Управление процессами и потоками

Основные функции этой подсистемы:

• создание процессов и потоков;
• обеспечение процессов и потоков необходимыми ресурсами;
• изоляция процессов;
• планирование выполнения процессов и потоков (вообще, следует говорить и о

• диспетчеризация потоков;
• организация межпроцессного взаимодействия;
• синхронизация процессов и потоков;
• завершение и уничтожение процессов и потоков.

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.

В ОС, где существуют процессы и потоки, процесс рассматривается как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Этот 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. Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации. Работа по определению момента, в который необходимо прервать выполнение текущего потока, и потока, которому следует предоставить возможность выполняться, называется планированием. Планирование потоков осуществляется на основе информации, хранящейся в описателях процессов и потоков. При планировании принимается во внимание приоритет потоков, время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения, интенсивность обращения к вводу-выводу и другие факторы.

Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования решения, т.е. в переключении процессора с одного потока на другой. Диспетчеризация проходит в три этапа:

• сохранение контекста текущего потока;
• загрузка контекста потока, выбранного в результате планирования;
• запуск нового потока на выполнение.

Когда в системе одновременно выполняется несколько независимых задач, возникают дополнительные проблемы. Хотя потоки возникают и выполняются синхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например, при обмене данными. Для общения друг с другом процессы и потоки могут использовать широкий спектр возможностей: каналы (в UNIX), почтовые ящики (Windows), вызов удаленной процедуры, сокеты (в Windows соединяют процессы на разных машинах). Согласование скоростей потоков также очень важно для предотвращения эффекта «гонок» (когда несколько потоков пытаются изменить один и тот же файл), взаимных блокировок и других коллизий, которые возникают при совместном использовании ресурсов.

Синхронизация потоков является одной из важнейших функций подсистемы управления процессами и потоками. Современные операционные системы предоставляют множество механизмов синхронизации, включая семафоры, мьютексы, критические области и события. Все эти механизмы работают с потоками, а не с процессами. Поэтому когда поток блокируется на семафоре, другие потоки этого процесса могут продолжать работу.

Каждый раз, когда процесс завершается, – а это происходит благодаря одному из следующих событий: обычный выход, выход по ошибке, выход по неисправимой ошибке, уничтожение другим процессом – ОС предпринимает шаги, чтобы «зачистить следы» его пребывания в системе. Подсистема управления процессами закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области оперативной памяти, отведенные под коды, данные и системные информационные структуры процесса. Выполняется коррекция всевозможных очередей ОС и список ресурсов, в которых имелись ссылки на завершаемый процесс.

Механизм многопоточной обработки (multithreading).

Понятию «поток» соответствует последовательный переход процессора от одной команды к другой. Процессору ОС назначают адресное пространство и набор ресурсов, которые совместно используются всеми его потоками. В отличие от процессов, которые принадлежат, вообще говоря, конкурирующим приложениям, все потоки одного процесса всегда принадлежат одному приложению, поэтому ОС изолирует потоки в гораздо меньшей степени, чем процессы в традиционной мультипрограммной системе. Все потоки одного процесса используют общие файлы, таймеры, устройства, одну и ту же область оперативной памяти, одно и то же адресное пространство.

Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к любому виртуальному адресу, один поток может задействовать стек другого потока. Между потоками одного процесса нет полной защиты, во-первых, потому что это невозможно, а во-вторых, потому что не нужно. Чтобы организовать взаимодействие и обмен данными, потокам 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.

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.
• состояние процесса, определяющее готовность процесса к выполнению
• данные о приоритете (текущий приоритет, по умолчанию, максимально
• информация о событиях – идентификация события, наступление которого
• указатели, позволяющие определить расположение образа процесса в
• указатели на другие процессы (в частности, находящиеся в очереди на
• флаги, сигналы и сообщения, имеющие отношение к обмену информацией
• данные о привилегиях, определяющих права доступа к определенной
• указатели на ресурсы, которыми управляет процесс (например, перечень
• сведения по истории использования ресурсов и процессора;
• информация, связанная с планированием. Эта информация во многом
• содержимое регистров процессора, доступных пользователю;
• содержимое счетчика команд;
• состояние управляющих регистров и регистров состояния;
• коды условий, отражающие результат выполнения последней
• указатели вершин стеков, хранящие параметры и адреса вызова процедур и

Информация по состоянию и управлению процессом включает следующие основные данные:

(выполняющийся, готовый к выполнению, ожидающий какого-либо события, приостановленный);

позволит продолжить выполнение процесса;

оперативной памяти и на диске;

между двумя независимыми процессами;

области памяти или возможности выполнять определенные виды команд, использовать системные утилиты и службы;

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:

арифметической или логической операции (например, знак равенства нулю, переполнения);

Планирование и диспетчеризация потоков

На протяжении существования процесса выполнение его потоков может быть многократно прервано и продолжено. (В системе, не поддерживающей потоки, все сказанное ниже о планировании и диспетчеризации относится к процессу в целом.)

Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации.Работа по определению того, в какой момент необходимо прервать выполнение текущего активного потока и какому потоку предоставить возможность выполняться, называется планированием.Планиро­вание потоков осуществляется на основе информации, хранящейся в описателях процессов и потоков. При планировании могут приниматься во внимание при­оритет потоков, время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения, интенсивность обращений к вводу-выводу и другие факторы. ОС планирует вы­полнение потоков независимо от того, принадлежат ли они одному или разным процессам. Так, например, после выполнения потока некоторого процесса ОС может выбрать для выполнения другой поток того же процесса или же назна­чить к выполнению поток другого процесса.

Планирование потоков, по существу, включает в себя решение двух задач:

· определение момента времени для смены текущего активного потока;

· выбор для выполнения потока из очереди готовых потоков.

Существует множество различных алгоритмов планирования потоков, по-своему решающих каждую из приведенных выше задач. Алгоритмы планирования могут преследовать различные цели и обеспечивать разное качество мультипро­граммирования. Например, в одном случае выбирается такой алгоритм планирования, при котором гарантируется, что ни один поток/процесс не будет занимать процессор дольше определенного времени, в другом случае целью является мак­симально быстрое выполнение «коротких» задач, а в третьем случае — преиму­щественное право занять процессор получают потоки интерактивных приложе­ний. Именно особенности реализации планирования потоков в наибольшей степени определяют специфику операционной системы, в частности, является ли она сис­темой пакетной обработки, системой разделения времени или системой реально­го времени.

В большинстве операционных систем универсального назначения планирование осуществляется динамически (on-line), то есть решения принимаются во время работы системы на основе анализа текущей ситуации. ОС работает в условиях неопределенности — потоки и процессы появляются в случайные моменты вре­мени и также непредсказуемо завершаются. Динамические планировщики могут гибко приспосабливаться к изменяющейся ситуации и не используют никаких предположений о мультипрограммной смеси. Для того чтобы оперативно найти в условиях такой неопределенности оптимальный в некотором смысле порядок вы­полнения задач, операционная система должна затрачивать значительные усилия.

Другой тип планирования — статический — может быть использован в специа­лизированных системах, в которых весь набор одновременно выполняемых за­дач определен заранее, например в системах реального времени. Планировщик называется статическим (или предварительным планировщиком), если он при­нимает решения о планировании не во время работы системы, а заранее (off-line). Соотношение между динамическим и статическим планировщиками аналогично соотношению между диспетчером железной дороги, который пропускает поезда строго по предварительно составленному расписанию, и регулировщиком на пе­рекрестке автомобильных дорог, не оснащенном светофорами, который решает, какую машину остановить, а какую пропустить, в зависимости от ситуации на перекрестке.

Результатом работы статического планировщика является таблица, называемая расписанием, в которой указывается, какому потоку/процессу, когда и на какое время должен быть предоставлен процессор. Для построения расписания плани­ровщику нужны как можно более полные предварительные знания о характери­стиках набора задач, например о максимальном времени выполнения каждой за­дачи, ограничениях предшествования, ограничениях по взаимному исключению, предельным срокам и т. д.

После того как расписание готово, оно может использоваться операционной сис­темой для переключения потоков и процессов. При этом накладные расходы ОС на исполнение расписания оказываются значительно меньшими, чем при дина­мическом планировании, и сводятся лишь к диспетчеризации потоков/процессов.

Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирова­ния (динамического или статистического) решения, то есть в переключении про­цессора с одного потока на другой.Прежде чем прервать выполнение потока, ОС запоминает его контекст, с тем чтобы впоследствии использовать эту инфор­мацию для последующего возобновления выполнения данного потока. Контекст отражает, во-первых, состояние аппаратуры компьютера в момент прерывания потока: значение счетчика команд, содержимое регистров общего назначения, режим работы процессора, флаги, маски прерываний и другие параметры. Во-вторых, контекст включает параметры операционной среды, а именно ссылки на открытые файлы, данные о незавершенных операциях ввода-вывода, коды оши­бок выполняемых данным потоком системных вызовов и т. д.

Диспетчеризация сводится к следующему:

· сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить;

· загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования;

· запуск нового потока на выполнение.

Поскольку операция переключения контекстов существенно влияет на произ­водительность вычислительной системы, программные модули ОС выполняют диспетчеризацию потоков совместно с аппаратными средствами процессора.

В контексте потока можно выделить часть, общую для всех потоков данного про­цесса (ссылки на открытые файлы), и часть, относящуюся только к данному по­току (содержимое регистров, счетчик команд, режим процессора). Например, в среде NetWare 4.x различаются три вида контекстов: глобальный контекст (кон­текст процесса), контекст группы потоков и контекст отдельного потока. Соот­ношение между данными этих контекстов напоминает соотношение глобальных и локальных переменных в программе, написанной на языке С. Переменные гло­бального контекста доступны для всех потоков, созданных в рамках одного про­цесса. Переменные локального контекста доступны только для кодов определен­ного потока, аналогично локальным переменным функции. В NetWare можно соз­давать несколько групп потоков внутри одного процесса и эти группы будут иметь свой групповой контекст. Переменные, принадлежащие групповому контексту, доступны всем потокам, входящим в группу, но недоступны остальным потокам.

Очевидно, что такая иерархическая организация контекстов ускоряет переклю­чение потоков, так как при переключении с потока на поток в пределах одной группы нет необходимости заменять контексты групп или глобальные контек­сты, достаточно лишь заменить контексты потоков, которые имеют меньший объем. Аналогично при переключении с потока одной группы на поток другой группы в пределах одного процесса глобальный контекст не изменяется, а изме­няется лишь контекст группы. Переключение же глобальных контекстов проис­ходит только при переходе с потока одного процесса на поток другого процесса.

В различных ОС можно встретить компоненты ОС, имеющие названия планировщик (scheduler) или диспетчер (dispatcher). He следует однозначно судить о функциональном назначении этих компонентов по их названиям, то есть считать, что планировщик выпол­няет планирование, а диспетчер — диспетчеризацию в том смысле, в котором эти функции были определены выше. Чаще всего то и другое названия используются для обозначения компонентов, которые занимаются планированием.