Понятие вычислительного процесса
Понятие «вычислительный процесс» (или просто – «процесс») является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Это понятие является определенным видом абстракции, будем придерживаться следующего определения.
Последовательный процесс (или задача) – это выполнение отдельной программы с её данными на последовательном процессоре. Также в литературе встречается другое определение процесса. Процесс – минимальный программный объект, обладающий собственными системными ресурсами (запущенная программа).
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.
Итак, процесс – это программный модуль, выполняемый в центральном процессоре (CPU). Операционная система контролирует следующую деятельность, связанную с процессами:
создание и удаление процессов;
планирование процессов;
синхронизация процессов;
коммуникация процессов;
разрешение тупиковых ситуаций.
Не следует смешивать понятия процесс и программа. Программа – это план действий, а процесс – это само действие, поэтому понятие процесса включает:
программный код;
данные;
содержимое стека;
содержимое адресного и других регистров процессора.
Таким образом, для одной программы могут быть созданы несколько процессов в том случае, если с помощью одной программы в CPU выполняется несколько несовпадающих последовательностей команд.
Понятие ресурса
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. Т.е. ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы.
Вычислительными ресурсами называются возможности, обеспечиваемые компонентами вычислительной системы, расходуемые (занимаемые) в процессе её работы. Типы вычислительных ресурсов: процессорное время, память (оперативная и виртуальная), место на жёстком диске (постоянная память), пропускная способность сети.
Понятие активного процесса. Динамика состояний процесса
Рассмотрим динамику состояния процесса.
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 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 обычных (не реального времени) ОС, как правило, процесс появляется при запуске какой-нибудь программы. ОС организует (порождает или выделяет) для нового процесса соответствующий дескриптор (описатель) 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, как правило, уже заранее 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, что мы и отобразили на рис. 3.3, отделив это состояние от остальных состояний пунктиром.
Рис. 3.3. Граф состояний процесса
За время своего существования процесс может неоднократно совершать переходы из одного состояния в другое. Это обусловлено:
обращениями к ОС с запросами ресурсов;
выполнением системных функций, которые предоставляет ОС;
взаимодействием с другими процессами;
появлением сигналов прерывания от таймера, каналов и устройств ввода/вывода, а также других устройств.
Возможные переходы процесса из одного состояния в другое отображены на рис. 3.3.
Рассмотрим эти переходы из одного состояния в другое более подробно.
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 (в большинстве современных ОС для ПК);
при выборе из очерёди планировщиком (характерно для ОС, 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 инициативного1 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 ОСРВ.
Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин:
процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передаёт управление ОС 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.
Процесс деблокируется и переводится в состояние готовности к исполнению при наступлении соответствующего события:
завершение операции ввода/вывода;
освобождение затребованного ресурса;
загрузка в оперативную память страницы виртуальной памяти и т.д.
Таким образом, движущей силой, меняющей состояния процессов, являются события.