5 Виды процессов

- системные: являются частью ядра ОС и всегда находятся в оперативной памя-ти. Они не имеют соответствующих программ в виде исполняемых файлов и за-пускаются особым образом при инициализации ядра системы. Инструкции и данные этих процессов находятся в ядре системы, и они могут обращаться к функциям и данным, недоступным для остальных процессов.

- демоны: не интерактивные процессы, которые запускаются обычным образом (загрузка соответствующей программы) и выполняются в фоновом режиме. Обычно демоны запускаются при инициализации системы и обеспечивают рабо-ту различных подсистем (терминального доступа, печати, сетевого доступа и т.д.)

Каждый процесс входит в состав какой-либо группы процессов (одной или не-скольких). Принадлежность к группе позволяет организовать более плотное вза-имодействие между процессами. Один процесс может послать сигнал всем про-цессам, входящим в определенную группу. Каждая группа имеет идентификато группы (Process group ID). Идентификатор группы – это идентификатор процес-са, являющегося лидером этой группы.

Когда новый пользователь входит в систему, создается новый сеанс, состоящий из одного процесса, которым является командный интерпретатор или командная оболочка. Этот процесс выполняет роль лидера сеанса, и его идентификатор яв-ляется идентификатором сеанса. ратегия планирования определяет, какие про-цессы планируются на выполнение, чтобы достичь поставленной цели. Суще-ствует много стратегий, можно назвать некоторые из них:

a) по возможности заканчивать вычислительные процессы в том же самом порядке, в котором они были начаты;

b) отдавать предпочтение более коротким процессам;

c) предоставлять всем процессам пользователей одинаковые услуги, в том числе и одинаковое время ожидания.

Известно большое количество правил (дисциплин) диспетчеризации, в соответствии с которыми формируется список (очередь) готовых к выполнению задач. Различают два больших класса таких дисциплин – бесприоритетные и приоритетные. При реализации приоритетных дисциплин отдельным задачам предоставляется преимущественное право попасть в состоя-ние исполнения.

6 Многопоточная модель процесса. Создание потоков. Преимущества много поточности. Уровни потоков

Многопоточная модель процесса: В многопоточном режиме процессы обычно запускаются с одним потоком. Этот поток может создавать новые потоки, определив их указатели команд и аргументы. Новые потоки создаются со своим собственным контекстом регистров и стековым пространством, после чего помещаются в очередь готовых к выполнению потоков. В случае необходимости ожидания некоторого события поток блокируется (при этом сохраняется содержимое его пользовательских регистров, счетчика команд и указателя стека). После этого процессор может перейти к выполнению другого потока. После завершения потока его контекст регистров и стеки удаляются.

Многопоточная модель процесса охватывает две категории потоков: потоки на уровне пользователя (user-level threads – ULT) и потоки на уровне ядра (kernel – level threads – KLT) [3,5]. Потоки на уровне пользователя управляются самим приложением. Обычно приложение в начале своей работы состоит из одного потока, с которого начинается выполнение данного приложения, и который размещается в процессе, управляемом ядром. Приложение может создать новый поток при помощи вызова библиотечной процедуры работы с потоками, например thread_create(). В результате создается структура данных для нового потока и управление передается к одному из готовых к выполнению потоков данного процесса в соответствии с заданным алгоритмом планирования. При этом контекст текущего потока сохраняется. При возврате управления к данному потоку его контекст восстанавливается. Все управление ULT осуществляется в пользовательском пространстве в рамках одного процесса. Связь с ядром отсутствует. Ядро продолжает осуществлять планирование процесса как одного целого. Однако существует взаимосвязь между планированием потоков и планированием процессов. В случае возникновения прерывания процесса, например по вводу-выводу или таймеру, выполняющийся поток процесса продолжает оставаться в состоянии выполнения, хотя перестает выполняться на процессоре. При возврате управления процессу возобновляется выполнение потока на процессоре.

Создание потоков: Создание потока в большей степени напоминает программу для Windows, чем создание процесса. Дело в том, что для создания потока используется функция CreateThread() (аналог WinMain()), одним из аргументов которой является указатель на функцию потока (аналог оконной функции). Для создания потока требуется следующая информация:

- Размер стека потока.

- Атрибуты защиты потока. Для указания установленной по умолчанию защиты в NT/XP/2000 либо в среде Windows 9.x, где защита не поддерживается, можно использовано значение NULL.

- Адрес процедуры, с которой начинается выполнение. Это должна быть функция, которая получает в качестве единственного параметра 32-разрядное значение.

- Дополнительное 32-разрядное значение, которое передается в процедуру потока.

- Флаги, которые, помимо прочего, допускают установку уровня приоритета потока.

- Адрес для хранения идентификатора потока. Идентификатор потока представляет собой уникальное системное значение.

Функция CreateThread(). При вызове этой функции происходит следующее:

- в памяти создаются все необходимые для управления потоком струк­туры (назовем их объектом "поток");

- код завершения потока инициализируется значением STILL_ACTIVE;

- создается структура типа CONTEXT для потока;

- создается стек потока;

- инициализируется регистр - указатель стека в структуре типа CONTEXT так, чтобы он указывал на верхнюю границу стека, а регистр -указатель команд - на точку входа функции потока.

Синтаксис функции следующий.

HANDLE CreateThread (LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, DWORD dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParameter, DWORD dwCreationFlags, LPDWORD lpThreadld);

Возвращаемое значение: если выполнение функции выполнено успешно, то возвращается хэндл нового объекта потока.

Преимущества многопоточности: Если операционная система поддерживает концепции потоков в рамках одного процесса, она называется многопоточной. Многопоточные приложения имеют ряд преимуществ:

1) Улучшенная реакция приложения - любая программа, содержащая много не зависящих друг от друга действий, может быть перепроектирована так, чтобы каждое действие выполнялось в отдельном потоке. Например, пользователь многопоточного интерфейса не должен ждать завершения одной задачи, чтобы начать выполнение другой.

2) Более эффективное использование мультипроцессирования - как правило, приложения, реализующие параллелизм через потоки, не должны учитывать число доступных процессоров. Производительность приложения равномерно увеличивается при наличии дополнительных процессоров. Численные алгоритмы и приложения с высокой степенью параллелизма, например перемножение матриц, могут выполняться намного быстрее.

3) Улучшенная структура программы - некоторые программы более эффективно представляются в виде нескольких независимых или полуавтономных единиц, чем в виде единой монолитной программы. Многопоточные программы легче адаптировать к изменениям требований пользователя.

4) Эффективное использование ресурсов системы - Программы, использующие два или более процессов, которые имеют доступ к общим данным через разделяемую память, содержат более одного потока управления. При этом каждый процесс имеет полное адресное пространство и состояние в операционной системе. Стоимость создания и поддержания большого количества служебной информации делает каждый процесс более затратным, чем поток. Кроме того, разделение работы между процессами может потребовать от программиста значительных усилий, чтобы обеспечить связь между потоками в различных процессах или синхронизировать их действия.

Уровни потоков: Пользовательские потоки.

При использовании этого уровня ядро не знает о существовании потоков - все управление потоками реализуется приложением с помощью специальных биб-лиотек. Переключение потоков не требует привилегий режима ядра, а планиро-вание полностью зависит от приложения. При этом ядро управляет деятельно-стью процесса. Если поток вызывает системную функцию, то будет блокирован весь процесс, но для поточной библиотеки этот поток будет находиться в актив-ном состоянии. Здесь состояние потока не зависит от состояния процесса.

Потоки уровня ядра

На этом уровне все управление потоком выполняется ядром. Используется про-граммный интерфейс приложения (системные вызовы) для работы с потоками уровня ядра. Ядро поддерживает информацию о контексте процесса и потоков; переключение потоков требует выполнения дисциплины планирования ядра на уровне этих потоков.