Контекст выполнения процесса
Каждому процессу соответствует контекст, в котором он выполняется. Этот контекст включает содержимое пользовательского адресного пространства - пользовательский контекст (т.е. содержимое сегментов программного кода, данных, стека, разделяемых сегментов и сегментов файлов, отображаемых в виртуальную память), содержимое аппаратных регистров - регистровый контекст (таких, как регистр счетчика команд, регистр состояния процессора, регистр указателя стека и регистров общего назначения), а также структуры данных ядра (контекст системного уровня), связанные с этим процессом. Контекст процесса системного уровня в ОС UNIX состоит из "статической" и "динамических" частей. У каждого процесса имеется одна статическая часть контекста системного уровня и переменное число динамических частей.
Статическая часть контекста процесса системного уровня включает следующее:
A. Описатель процесса, т.е. элемент таблицы описателей существующих в системе процессов. Описатель процесса включает, в частности, следующую информацию:
● состояние процесса;
● физический адрес в основной или внешней памяти u-области процесса;
● идентификаторы пользователя, от имени которого запущен процесс;
● идентификатор процесса;
● прочую информацию, связанную с управлением процессом.
B. U-область (u-area), индивидуальная для каждого процесса область пространства ядра, обладающая тем свойством, что хотя u-область каждого процесса располагается в отдельном месте физической памяти, u-области всех процессов имеют один и тот же виртуальный адрес в адресном пространстве ядра. Именно это означает, что какая бы программа ядра не выполнялась, она всегда выполняется как ядерная часть некоторого пользовательского процесса, и именно того процесса, u-область которого является "видимой" для ядра в данный момент времени. U-область процесса содержит:
● указатель на описатель процесса;
● идентификаторы пользователя;
● счетчик времени, которое процесс реально выполнялся (т.е. занимал процессор) в режиме пользователя и режиме ядра;
● параметры системного вызова;
● результаты системного вызова;
● таблица дескрипторов открытых файлов;
● предельные размеры адресного пространства процесса;
● предельные размеры файла, в который процесс может писать;
● и т.д.
Динамическая часть контекста процесса - это один или несколько стеков, которые используются процессом при его выполнении в режиме ядра. Число ядерных стеков процесса соответствует числу уровней прерывания, поддерживаемых конкретной аппаратурой.
Регистры, счетчик команд, стек.
Счетчик команд—это специализированный внутренний регистр микроконтроллера, в котором хранится адрес текущей выполняемой команды.
Виртуальное адресное пространство.
Виртуальное адресное пространство — это максимально доступное приложению адресное пространство. Объём виртуального адресного пространства зависит от архитектуры компьютера и операционной системы. Он зависит от архитектуры компьютера, так как именно архитектура определяет, сколько бит используется для адресации. Он также зависит от операционной системы, так как в зависимости от реализации операционная система может накладывать дополнительные ограничения, помимо ограничений архитектуры.
Прилагательное «виртуальное» применительно к виртуальному адресному пространству означает, что это общее число доступных приложению уникально адресуемых ячеек памяти, но не общий объём памяти, установленной в компьютере, или выделенной в конкретный момент времени данному приложению.
Потоки.
В обычных операционных системах каждому процессу соответствует адресное пространство и один управляющий поток. Фактически это и определяет процесс. Тем не менее часто встречаются ситуации, в которых предпочтительно несколько квазипараллельных управляющих потоков в одном адресном пространстве, как если бы они были различными процессами (однако разделяющими одно адресное пространство).
Модель потока.
Модель процесса, которую мы рассматривали ранее, базируется на двух независимых концепциях: группировании ресурсов и выполнении программы. Иногда полезно их разделять, и тут появляется понятие потока.
Процесс можно рассматривать как поток исполняемых команд или просто поток. У потока есть счетчик команд, отслеживающий порядок выполнения действий. У него есть регистры, в которых хранятся текущие переменные. У него есть стек, содержащий протокол выполнения процесса, где на каждую процедуру, вызванную, но еще не вернувшуюся, отведен отдельный фрейм. Хотя поток должен исполняться внутри процесса, следует различать концепции потока и процесса. Процессы используются для группирования ресурсов, а потоки являются объектами, поочередно исполняющимися на центральном процессоре.
Несколько потоков, работающих параллельно в одном процессе, аналогичны нескольким процессам, идущим параллельно на одном компьютере. В первом случае потоки разделяют адресное пространство, открытые файлы и другие ресурсы. Во втором случае процессы совместно пользуются физической памятью, дисками, принтерами и другими ресурсами. Потоки обладают некоторыми свойствами процессов, поэтому их иногда называют упрощенными процессами.
На рис. а) представлены три обычных процесса, у каждого из которых есть собственное адресное пространство и одиночный поток управления. На рис. б) представлен один процесс с тремя потоками управления. В обоих случаях мы имеем три потока, но на рис. а) каждый из них имеет собственное адресное пространство, а на рис. б) потоки разделяют единое адресное пространство.
Как показано в таблице, потоки разделяют не только адресное пространство, но и открытые файлы, дочерние процессы, сигналы и т. п. Таким образом, ситуацию на рис. а) следует использовать в случае абсолютно несвязанных процессов, тогда как схема на рис. б) будет уместна, когда потоки выполняют совместно одну работу.
Важно понимать, что у каждого потока свой собственный стек, как показано на рисунке. Стек каждого потока содержит по одному фрейму для каждой процедуры, вызванной, но еще не вернувшей управления. Каждый поток может вызывать различные процедуры и, соответственно, иметь различный протокол выполнения процесса — именно поэтому каждому потоку необходим собственный стек.