Архитектура операционных систем. Процессы и потоки презентация

в ОС
Как исполняемый объект, процесс позволяет параллельное выполнение нескольких программ в системе (ЦП переключается между процессами)
Всё ПО, работающее на компьютере, включая саму ОС, организовано в виде множества процессов

данных, необходимых для выполнения этой программы
Контекста (информация, необходимая ОС для управления процессом)
№ процесса
Регистры ЦП
Содержимое стэка
Контекст – основа для переключения процессов
ОС ведёт список всех процессов, находящихся в системе

адресном пространстве, которое состоит из:
Сегмента стэка: используется для вызовов функций и системных вызовов
Сегмента данных: переменные, статические и динамические выделяемые из кучи
Сегмент кода: код программы, обычно доступ в режиме только для чтения
Запуск одной и той же программы несколько раз – порождает новые процессы, у каждого из которых своё виртуальное адресное пространство и окружение

стэк

код программы

данные

куча

0

макс.

Сегмент кода

Сегмент данных

Сегмент стэка

Process Control Block (PCB)
Описывает свой процесс и его текущее состояние
Образ процесса (Process Image)
Память, выделенная для процесса

процесса
Идентификатор процеса
№ процесса, информация о пользователе, …
Состояние процессора
Регистры, указатели стэка, и т.д.
Состояние процесса
Информация для планировщика: приоритет, …
Привилегии: доступ к памяти, допустимые инструкции
Информация о виртуальной памяти, присвоенной процессу
Статистика и ограничения (ограничения по времени выполнения, статистика о затраченном процессорном времени)
Ввод/вывод: владение ресурсами, открытые файлы, выделенные устройства

одного процесса на другой
В любой момент времени, процесс может находится в каком-либо состоянии
Ожидания ввода/вывода
Выполнения
Готовности к выполнению
Выгруженном
…

(временно остановлен)
Блокировки (ожидает внешнего события)

Выполнение

Блокировка

Готовность

1.

2.

3.

4.

Диспетчеризация

Таймаут

Ожидание события

Событие произошло

Процесс заблокирован для В/В
Диспетчер планирует другой процесс
Диспетчер планирует этот процесс
В/В произошёл, процесс возобновляет выполнение

не помещён операционной системой в пул выполняемых процессов. Создан PCB, но процесс ещё не в памяти
Готовность: процесс полностью готов для выполнения
Выполнение: процесс исполняется
Блокировка: процесс ожидает внешнего события (В/В, и т.п.)
Завершен: процесс удаляется из пула выполняемых процессов (он закончил работу)

Готов

Новый

Заблокирован

Выполняется

Завершен

Диспетчеризация

Таймаут

Ожидание события

Событие произошло

Принят

Завершение

задач: множество всех процессов в системе
Очередь готовых: множество всех процессов, готовых для выполнения
Очередь ожидающих: множество всех заблокированных процессов
Процессы перемещаются между этими очередями

все ожидающие этого события процессы нужно переместить из «заблокированных» в очередь «готовых»
ОС нужно просмотреть все заблокированные процессы в очереди, чтобы выбрать правильный
Решение: Использовать несколько очередей «заблокированных» процессов

Очередь «готовых»

Поступление

Диспетчинг

ЦП

Освобождение

Таймаут

Очередь «заблокированных»

Ожидание события

Произошло событие

«демоны» sched (pid 0), init (pid 1), и другие более высокоуровневые (веб-сервер, емейл-сервер и т.п.). Ядро – не процесс!
В NT, ядро - это системный процесс System (pid 4), далее загружаются система управления подсистемами smss.exe и т.д.
Текущий процесс порождает дочерний процесс
Напр. веб-сервер может порождать дочерний процесс для каждого нового запроса. Ужас! :)
В UNIX процесс init ожидает авторизации пользователя для того, чтобы запустить оболочку (новый процесс)
Пользователь создаёт новый процесс
Пользователь вызывает команду из текстовой оболочки, или запускает новую программу через графическую оболочку. Это создаёт новый процесс, родитель которого – оболочка.

стэк
Инициализировать PCB
Добавить процесс в очередь «готовых» к выполнению

взаимосвязаны
Группы процессов
Напр. интерпретатор командной строки (shell) является родительским для всех процессов, которые пользователь запускает из командной строки
Если пользователь посылает сигнал (напр. SIGKILL) группе процессов, то сигнал доставляется каждому процессу из группы

родительским, то родитель получает хэндл дочернего процесса. Т.о. может им управлять.
Этот хэндл можно передавать другим процессом (в отличие от Unix, где родительский процесс не может менять множество дочерних процессов)

вызывающего процесса, т.н. «дочерний» процесс
exec() заменяет образ процесса этого клона новой программой, которая должна быть выполнена
Поэтому всегда есть иерархия
После создания у родительского и дочернего процессов собственные, разные адресные пространства. Некоторые ресурсы могут быть общими (напр. открытые файлы)
Поэтому системный вызов fork() «возвращается дважды»
Один раз в родительский процесс, и один раз во вновь созданный

пространство дочернего процесса
(код, статические данные, куча, стэк)

Дочерний PCB

идентичная копия (единственное исключение – аргумент PID на вершине стэка)

Похожие, но не копия

одну копию старой?
«Легко». Вначале fork(), потом exec().
exec() не создаёт нового процесса, а заменяет данные текущего процеса новыми данными
У такой модели есть недостатки:
fork() очень медленный (нужно создать полную копию всего)
Решения в виде vfork(), copy-on-write, и т.п.

дополнительные опции.
Но всё-равно нужно чётко понимать, как работает fork()
В Linux exec() не является системным вызовом.
execve() – единственный системный вызов, аналогичный по функционалу exec()
Всё-равно нужно чётко понимать, как работает exec()

контекста»
Состояние старого процесса сохраняется в его PCB
Состояние нового процесса восстанавливается из его PCB
Время затраченное на переключение контекста – накладные расходы ОС
Зависит от аппаратной реализации

программы
Состояния потока выполнения
Счётчик команд (регистр IP)
Указатель стэка SP
Другие регистры
Множества ресурсов ОС
Открытые файлы, сетевые соединения, …
И всё это в одном понятии процесса. Не есть хорошо.
Разделим соответственно на 3 области

физически одновременное выполнение для достижения наибольшей производительности.
Одновременность – логическое и/или физическое одновременное выполнение. Далее «параллелизм».
Один из вариантов достижения параллелизма – использование множества процессов
Программы в разных процессах изолированы друг от друга
Потоки – другой способ достичь параллелизма
Потоки работают внутри одного процесса, все потоки процесса имеют одно адресное пространство, и те же ресурсы ОС
У потоков есть свой стэк и своё состояние ЦП

запросов параллельно
Ожидая данных по запросу клиента из базы данных, сервер мог бы загрузить данные с диска для другого клиента, и обработать запрос третьего клиента
Или, веб-браузер
В момент обращения к веб-страничке, он мог бы параллельно загружать данные из различных источников
Некая вычислительная программа, использующая физический параллелизм
Нужно обработать большой массив данных

одним данным
Один уровень доступа
Одно множество ресурсов
Но есть разное:
Стэк и указатель на стэк SP
Счётчик инструкций (регистр IP), указывающий на следующую инструкцию
Множество регистров ЦП

из них отображать своё виртуальное адресное пространство на одну и ту же физическую память
Неэффективно!
Затраты на PCB, таблицы страниц, создание операционной системой структур данных, копирование адресного пространства, и т.д.

нити, потока управления (т.е. состояния выполнения – стэка, регистров ЦП)
Иногда такое состояние выполнения называют «лёгким процессом» или потоком

пространство и общие атрибуты процесса
Поток, который определяет последовательный поток выполнения в рамках процесса
Поток привязывается к одному процессу (адресному пространству)
Но может быть много потоков в одном адресном пространстве
Лёгкий доступ к общим данным
Создание потоков занимает очень мало времени
Потоки стали единицей планирования
Процессы – всего-лишь контейнер, в котором выполняются потоки

– разделение понятия процесса от минимального потока управления
Для параллельного выполнения не нужно создавать новые процессы
Быстрее, меньше требования к памяти

+ подразумевался единственный поток
Теперь: «процесс» = адресное пространство + ресурсы ОС + все потоки процесса

нового потока
Выделяет стэк выполнения внутри адресного пространства процесса
Создаёт и инициализирует Thread Control Block (указатель стэка и другие регистры ЦП)
Каждый поток идентифицируется своим номером (TID, по аналогии с PID)
На уровне пользователя
Есть возможность управлять потоками из библиотеки режима пользователя

стэком и небольшим блоком TCB
Создание потока, переключение между потоками и синхронизация потоков выполняется вообще без участия ядра!
Потоки уровня пользователя могут быть в 10-100 раз быстрее, чем потоки режима ядра

потока режима ядра pthread_create()/pthread_join() в 2.5 раза быстрее создания нового процесса fork/exit.
Создание потока режима пользователя в 20 раз быстрее создания потока режима ядра
В тестах использовалось ядро Linux

намного эффективнее процессов, но есть потери на системные вызовы
Потоки режима пользователя имеют преимущества и недостатки
Высокая скорость и «дешевизна» создания
Могут быть проблемы с вводом/выводом и блокировками, из-за того, что ядро «не знает» об этих потоках
Возможно решить проблемы на уровне планировщика