Понятия «процесс» и «поток». Виртуальное адресное пространство

В настоящее время в большинстве операционных систем определены два типа единиц работы. Более крупная еди­ница работы, обычно носящая название процесса, или задачи, требует для своего выполнения нескольких более мелких работ, для обозначения которых исполь­зуют термины «поток», или «нить».

В операционных системах, где существуют и процессы, и потоки, процесс рассматривается операционной системой как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного - процессорного времени. Этот последний 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. 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.

Виртуальное адресное пространство процесса - это совокупность адресов, которыми может манипулировать программный модуль процесса. Операционная система отображает виртуальное адресное пространство процесса на отведенную процессу физическую память.

При необходимости взаимодействия процессы обращаются к операционной сис­теме, которая, выполняя функции посредника, предоставляет им средства межпроцессной связи - конвейеры, почтовые ящики, разделяемые секции памяти и некоторые другие.

Однако в системах, в которых отсутствует понятие потока, возникают проблемы при организации параллельных вычислений в рамках процесса.

Потоки возникли в операционных системах как средство распараллеливания вычислений.

Создание потоков требует от ОС меньших накладных расходов, чем процессов. В отличие от процессов, которые принадлежат разным конкури­рующим приложениям, все потоки одного процесса всегда принадлежат одному приложению, поэтому ОС изолирует потоки в гораздо меньшей степени. Все потоки одного процесса используют общие файлы, таймеры, устройства, одну и ту же область опе­ративной памяти, одно и то же адресное пространство. Чтобы организовать взаимодействие и обмен данными, потокам вовсе 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.

Использование потоков связано не только со стремлением повысить производительность системы за счет параллельных вычислений, но и с целью создания более читабельных, логичных программ.

Наибольший эффект от введения многопоточной обработки достигается в мультипроцессорных системах, в которых потоки, в том числе и принадлежащие од­ному процессу, могут выполняться на разных процессорах действительно парал­лельно (а не псевдопараллельно).

Создать процесс - это прежде всего означает создать описатель процесса, в каче­стве которого выступает одна или несколько

информационных структур, содержащих все сведения о процессе, необходимые ОС для управ­ления им. В число таких сведений могут входить, например, идентификатор процесса, данные о расположении в памяти исполняемого модуля, степень привиле­гированности процесса (приоритет и права доступа) и т. п.

В многопоточной системе при создании процесса ОС создает длякаждого процесса как минимум один поток выполнения. При создании потока так же, операционная система генерирует специальную инфор­мационную структуру - описатель потока, который содержит идентификатор потока, данные о правах доступа и приоритете. B исходном состоянии поток находится в приостановленном со­стоянии. Момент выборки потока на выполнение осуществляется в соответст­вии с принятым В данной системе правилом предоставления процессорного вре­мени. В случае если коды и данные процесса находятся в области подкачки, необходи­мым условием активизации потока процесса является также наличие места в оперативной памяти для загрузки его исполняемого модуля.

Во многих системах поток может обратиться к ОС с запросом на создание так называемых потоков-потомков. В разных ОС по-разному строятся отношения между потоками-потомками и их родителями. Например, в одних ОС выполнение родительского потока синхронизируется с его потомками, в частности после завершения родительского потока ОС может снимать с выполнения всех его потомков. В других системах потоки-потомки могут выполняться асинхронно по отношению к родительскому потоку. Потоки-потомки, как правило, наследуют многие свойства родительских потоков, но в разных ОС по-разному их отношения строятся по разному.