Лабораторная работа

Тема: «Управление процессами в операционной системе»

Цель работы: ознакомиться с организацией, взаимодействием, планированием процессов и потоков в Windows 200/XP

Теоретические сведения

Процессы и потоки в Windows 2000

В операционной системе Windows 2000 есть множество концепций для управления центральным процессором и объединения ресурсов.

Основные понятия

В операционной системе Windows 2000 поддерживаются традиционные процессы, способные общаться и синхронизироваться друг с другом. Каждый процесс содержит по крайней мере один поток, содержащий, в свою очередь, как минимум одно волокно (облегченный поток). Более того, для управления определенными ресурсами процессы могут объединяться в задания. Все вместе — задания, процессы, потоки и волокна — образует общий набор инструментов для управления ресурсами и реализации параллелизма как на однопроцессорных, так и на многопроцессорных машинах. Краткое описание этих четырех понятий приведено в таблице 1.

Таблица 1

Основные понятия, используемые для управления центральным процессором и ресурсами

Название	Описание
Задание	Набор процессов с общими квотами и лимитами
Процесс	Контейнер для ресурсов
Поток	Сущность, планируемая ядром
Волокно	Облегченный поток, управляемый полностью в пространстве пользователя

Задание в Windows 2000 представляет собой набор, состоящий из одного или нескольких процессов, управляемых как единое целое. С каждым заданием ассоциированы квоты и лимиты ресурсов, хранящиеся в соответствующем объекте задания. Квоты включают такие пункты, как максимальное количество процессов (не позволяющее процессам задания создавать бесконтрольное количество дочерних процессов), суммарное время центрального процессора, доступное для каждого процесса в отдельности и для всех процессов вместе, а также максимальное количество используемой памяти для процесса и для всего задания. Задания также могут ограничивать свои процессы в вопросах безопасности, например, запрещать им получать права администратора (суперпользователя) даже при наличии правильного пароля.

Процессы являются более важными, чем задания. Процессы представляют собой контейнеры для ресурсов. У каждого процесса есть 4-гигабайтное адресное пространство, в котором пользователь занимает нижние 2 Гбайт (в версиях Windows 2000 Advanced Server и Datacenter Server этот размер может быть по желанию увеличен до 3 Гбайт), а операционная система занимает остальную его часть. Таким образом, операционная система присутствует в адресном пространстве каждого процесса, хотя она и защищена от изменений с помощью аппаратного блока управления памятью MMU. У процесса есть идентификатор процесса, один или несколько потоков, список дескрипторов (управляемых в режиме ядра) и маркер доступа, хранящий информацию защиты. Процессы создаются с помощью вызова Win32, который принимает на входе имя исполняемого файла, определяющего начальное содержимое адресного пространства, и создает первый поток.

Каждый процесс начинается с одного потока, но новые потоки могут создаваться динамически. Потоки формируют основу планирования центрального процессора, так как операционная система всегда для запуска выбирает поток, а не процесс. У каждого потока есть состояние (готовый, работающий, блокированный и т. д.), тогда как у процессов состояний нет. Потоки могут динамически создаваться вызовом Win32, которому в адресном пространстве процесса задается адрес начала исполнения. У каждого потока есть идентификатор потока, выбираемый из того же пространства, что и идентификаторы процессов, поэтому один и тот же идентификатор никогда не будет использован одновременно для процесса и для потока. Идентификаторы процессов и потоков кратны четырем, поэтому они могут использоваться в роли байтовых индексов в таблицах ядра, как и другие объекты.

Поток работает в пользовательском режиме, но когда он обращается к системному вызову, то переключается в режим ядра, после чего продолжает выполнять тот же поток, с теми же свойствами и ограничениями, которые были у него в режиме пользователя. У каждого потока есть два стека, один используется в режиме ядра, а другой в режиме пользователя. Помимо состояния, идентификатора и двух стеков, у каждого потока есть контекст (в котором сохраняются его регистры, когда он не работает), приватная область для локальных переменных, а также может быть свой собственный маркер доступа. Если у потока есть свой маркер доступа, то он перекрывает маркер доступа процесса, чтобы клиентские потоки могли передать свои права доступа серверным потокам, выполняющим работу для них. Когда поток завершает свою работу, он может прекратить свое существование. Когда прекращает существование последний активный поток, процесс завершается.

Потоки представляют собой концепцию планирования, а не концепцию владения ресурсами. Любой поток может получить доступ ко всем объектам его процесса. Для этого ему нужно получить дескриптор и обратиться к соответствующему вызову Win32. Для потока нет никаких ограничений доступа к объекту, связанных с тем, что этот объект создан или открыт другим потоком. Система даже не следит за тем, какой объект каким потоком создан. Как только дескриптор объекта помещен в таблицу дескрипторов процесса, любой поток процесса может его использовать.

Помимо потоков, работающих в процессах пользователя, в операционной системе Windows 2000 есть множество процессов-демонов, не связанных ни с каким пользовательским процессом (они ассоциированы со специальной системой или простаивающими процессами). Некоторые демоны выполняют административные задачи, как, например, запись «грязных» страниц на диск, тогда как другие формируют пул, и ими могут пользоваться компоненты исполняющей системы или драйверы, которым нужно выполнить какие-либо асинхронные задачи в фоновом режиме.

Переключение потоков в операционной системе Windows 2000 занимает довольно много времени, так как для этого необходимо переключение в режим ядра, а затем возврат в режим пользователя. Для предоставления сильно облегченного псевдопараллелизма в Windows 2000 используются волокна, подобные потокам, но планируемые в пространстве пользователя создавшей их программой (или ее системой поддержки исполнения). У каждого потока может быть несколько волокон, так же как у процесса может быть несколько потоков, с той разницей, что когда волокно логически блокируется, оно помещается в очередь блокированных волокон, после чего для работы выбирается другое волокно в контексте того же потока.

Операционная система не знает о смене волокон, так как все тот же поток продолжает работу. Так как операционная система ничего не знает о волокнах, то с ними, в отличие от заданий, процессов и потоков, не связаны объекты исполняющей системы. Для управления волокнами нет и настоящих системных вызовов. Однако для этого есть вызовы Win32 API. Они относятся к тем вызовам Win32 API, которые не обращаются к системным вызовам. Взаимосвязь между заданиями, процессами и потоками показана на рис. 1. (Несколько волокон могут объединяться в одном потоке, что не показано на рисунке.)

Р ис. 1. Взаимосвязь между заданиями, процессами и потоками

Вызовы API для управления заданиями, процессами, потоками и волокнами

Новые процессы создаются при помощи функции Win32 API CreateProcess. У этой функции 10 параметров, каждый из которых может задаваться в различных вариантах. У вызова CreateProcess следующие 10 параметров:

1. Указатель на имя исполняемого файла.

2. Сама командная строка (непроанализированная).

3. Указатель на описатель защиты процесса.

4. Указатель на описатель защиты для начального потока.

5. Бит, управляющий наследованием дескрипторов.

6. Разнообразные флаги (например, режим ошибки, приоритет, отладка, консоли).

7. Указатель на строки окружения.

1. Указатель на имя текущего рабочего каталога нового процесса.

8. Указатель на структуру, описывающую начальное окно на экране.

10. Указатель на структуру, возвращающую вызывающему процессу 18 значений.

В операционной системе Windows 2000 не поддерживается какой-либо иерархии процессов, например «родительский-дочерний». Все созданные процессы равны. Поскольку один из 18 параметров, возвращаемых вызывающему процессу, представляет собой дескриптор нового процесса (что предоставляет контроль над новым процессом), существует негласная иерархия, заключающаяся в том, кто чьим дескриптором владеет. Хотя эти дескрипторы не могут напрямую передаваться другим процессам, у процесса есть способ создать дубликат дескриптора. Дубликат дескриптора может быть передан другому процессу и использоваться им, поэтому неявная иерархия процессов может просуществовать недолго.

Каждый процесс в Windows 2000 создается с одним потоком, но процесс может позднее создать дополнительные потоки. Создание потока проще создания процесса — у вызова CreateThread всего шесть параметров вместо десяти:

1. Описатель защиты (необязательный).

2. Начальный размер стека.

3. Адрес запуска.

4. Параметр, задаваемый пользователем.

5. Начальное состояние потока (готовый или блокированный).

6. Идентификатор потока.

Созданием потоков занимается ядро, поэтому оно имеет полное представление о потоках (потоки не реализуются полностью в пространстве пользователя, как это делается в некоторых других системах).