систем офиса образовательных программ
Атовмян Игорь ОгановичПрофессор
Отделение интеллектуальных кибернетических систем офиса образовательных программ
Процесс не может перейти
из одного состояния в другое самостоятельно.
Изменением состояния процессов занимается
операционная система, совершая операции над ними.
Количество таких операций в нашей модели пока
совпадает с количеством стрелок на диаграмме состояний.
Удобно объединить следующие состояния.
Создание процесса и завершение процесса.
Приостановка процесса
(перевод из состояния "исполнение" в состояние "готовность")
и запуск процесса
(перевод из состояния "готовность" в состояние "исполнение").
Блокирование процесса
(перевод из состояния "исполнение" в состояние "ожидание"),
разблокирование процесса
(перевод из состояния "ожидание" в состояние "готовность").
И последний — изменение приоритета процесса.
Операции создания и завершения процесса
являются одноразовыми, так как применяются
к процессу не более одного раза
(некоторые системные процессы при работе
вычислительной системы не завершаются никогда).
Все остальные операции, связанные с изменением
состояния процессов, будь то запуск или блокировка,
как правило, являются многоразовыми.
Рассмотрим подробнее, как операционная система
выполняет операции над процессами.
Для примера — создание процесса.
Три основных события, приводящие к созданию процессов:
начальная инициализация системы;
работающий процесс подает системный запрос
на создание процесса
и запрос пользователя на создание процесса.
С технической точки зрения во всех
перечисленных случаях новый процесс
формируется одинаково, а именно текущий процесс
выполняет запрос на создание нового процесса.
Этот запрос заставляет операционную систему
создать новый процесс,
а так же этот запрос содержит информацию
о программе, которую нужно запустить в этом процессе.
В UNIX-подобных системах существует
только один запрос, направленный
на создание нового процесса: fork().
Этот запрос создает дубликат вызываемого процесса.
После этого запроса двум процессам,
родительскому и дочернему, соответствуют одинаковые
образы памяти, строки окружения,
и одни и те же открытые файлы.
Обычно дочерний процесс выполняет
системный вызов exec()
для изменения своего образа памяти
и запуска новой программы.
Завершение процесса.
Четыре события, приводящие к остановке процесса:
плановое завершение
(это, когда происходит окончание выполнения),
плановый выход по известной ошибке
(например, отсутствие файла),
выход по неизвестной ошибке (ошибка в программе),
уничтожение другим процессом.
Зачастую причиной завершения процесса
становится плановое завершение.
В таком случае по завершении программы,
процесс выполняет системный запрос,
дабы сообщить системе о том,
что он закончил свою работу.
В UNIX-подобных системах этот системный запрос — exit().
Вторая причина — неустранимая ошибка.
Примером может служить попытка скомпилировать
несуществующий исходник.
Третья причина — выход по неисправимой ошибке,
такой ошибкой может быть обращение
к несуществующей памяти, деление на ноль.
Четвертая причина — системный запрос,
выполненный другим процессом
на завершение процесса.
В UNIX такой запрос — kill().
В некоторых системах, в частности в UNIX-подобных,
родительский и дочерний процессы остаются
связанными между собой определенным образом.
Дочерний процесс также может, в свою очередь,
создавать процессы, формируя иерархию процессов.
Хороший пример иерархии процессов —
инициализация системы UNIX при запуске.
Единственный процесс, который выведен искусственно,
то есть, не имеет родителя — это процесс init,
с запуска этого процесса начинается инициализация системы.
При запуске процесса init выясняется,
сколько терминалов есть в системе
и каждому терминалу запускает по процессу-приветствию.
Процессы-приветствия принимают от пользователя
логин и пароль и в случае успеха аутентификации,
процесс-приветствие запускает оболочку
для обработки команд пользователя.
Эти команды, в свою очередь, могут запускать процессы.
Таким образом, все процессы в системе
принадлежат к одному дереву,
начинающемуся с процесса init.
Многоразовые операции над процессами.
Запуск процесса, из числа процессов,
находящихся в состоянии готовности.
Операционная система выбирает один процесс
для последующего исполнения.
Критерии и алгоритмы такого выбора будут подробно далее.
Для избранного процесса операционная система
обеспечивает наличие в оперативной памяти информации,
необходимой для его дальнейшего исполнения.
То, как она это делает,
будет детально описано в следующих лекциях.
После выбора состояние процесса
изменяется на "исполнение",
восстанавливаются значения регистров
для данного процесса и управление передается команде,
на которую указывает счетчик команд процесса.
Все данные, необходимые для восстановления контекста,
извлекаются из блока управления процессом,
над которым совершается операция.
Следующая многоразовая операция — это приостановка процесса.
Работа процесса, находящегося в состоянии "исполнение",
приостанавливается в результате какого-либо прерывания.
Процессор автоматически сохраняет счетчик команд
и, возможно, один или несколько регистров
в стеке исполняемого процесса,
а затем передает управление по специальному адресу
обработки данного прерывания.
На этом деятельность "железа"
по обработке прерывания завершается.
Блокирование процесса.
Процесс блокируется, когда он не может
продолжать работу, не дождавшись возникновения
какого-либо события в вычислительной системе.
Для этого он обращается к операционной системе
с помощью определенного системного вызова.
Операционная система обрабатывает системный вызов
(инициализирует операцию ввода-вывода,
добавляет процесс в очередь процессов,
дожидающихся освобождения устройства
или возникновения события),
при необходимости сохранив нужную часть контекста
процесса в его блоке управления,
переводит процесс из состояния.
Разблокирование процесса.
После возникновения в системе какого-либо события
операционной системе нужно точно определить,
какое именно событие произошло.
Затем операционная система проверяет,
находился ли некоторый процесс в состоянии
ожидания данного события,
и если находился, переводит его в состояние готовность,
выполняя необходимые действия,
связанные с наступлением события
(инициализация операции ввода-вывода
для очередного ожидающего процесса и т. п.).
До сих пор мы рассматривались операции над процессами
изолированно, независимо друг от друга.
В действительности же деятельность
мультипрограммной операционной системы
состоит из цепочек операций,
выполняемых над различными процессами,
и сопровождающаяся переключением процессора
с одного процесса на другой.
Для примера упрощенно рассмотрим, как в реальности
может протекать операция разблокировки процесса,
ожидающего ввода-вывода.
При исполнении процессором некоторого процесса
(на рисунке — процесс 1)
возникает прерывание от устройства ввода-вывода,
сигнализирующее об окончании операций над устройством.
Над выполняющимся процессом
производится операция приостановки.
Далее операционная система разблокирует процесс,
инициировавший запрос на ввод-вывод
(на рисунке — процесс 2)
и осуществляет запуск приостановленного процесса
или нового процесса, выбранного при выполнении планирования
(на рисунке был выбран разблокированный процесс).
Как мы видим, в результате обработки
информации об окончании операции ввода-вывода
возможна смена процесса,
находящегося в состоянии "исполнение".
Для корректного переключения процессора
с одного процесса на другой необходимо:
сохранить контекст исполнявшегося процесса;
восстановить контекст процесса,
на который будет переключен процессор.
Такая процедура сохранения/восстановления
работоспособности процессов
называется переключением контекста.
Время, затраченное на переключение контекста,
не используется вычислительной системой
для совершения полезной работы
и представляет собой накладные расходы,
снижающие производительность системы.
Оно меняется от машины к машине и обычно
колеблется в диапазоне от 1-ой до 1000 микросекунд.
Существенно сократить накладные расходы
в современных операционных системах
позволяет расширенная модель процессов,
включающая в себя понятие трэдов или потоков
(отдельных нитей исполнения внутри одного процесса).
Спасибо за внимание!
