Понятие вычислительного процесса и ресурса

Понятия вычислительного процесса и ресурса

Понятие «вычислительный процесс» (или просто - «процесс») является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Как понятие процесс является определенным видом абстракции, и мы будем придерживаться следующего неформального определения, приведенного в работе. Последовательный процесс (иногда называемый «задачей») - это выполнение отдельной программы с её данными на последовательном процессоре. Концептуально процессор рассматривается в двух аспектах: во-первых, он является носителем данных и, во-вторых, он (одновременно) выполняет операции, связанные с их обработкой.

В качестве примеров можно назвать следующие процессы (задачи): прикладные программы пользователей, утилиты и другие системные обрабатывающие программы. Процессами могут быть редактирование какого-либо текста, трансляция исходной программы, её компоновка, исполнение. Причем трансляция какой-нибудь исходной программы является одним процессом, а трансляция следующей исходной программы - другим процессом, поскольку, хотя транслятор как объединение программных модулей здесь выступает как одна и та же программа, но данные, которые он обрабатывает, являются разными.

Определение концепции процесса преследует цель выработать механизмы распределения и управления ресурсами. Понятие ресурса, так же как и понятие процесса, является, пожалуй, основным при рассмотрении операционных систем. Термин ресурс обычно применяется по отношению к повторно используемым, относительно стабильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности. Другими словами, ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы.

Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов могут их использовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (в течение некоторого интервала времени процессы используют ресурс попеременно), а могут быть и неделимыми.

При разработке первых систем ресурсами считались процессорное время, память, каналы ввода/вывода и периферийные устройства. Однако очень скоро понятие ресурса стало гораздо более универсальным и общим. Различного рода программные и информационные ресурсы также могут быть определены для системы как объекты, которые могут разделяться и распределяться и доступ к которым необходимо соответствующим образом контролировать. В настоящее время понятие ресурса превратилось в абстрактную структуру с целым рядом атрибутов, характеризующих способы доступа к этой структуре и её физическое представление в системе. Более того, помимо системных ресурсов, о которых мы сейчас говорили, как ресурс стали толковать и такие объекты, как сообщения и синхросигналы, которыми обмениваются задачи.

В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного завершения предыдущей. Поскольку эти первые вычислительные системы были построены в соответствии с принципами, изложенными в известной работе Яноша Джон фон Неймана, все подсистемы и устройства компьютера управлялись исключительно центральным процессором. Центральный процессор осуществлял и выполнение вычислений, и управление операциями ввода/вывода данных. Соответственно, пока осуществлялся обмен данными между оперативной памятью и внешними устройствами, процессор не мог выполнять вычисления. Введение в состав вычислительной машины специальных контроллеров позволило совместить во времени (распараллелить) операции вывода полученных данных и последующие вычисления на центральном процессоре. Однако все равно процессор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь завершения очередной операции ввода/вывода. Поэтому было предложено организовать так называемый мультипрограммный (мультизадачный) режим работы вычислительной системы. Суть его заключается в том, что пока одна программа (один вычислительный процесс или задача, как мы теперь говорим) ожидает завершения очередной операции ввода/вывода, другая программа (а точнее, другая задача) может быть поставлена на решение.

При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем если бы он выполнялся в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счёт дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса).

Как мы уже отмечали, операционная система поддерживает мультипрограммирование (многопроцессность) и старается эффективно использовать ресурсы путём организации к ним очередей запросов, составляемых тем или иным способом.

Это требование достигается поддерживанием в памяти более одного процесса, ожидающего процессор, и более одного процесса, готового использовать другие ресурсы, как только последние станут доступными. Общая схема выделения ресурсов такова. При необходимости использовать какой-либо ресурс (оперативную память, устройство ввода/вывода, массив данных и т. п.) задача обращается к супервизору операционной системы - её центральному управляющему модулю, который может состоять из нескольких модулей, например: супервизор ввода/вывода, супервизор прерываний, супервизор программ, диспетчер задач и т. д. - посредством специальных вызовов (команд, директив) и сообщает о своём требовании. При этом указывается вид ресурса и, если надо, его объём (например, количество адресуемых ячеек оперативной памяти, количество дорожек или секторов на системном диске, устройство печати и объём выводимых данных и т. п.).

Директива обращения к операционной системе передаёт ей управление, переводя процессор в привилегированный режим работы, если такой существует. Не все вычислительные комплексы имеют два (и более) режима работы: привилегированный (режим супервизора), пользовательский, режим эмуляции какого-нибудь другого компьютера и т. д.

Ресурс может быть выделен задаче, обратившейся к супервизору с соответствующим запросом, если:

он свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому же ресурсу;

текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использование ресурсов;

ресурс используется задачей низшего приоритета и может быть временно отобран (разделяемый ресурс).

Получив запрос, операционная система либо удовлетворяет его и возвращает управление задаче, выдавшей данный запрос, либо, если ресурс занят, ставит задачу в очередь к ресурсу, переводя её в состояние ожидания (блокируя). Очередь к ресурсу может быть организована несколькими способами, но чаще всего это осуществляется с помощью списковой структуры.

После окончания работы с ресурсом задача опять с помощью специального вызова супервизора (посредством соответствующей директивы) сообщает операционной системе об отказе от ресурса, или операционная система забирает ресурс сама, если управление возвращается супервизору после выполнения какой-либо системной функции. Супервизор операционной системы, получив управление по этому обращению, освобождает ресурс и проверяет, имеется ли очередь к освободившемуся ресурсу. Если очередь есть - в зависимости от принятой дисциплины обслуживания (правила обслуживания) и приоритетов заявок он выводит из состояния ожидания задачу, ждущую ресурс, и переводит её в состояние готовности к выполнению. После этого управление либо передаётся данной задаче, либо возвращается той, которая только что освободила ресурс.

При выдаче запроса на ресурс задача может указать, хочет ли она владеть ресурсом монопольно или допускает совместное использование с другими задачами. Например, с файлом можно работать монопольно, а можно и совместно с другими задачами.

Если в системе имеется некоторая совокупность ресурсов, то управлять их использованием можно на основе определенной стратегии. Стратегия подразумевает четкую формулировку целей, следуя которым можно добиться эффективного распределения ресурсов.

При организации управления ресурсами всегда требуется принять решение о том, что в данной ситуации выгоднее: быстро обслуживать отдельные наиболее важные запросы, предоставлять всем процессам равные возможности либо обслуживать максимально возможное количество процессов и наиболее полно использовать ресурсы.

Необходимо различать системные управляющие процессы, представляющие работу супервизора операционной системы и занимающиеся распределением и управлением ресурсов, от всех других процессов: системных обрабатывающих процессов, которые не входят в ядро операционной системы, и процессов пользователя. Для системных управляющих процессов в большинстве операционных систем ресурсы распределяются изначально и однозначно. Эти процессы управляют ресурсами системы, за использование которых существует конкуренция между всеми остальными процессами. Поэтому исполнение системных управляющих программ не принято называть процессами. Термин задача можно употреблять только по отношению к процессам пользователей и к системным обрабатывающим процессам. Однако это справедливо не для всех ОС. Например, в так называемых «микроядерных» ОС (в качестве примера можно привести ОС реального времени QNX фирмы Quantum Software systems) большинство управляющих программных модулей самой ОС и даже драйверы имеют статус высокоприоритетных процессов, для выполнения которых необходимо выделить соответствующие ресурсы. Аналогично и в UNIX-системах выполнение системных программных модулей тоже имеет статус системных процессов, которые получают ресурсы для своего исполнения.

Если обобщать и рассматривать не только обычные ОС общего назначения, но и, например, ОС реального времени, то можно сказать, что процесс может находиться в активном и пассивном (не активном) состоянии. В активном состоянии процесс может участвовать в конкуренции за использование ресурсов вычислительной системы, а в пассивном - он только известен системе, но в конкуренции не участвует (хотя его существование в системе и сопряжено с предоставлением ему оперативной и/или внешней памяти). В свою очередь, активный процесс может быть в одном из следующих состояний:

выполнения - все затребованные процессом ресурсы выделены. В этом состоянии в каждый момент времени может находиться только один процесс, если речь идёт об однопроцессорной вычислительной системе;

готовности к выполнению - ресурсы могут быть предоставлены, тогда процесс перейдёт в состояние выполнения;

блокирования или ожидания - затребованные ресурсы не могут быть предоставлены, или не завершена операция ввода/вывода.

В большинстве операционных систем последнее состояние, в свою очередь, подразделяется на множество состояний ожидания, соответствующих определенному виду ресурса, из-за отсутствия которого процесс переходит в заблокированное состояние.

В обычных ОС, как правило, процесс появляется при запуске какой-нибудь программы. ОС организует (порождает или выделяет) для нового процесса соответствующий дескриптор (см. об этом дальше) процесса, и процесс (задача) начинает развиваться (выполняться). Поэтому пассивного состояния не существует. В ОС реального времени (ОСРВ) ситуация иная. Обычно при проектировании системы реального времени уже заранее бывает известен состав программ (задач), которые должны будут выполняться. Известны и многие их параметры, которые необходимо учитывать при распределении ресурсов (например, объём памяти, приоритет, средняя длительность выполнения, открываемые файлы, используемые устройства и т. п.). Поэтому для них заранее заводят дескрипторы задач с тем, чтобы впоследствии не тратить драгоценное время на организацию дескриптора и поиск для него необходимых ресурсов. Таким образом, в ОСРВ многие процессы (задачи) могут находиться в состоянии бездействия.

За время своего существования процесс может неоднократно совершать переходы из одного состояния в другое. Это обусловлено обращениями, к операционной системе с запросами ресурсов и выполнения системных функций, которые предоставляет операционная система, взаимодействием с другими процессами, появлением сигналов прерывания от таймера, каналов и устройств ввода/вывода, а также других устройств.

Процесс из состояния бездействия может перейти в состояние готовности в следующих случаях:

¦ по команде оператора (пользователя). Имеет место в тех диалоговых операционных системах, где программа может иметь статус задачи (и при этом являться пассивной), а не просто быть исполняемым файлом и только на время исполнения получать статус задачи (как это происходит в большинстве современных ОС для ПК);

при выборе из очерёди планировщиком (характерно для операционных систем, работающих в пакетном режиме);

по вызову из другой задачи (посредством обращения к супервизору один процесс может создать, инициировать, приостановить, остановить, уничтожить другой процесс);

по прерыванию от внешнего инициативного устройства (сигнал о свершении некоторого события может запускать соответствующую задачу);

при наступлении запланированного времени запуска программы.

Последние два способа запуска задачи, при которых процесс из состояния бездействия переходит в состояние готовности, характерны для операционных систем реального времени.

Процесс, который может исполняться, как только ему будет предоставлен процессор, а для диск-резидентных задач в некоторых системах - и оперативная память, находится в состоянии готовности. Считается, что такому процессу уже выделены все необходимые ресурсы за исключением процессора.

Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин:

процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передаёт управление операционной системе и сообщает о своем завершении. В результате этих действий супервизор либо переводит его в список бездействующих процессов (процесс переходит в пассивное состояние), либо уничтожает (уничтожается, естественно, не сама программа, а именно задача, которая соответствовала исполнению некоторой программы). В состояние бездействия процесс может быть переведен принудительно: по команде оператора (действие этой и других команд оператора реализуется системным процессом, который «транслирует» команду в запрос к супервизору с требованием перевести указанный процесс в состояние бездействия), или путем обращения к супервизору операционной системы из другой задачи с требованием остановить данный процесс;

процесс переводится супервизором операционной системы в состояние готовности к исполнению в связи с появлением более приоритетной задачи или в связи с окончанием выделенного ему кванта времени;

процесс блокируется (переводится в состояние ожидания) либо вследствие запроса операции ввода/вывода (которая должна быть выполнена прежде, чем он сможет продолжить исполнение), либо в силу невозможности предоставить ему ресурс, запрошенный в настоящий момент (причиной перевода в состояние ожидания может быть и отсутствие сегмента или страницы в случае организации механизмов виртуальной памяти), а также по команде оператора на приостановку задачи или по требованию через супервизор от другой задачи.

При наступлении соответствующего события (завершилась операция ввода/вывода, освободился затребованный ресурс, в оперативную память загружена необходимая страница виртуальной памяти и т. д.) процесс деблокируется и переводится в состояние готовности к исполнению.

Таким образом, движущей силой, меняющей состояния процессов, являются события. Один из основных видов событий - это прерывания.

Реализация понятия последовательного процесса в ОС

Для того чтобы операционная система могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится специальная информационная структура, называемая дескриптором процесса (описателем задачи, блоком управления задачей). В общем случае дескриптор процесса содержит следующую информацию:

идентификатор процесса (так называемый PID - process identificator);

тип (или класс) процесса, который определяет для супервизора некоторые правила предоставления ресурсов;

приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ресурсы. В рамках одного класса процессов в первую очередь обслуживаются более приоритетные процессы;

переменную состояния, которая определяет, в каком состоянии находится процесс (готов к работе, в состоянии выполнения, ожидание устройства ввода/вывода и т. д.);

защищённую область памяти (или адрес такой зоны), в которой хранятся текущие значения регистров процессора, если процесс прерывается, не закончив работы. Эта информация называется контекстом задачи;

информацию о ресурсах, которыми процесс владеет и/или имеет право пользоваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных операциях ввода/вывода и т. п.);

место (или его адрес) для организации общения с другими процессами;

параметры времени запуска (момент времени, когда процесс должен активизироваться, и периодичность этой процедуры);

в случае отсутствия системы управления файлами - адрес задачи на диске в её исходном состоянии и адрес на диске, куда она выгружается из оперативной памяти, если её вытесняет другая (для диск-резидентных задач, которые постоянно находятся во внешней памяти на системном магнитном диске и загружаются в оперативную память только на время выполнения).

Описатели задач, как правило, постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу супервизора, который организует их в списки (очереди) и отображает изменение состояния процесса перемещением соответствующего описателя из одного списка в другой. Для каждого состояния (за исключением состояния выполнения для однопроцессорной системы) операционная система ведет соответствующий список задач, находящихся в этом состоянии. Однако для состояния ожидания может быть не один список, а столько, сколько различных видов ресурсов могут вызывать состояние ожидания. Например, состояний ожидания завершения операции ввода/вывода может быть столько, сколько устройств ввода/вывода имеется в системе.

В некоторых операционных системах количество описателей определяется жестко и заранее (на этапе генерации варианта операционной системы или в конфигурационном файле, который используется при загрузке ОС), в других - по мере необходимости система может выделять участки памяти под новые описатели. Например, в OS/2 максимально возможное количество описателей задач определяется в конфигурационном файле CONFIG.SYS, а в Windows NT оно в явном виде не задается. Справедливости ради стоит заметить, что в упомянутом файле указывается количество не процессов, а именно задач, и под задачей в данном случае понимается как процесс, так и поток этого же процесса, называемый потоком или тредом. Например, строка в файле CONFIG.SYS

THREADS=1024

указывает, что всего в системе может параллельно существовать и выполняться до 1 024 задач, включая вычислительные процессы и их потоки.

В ОС реального времени чаще всего количество процессов фиксируется и, следовательно, целесообразно заранее определять (на этапе генерации или конфигурирования ОС) количество дескрипторов. Для использования таких ОС в качестве систем общего назначения (что сейчас встречается редко, а в недалеком прошлом достаточно часто в качестве вычислительных систем общего назначения приобретали мини-ЭВМ и устанавливали на них ОС реального времени) обычно количество дескрипторов берется с некоторым запасом, и появление новой задачи связывается с заполнением этой информационной структуры. Поскольку дескрипторы процессов постоянно располагаются в оперативной памяти (с целью ускорить работу диспетчера), то их количество не должно быть очень большим. При необходимости иметь большое количество задач один и тот же дескриптор может в разное время предоставляться для разных задач, но это сильно снижает скорость реагирования системы.

Для более эффективной обработки данных в системах реального времени целесообразно иметь постоянные задачи/полностью или частично всегда существующие в системе независимо от того, поступило на них требование или нет. Каждая постоянная задача обладает некоторой собственной областью оперативной памяти (ОЗУ-резидентные задачи) независимо от того, выполняется задача в данный момент или нет. Эта область, в частности, может использоваться для хранения данных, полученных задачей ранее. Данные могут храниться в ней и тогда, когда задача находится в состоянии ожидания или даже в состоянии бездействия.

Для аппаратной поддержки работы операционных систем с этими информационными структурами (дескрипторами задач) в процессорах могут быть реализованы соответствующие механизмы. Так, например, в микропроцессорах Intel 80х86, начиная с 80286, имеется специальный регистр TR (task register), указывающий местонахождение TSS (сегмента состояния задачи), в котором при переключении с задачи на задачу автоматически сохраняется содержимое регистров процессора. Как правило, в современных ОС для этих микропроцессоров дескриптор задачи включает в себя TSS. Другими словами, дескриптор задачи больше по размеру, чем TSS, и включает в себя такие традиционные поля, как идентификатор задачи, её имя, тип, приоритет и т. п.