Process Control Block и контекст процесса
Для того чтобы операционная система могла выполнять операции над процессами, каждый процесс представляется в ней некоторой структурой данных. Эта структура содержит информацию, специфическую для данного процесса:
- состояние, в котором находится процесс;
- программный счетчик процесса или, другими словами, адрес команды, которая должна быть выполнена для него следующей;
- содержимое регистров процессора;
- данные, необходимые для планирования использования процессора и управления памятью (приоритет процесса, размер и расположение адресного пространства и т. д.);
- учетные данные (идентификационный номер процесса, какой пользователь инициировал его работу, общее время использования процессора данным процессом и т. д.);
- информацию об устройствах ввода-вывода, связанных с процессом (например, какие устройства закреплены за процессом, таблицу открытых файлов);
Конкретный ее состав и строение зависят, конечно, от конкретной операционной системы. Во многих операционных системах информация, характеризующая процесс, хранится не в одной, а в нескольких связанных структурах данных. Эти структуры могут иметь различные наименования, содержать дополнительную информацию или, наоборот, лишь часть описанной информации. Для нас это не имеет значения. Для нас важно лишь то, что для любого процесса, находящегося в вычислительной системе, вся информация, необходимая для совершения операций над ним, доступна операционной системе. Для простоты изложения будем считать, что она хранится в одной структуре данных. Мы будем называть ее PCB (Process Control Block) или блоком управления процессом. Блок управления процессом является моделью процесса для операционной системы. Любая операция, производимая операционной системой над процессом, вызывает определенные изменения в PCB. В рамках принятой модели состояний процессов содержимое PCB между операциями остается постоянным.
Информацию, для хранения которой предназначен блок управления процессом, удобно для дальнейшего изложения разделить на две части. Содержимое всех регистров процессора (включая значение программного счетчика) будем называть регистровым контекстом процесса, а все остальное – системным контекстом процесса. Знания регистрового и системного контекстов процесса достаточно для того, чтобы управлять его поведением в операционной системе, совершая над ним операции. Однако этого недостаточно, чтобы полностью характеризовать процесс. Операционную систему не интересует, какими именно вычислениями занимается процесс, т. е. какой код и какие данные находятся в его адресном пространстве. С точки зрения пользователя, наоборот, наибольший интерес представляет содержимое адресного пространства процесса, возможно наряду с регистровым контекстом, определяющее последовательность преобразования данных и полученные результаты. Код и данные, находящиеся в адресном пространстве процесса, будем называть его пользовательским контекстом. Совокупность регистрового, системного и пользовательского контекстов процесса для краткости принято называть просто контекстом процесса. В любой момент времени процесс полностью характеризуется своим контекстом.
Одноразовые операции
Сложный жизненный путь процесса в компьютере начинается с его рождения. Любая операционная система, поддерживающая концепцию процессов, должна обладать средствами для их создания. В очень простых системах (например, в системах, спроектированных для работы только одного конкретного приложения) все процессы могут быть порождены на этапе старта системы. Более сложные операционные системы создают процессы динамически, по мере необходимости. Инициатором рождения нового процесса после старта операционной системы может выступить либо процесс пользователя, совершивший специальный системный вызов, либо сама операционная система, то есть, в конечном итоге, тоже некоторый процесс. Процесс, инициировавший создание нового процесса, принято называть процессом-родителем (parent process), а вновь созданный процесс - процессом-ребенком (child process). Процессы-дети могут, в свою очередь, порождать новых детей и т. д
При рождении процесса система заводит новый PCB с состоянием процесса рождение и начинает его заполнение. Новый процесс получает свой собственный уникальный идентификационный номер. Поскольку для хранения идентификационного номера процесса в операционной системе отводится ограниченное количество бит, то для соблюдения уникальности номеров количество одновременно присутствующих в ней процессов должно быть ограничено. После завершения какого-либо процесса его освободившийся идентификационный номер может быть повторно использован для другого процесса.
Обычно для выполнения своих функций процесс-ребенок требует определенных ресурсов: памяти, файлов, устройств ввода-вывода и т. д. Существует два подхода к их выделению. Новый процесс может получить в свое пользование некоторую часть родительских ресурсов, возможно, разделяя с процессом-родителем и другими процессами-детьми права на них, подобно распределению ресурсов в нормальной человеческой семье, или может получить свои ресурсы непосредственно от операционной системы, став, так сказать, на государственное обеспечение в детдоме. Информация о выделенных ресурсах заносится в PCB.
После наделения процесса-ребенка ресурсами необходимо занести в его адресное пространство программный код, значения данных, установить программный счетчик. Здесь также возможны два решения. В первом случае процесс-ребенок становится дубликатом процесса-родителя по регистровому и пользовательскому контекстам, при этом должен существовать способ определения кто для кого из процессов-двойников является родителем. Во втором случае процесс-ребенок загружается новой программой из какого-либо файла. Операционная система UNIX разрешает порождение процесса только первым способом; для запуска новой программы необходимо сначала создать копию процесса-родителя, а затем процесс-ребенок должен заменить свой пользовательский контекст с помощью специального системного вызова. Операционные системы VAX/VMS и WINDOWS NT допускают только второе решение.
Порождение нового процесса как дубликата процесса-родителя приводит к возможности существования программ (т. е. исполняемых файлов), для работы которых организуется более одного процесса. Возможность замены пользовательского контекста процесса по ходу его работы (т. е. загрузки для исполнения новой программы) приводит к тому, что в рамках одного и того же процесса могут быть последовательно выполнены несколько различных программ.
После того как процесс наделен содержанием, в PCB дописывается оставшаяся информация и состояние нового процесса изменяется на готовность.
Мы не будем в деталях останавливаться на причинах, которые могут привести к окончанию жизненного цикла процесса. После того, как процесс завершил свою работу, операционная система переводит его в состояние закончил исполнение и освобождает все ассоциированные с ним ресурсы, делая соответствующие записи в блоке управления процессом. При этом сам PCB не уничтожается, а остается в системе еще некоторое время. Это связано с тем, что процесс-родитель после завершения процесса-ребенка может запросить операционную систему о причине произошедшей смерти порожденного им процесса и/или статистическую информацию об его работе. Подобная информация сохраняется в PCB мертвого процесса до запроса процесса-родителя или до конца его деятельности, после чего все следы умершего процесса окончательно исчезают из системы. В операционной системе UNIX процессы, находящиеся в состоянии закончил исполнение, принято называть процессами зомби.
Многоразовые операции
Одноразовые операции приводят к изменению количества процессов, находящихся под управлением операционной системы, и всегда связаны с выделением или освобождением определенных ресурсов. Многоразовые операции, напротив, не приводят к изменению количества процессов в операционной системе и не обязаны быть связанными с выделением или освобождением ресурсов.
В этом разделе мы кратко опишем действия, которые производит операционная система при выполнении многоразовых операций над процессами. Более тщательно эти действия будут рассмотрены далее в соответствующих главах книги.
Запуск процесса.Из числа процессов, находящихся в состоянии готовность, операционная система выбирает один процесс для последующего исполнения. Критерии и алгоритмы такого выбора будут подробно рассмотрены в главе 3 — “Планирование процессов”. Для избранного процесса операционная система обеспечивает наличие в оперативной памяти информации, необходимой для его дальнейшего выполнения. То, как она это делает, будет в деталях описано в части III — “Управление памятью”. Далее 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 этого восстановления контекста, извлекаются из PCB процесса, над которым совершается операция.
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 и передает управление по специальному адресу обработки данного прерывания. На этом деятельность hardware по обработке прерывания завершается. По указанному адресу обычно располагается одна из частей операционной системы. Она сохраняет динамическую часть системного и регистрового контекстов процесса в его PCB, переводит процесс в состояние готовность и приступает к обработке прерывания, то есть к выполнению определенных действий, связанных с возникшим прерыванием.
Блокирование процесса.Процесс блокируется, когда он не может продолжать свою 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, и т. д.) и, при необходимости, сохранив необходимую часть контекста процесса в его PCB, переводит процесс из состояния исполнение в состояние ожидание. Подробнее эта операция будет рассматриваться в части V — “Управление вводом-выводом”.
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 ожидание для 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.). Эта операция, как и операция блокирование, будет детальнее описана в части V — “Управление вводом-выводом”.
Переключение контекста
До сих пор мы рассматривали операции над процессами изолированно, независимо друг от друга. В действительности же деятельность мультипрограммной операционной системы состоит из цепочек операций, выполняемых над различными процессами, и сопровождается переключением процессора с одного процесса на другой. 
Рис 2.2 Выполнение операции разблокирования процесса. Использование термина "код пользователя" не ограничивает общности рисунка только пользовательскими процессами
Давайте для примера упрощенно рассмотрим, как в реальности может проистекать операция разблокирования процесса, ожидающего ввода-вывода (см. рисунок 2.3). При исполнении процессором некоторого процесса (на рисунке - процесс 1) возникает прерывание от устройства ввода-вывода, сигнализирующее об окончании операций на устройстве. Над выполняющимся процессом производится операция приостановка. Далее, операционная система разблокирует процесс, инициировавший запрос на ввод-вывод (на рисунке - процесс 2), и осуществляет запуск приостановленного или нового процесса, выбранного при выполнении планирования (на рисунке был выбран разблокированный процесс). Как 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 и 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 находится в диапазоне от 1 до 1000 микросекунд. Существенно сократить накладные расходы в современных операционных системах позволяет расширенная модель процессов, включающая в себя понятие threads of execution (потоки исполнения или просто потоки). Подробнее о потоках исполнения мы будем говорить в главе 4 — “Кооперация процессов и основные аспекты ее логической организации”.
Глава 3. Планирование процессов
Всякий раз, когда нам приходится иметь дело с ограниченным количеством ресурсов и несколькими их потребителями, будь то фонд заработной платы в трудовом коллективе или студенческая вечеринка с несколькими ящиками пива, мы вынуждены заниматься распределением наличных ресурсов между потребителями или, другими словами, планированием использования ресурсов. Такое планирование должно иметь четко поставленные критерии (чего мы хотим добиться распределением ресурсов) и алгоритмы, соответствующие критериям и опирающиеся на параметры потребителей. Только при правильном выборе критериев и алгоритмов можно избежать таких вопросов, как “Почему я получаю в десять раз меньше, чем мой шеф?” или “А где мое пиво?”. Настоящая глава посвящена планированию исполнения процессов в мультипрограммных вычислительных системах или, кратко говоря, планированию процессов.
Уровни планирования
В первой главе, рассматривая эволюцию компьютерных систем, мы говорили о существовании двух видов планирования в вычислительных системах: планировании заданий и планировании использования процессора. Планирование заданий появилось в пакетных системах после того, как для хранения сформированных пакетов заданий начали использоваться магнитные диски. Магнитные диски, будучи устройствами прямого доступа, позволяют загружать задания в компьютер в произвольном порядке, а не только в том, в котором они были записаны на диск. Изменяя порядок загрузки заданий в вычислительную систему, можно повысить эффективность ее использования. Процедуру выбора очередного задания для загрузки в машину, т. е. для порождения соответствующего процесса, мы и назвали планированием заданий. Планирование использования процессора впервые возникает в мультипрограммных вычислительных системах, где в состоянии готовность могут одновременно находиться несколько процессов. Именно для процедуры выбора из них одного процесса, который получит процессор в свое распоряжение, т.е. будет переведен в состояние исполнение, мы использовали это словосочетание. Теперь, когда мы познакомились с концепцией процессов в вычислительных системах, оба этих вида планирования мы будем рассматривать как различные уровни планирования процессов.
Планирование заданий выступает в качестве долгосрочного планирования процессов. Оно отвечает за порождение новых процессов в системе, определяя ее степень мультипрограммирования, т. е. количество процессов, одновременно находящихся в ней. Если степень мультипрограммирования системы поддерживается постоянной, т. е. среднее количество процессов в компьютере не меняется, то новые процессы могут появляться только после завершения ранее загруженных. Поэтому долгосрочное планирование осуществляется достаточно редко, между появлением новых процессов могут проходить минуты и даже десятки минут. Решение о выборе для запуска того или иного процесса оказывает влияние на функционирование вычислительной системы на протяжении достаточно длительного интервала времени. Отсюда и проистекает название этого уровня планирования — долгосрочное. В некоторых операционных системах долгосрочное планирование сведено к минимуму или совсем отсутствует. Так, например, во многих интерактивных системах разделения времени порождение процесса происходит сразу после появления соответствующего запроса. Поддержание разумной степени мультипрограммирования осуществляется за счет ограничения количества пользователей, которые могут работать в системе, и человеческой психологии. Если между нажатием на клавишу и появлением символа на экране проходит 20-30 секунд, то многие пользователи предпочтут прекратить работу и продолжить ее, когда система будет менее загружена.
Планирование использования процессора выступает в качестве краткосрочного планирования процессов. Оно проводится, к примеру, при обращении исполняющегося процесса к устройствам ввода-вывода или просто по завершении определенного интервала времени. Поэтому краткосрочное планирование осуществляется весьма часто, как правило, не реже одного раза в 100 миллисекунд. Выбор нового процесса для исполнения оказывает влияние на функционирование системы до наступления очередного аналогичного события, т. е. в течение короткого промежутка времени, что и обусловило название этого уровня планирования — краткосрочное.
В некоторых вычислительных системах бывает выгодно для повышения их производительности временно удалить какой-либо частично выполнившийся процесс из оперативной памяти на диск, а позже вернуть его обратно для дальнейшего выполнения. Такая процедура в англоязычной литературе получила название swapping, что можно перевести на русский язык как перекачка, хотя в профессиональной литературе оно употребляется без перевода — свопинг. Когда и какой из процессов нужно перекачать на диск и вернуть обратно, решается дополнительным промежуточным уровнем планирования процессов — среднесрочным.
Критерии планирования и требования к алгоритмам
Для каждого уровня планирования процессов можно предложить много различных алгоритмов. Выбор конкретного алгоритма определяется классом задач, решаемых вычислительной системой, и целями, которых мы хотим достичь, используя планирование. К числу таких целей можно отнести:
§ Справедливость: гарантировать каждому заданию или процессу определенную часть времени использования процессора в компьютерной системе, стараясь не допустить возникновения ситуации, когда процесс одного пользователя постоянно занимает процессор, в то время как процесс другого пользователя фактически не приступал к выполнению.
§ Эффективность: постараться занять процессор на все 100% рабочего времени, не позволяя ему простаивать в ожидании процессов готовых к исполнению. В реальных вычислительных системах загрузка процессора колеблется от 40 до 90 процентов.
§ Сокращение полного времени выполнения (turnaround time): обеспечить минимальное время между стартом процесса или постановкой задания в очередь для загрузки и его завершением.
§ Сокращение времени ожидания (waiting time): минимизировать время, которое проводят процессы в состоянии готовность и задания в очереди для загрузки.
§ Сокращение времени отклика (response time): минимизировать время, которое требуется процессу в интерактивных системах для ответа на запрос пользователя.
Независимо от поставленных целей планирования желательно также, чтобы алгоритмы обладали следующими свойствами:
§ Были предсказуемыми. Одно и то же задание должно выполняться приблизительно за одно и то же время. Применение алгоритма планирования не должно приводить, к примеру, к извлечению корня квадратного из 4 за сотые доли секунды при одном запуске и за несколько суток при втором запуске.
§ Имели минимальные накладные расходы, связанные с их работой. Если на каждые 100 миллисекунд, выделенных процессу для использования процессора, будет приходиться 200 миллисекунд на определение того, какой именно процесс получит процессор в свое распоряжение, и на переключение контекста, то такой алгоритм, очевидно, использовать не стоит.
§ Равномерно загружали ресурсы вычислительной системы, отдавая предпочтение тем процессам, которые будут занимать малоиспользуемые ресурсы.
§ Обладали масштабируемостью, т. е. не сразу теряли работоспособность при увеличении нагрузки. Например, рост количества процессов в системе в два раза не должен приводить к увеличению полного времени выполнения процессов на порядок.
Многие из приведенных выше целей и свойств являются противоречивыми. Улучшая работу алгоритма с точки зрения одного критерия, мы ухудшаем ее с точки зрения другого. Приспосабливая алгоритм под один класс задач, мы тем самым дискриминируем задачи другого класса. “В одну телегу впрячь не можно коня и трепетную лань”. Ничего не поделаешь. Такова жизнь.
Параметры планирования
Для осуществления поставленных целей разумные алгоритмы планирования должны опираться на какие-либо характеристики процессов в системе, заданий в очереди на загрузку, состояния самой вычислительной системы, иными словами, на параметры планирования. В этом разделе мы опишем ряд таких параметров, не претендуя на полноту изложения.
Все параметры планирования можно разбить на две большие группы: статические параметры и динамические параметры. Статические параметры не изменяются в ходе функционирования вычислительной системы, динамические же, напротив, подвержены постоянным изменениям.
К статическим параметрам вычислительной системы можно отнести предельные значения ее ресурсов (размер оперативной памяти, максимальное количество памяти на диске для осуществления свопинга, количество подключенных устройств ввода-вывода и т. п.). Динамические параметры системы описывают количество свободных ресурсов в текущий момент времени.
К статическим параметрам процессов относятся характеристики, как правило, присущие заданиям уже на этапе загрузки:
§ Каким пользователем запущен процесс или сформировано задание.
§ Насколько важной является поставленная задача, т. е. каков приоритет ее выполнения.
§ Сколько процессорного времени запрошено пользователем для решения задачи.
§ Каково соотношение процессорного времени и времени, необходимого для осуществления операций ввода-вывода.
§ Какие ресурсы вычислительной системы (оперативная память, устройства ввода-вывода, специальные библиотеки и системные программы и т. д.) и в каком количестве необходимы заданию.
Алгоритмы долгосрочного планирования используют в своей работе статические и динамические параметры вычислительной системы и статические параметры процессов (динамические параметры процессов на этапе загрузки заданий еще не известны). Алгоритмы краткосрочного и среднесрочного планирования дополнительно учитывают и динамические характеристики процессов. Для среднесрочного планирования в качестве таких характеристик может выступать следующая информация:
§ Сколько времени прошло со времени выгрузки процесса на диск или его загрузки в оперативную память.
§ Сколько оперативной памяти занимает процесс.
§ Сколько процессорного времени было уже предоставлено процессу.
Рис 3.1. Фрагмент деятельности процесса с выделением промежутков непрерывного использования процессора и ожидания ввода-вывода.
Для краткосрочного планирования нам понадобится ввести еще два динамических параметра. Деятельность любого процесса можно представить как последовательность циклов использования процессора и ожидания завершения операций ввода-вывода. Промежуток времени непрерывного использования процессора носит на английском языке название CPU burst, а промежуток времени непрерывного ожидания ввода-вывода – I/O burst. На рисунке 3.1. показан фрагмент деятельности некоторого процесса на псевдоязыке программирования с выделением указанных промежутков. Для краткости изложения мы будем использовать термины CPU burst и I/O burst без перевода. Значения продолжительности последних и очередных CPU burst и I/O burst являются важными динамическими параметрами процесса.
Вытесняющее и невытесняющее планирование
Процесс планирования осуществляется частью операционной системы, называемой планировщиком. Планировщик может принимать решения о выборе для исполнения нового процесса, из числа находящихся в состоянии готовность, в следующих четырех случаях:
1. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние завершение.
2. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние ожидание.
3. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние готовность (например, после прерывания от таймера).
4. Когда процесс переводится из состояния ожидание в состояние готовность (завершилась операция ввода-вывода или произошло другое событие). Подробно процедура такого перевода была рассмотрена нами в разделе 2.3.5, где мы показали, почему при этом возникает возможность смены процесса, находящегося в состоянии исполнение.
В случаях 1 и 2 процесс, находившийся в состоянии исполнение, не может дальше исполняться, и для выполнения всегда необходимо выбрать новый процесс. В случаях 3 и 4 планирование может не проводиться, процесс, который исполнялся до прерывания, может продолжать свое выполнение после обработки прерывания. Если планирование осуществляется только в случаях 1 и 2, говорят, что имеет место невытесняющее (nonpreemptive) планирование. В противном случае говорят о вытесняющем (preemptive) планировании. Термин “вытесняющее планирование” возник потому, что исполняющийся процесс помимо своей воли может быть вытеснен из состояния исполнение другим процессом.
Невытесняющее планирование используется, например, в MS Windows 3.1 и ОС Apple Macintosh. При таком режиме планирования процесс занимает столько процессорного времени, сколько ему необходимо. При этом переключение процессов возникает только при желании самого исполняющегося процесса передать управление (для ожидания завершения операции ввода-вывода или по окончании работы). Этот метод планирования относительно просто реализуем и достаточно эффективен, так как позволяет использовать большую часть процессорного времени на работу самих процессов и до минимума сократить затраты на переключение контекста. Однако при невытесняющем планировании возникает проблема возможности полного захвата процессора одним процессом, который вследствие каких-либо причин (например, из-за ошибки в программе) зацикливается и не может передать управление другому процессу. В такой ситуации спасает только перезагрузка всей вычислительной системы.
Вытесняющее планирование обычно используется в системах разделения времени. В этом режиме планирования процесс может быть приостановлен в любой момент своего исполнения. Операционная система устанавливает специальный таймер для генерации сигнала прерывания по истечении некоторого интервала времени — кванта. После прерывания процессор передается в распоряжение следующего процесса. Временные прерывания помогают гарантировать приемлемые времена отклика процессов для пользователей, работающих в диалоговом режиме, и предотвращают “зависание” компьютерной системы из-за зацикливания какой-либо программы.
Алгоритмы планирования
Существует достаточно большой набор разнообразных алгоритмов планирования, которые предназначены для достижения различных целей и эффективны для разных классов задач. Многие из них могут быть использованы на нескольких уровнях планирования. В этом разделе мы рассмотрим некоторые наиболее употребительные алгоритмы применительно к процессу кратковременного планирования.