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.

Данные пользователя	Изменяемая часть пользовательского адресного пространства (данные программы, пользовательский стек, модифицируемый код)
Пользовательская программа	Программа, которую необходимо выполнить
Системный стек	Один или несколько системных стеков для хранения параметров и адресов вызова процедур и системных служб
Управляющий блок процесса	Данные, необходимые операционной системе для управления процессом

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.

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.

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).

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. 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.

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).

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.

Планирование заданий, процессов и потоков

Основная цель планирования вычислительного процесса заключается в распределении времени процессора (нескольких процессоров) между выполняющимися заданиями пользователей таким образом, чтобы удовлетворять требованиям, предъявляемым пользователями к вычислительной системе. Такими требованиями могут быть, как это уже отмечалось, пропускная способность, время отклика, загрузка процессора и др.

Долгосрочное	Решение о добавлении задания (процесса) в пул выполняемых в системе
Среднесрочное	Решение о добавлении процесса к числу процессов, полностью или частично размещенных в основной памяти
Краткосрочное	Решение о том, какой из доступных процессов (потоков) будет выполняться процессором
Планирование ввода-вывода	Решение о том, какой из запросов процессов (потоков) на операцию ввода-вывода будет выполняться свободным устройством ввода-вывода

Не вытесняющие (non-preemptive) алгоритмы основаны на том, что активному потоку позволяется выполняться, пока он сам, по своей инициативе, не отдает управление операционной системе, для того чтобы она выбрала из очереди готовый к выполнению поток.

Вытесняющие (preemptive) алгоритмы – это такие способы планирования потоков, в которых решение о переключении процессора с выполнения одного потока на выполнение другого потока принимается операционной системой, а не активной задачей.

Однако почти во всех ОС (UNIX, Windows NT/2000/2003, OS/2, VAX/VMS и др.) реализованы вытесняющие алгоритмы планирования.