Операционные системы. Часть 2. Учебное пособие

Определение концепции процесса преследует цель выра­ботать механизмы распределения и управления ресурсами. По­нятие ресурса вычислительного процесса при рассмотрении операционных систем является не менее важным. Термин «ре­сурс» обычно применяется по отношению к неоднократно ис­пользуемым, относительно стабильным и «дефицитным» объек­там, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности. Другими словами, ресур- сом является любой объект, который может распределяться внутри системы [3]. 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 (рис. 1.1).

Более того, к ресурсам стали относиться и такие объекты, как сообщения и синхросигналы, которыми обмениваются задачи.

В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного завершения предыду­щей. Поскольку такие вычислительные системы были построе­ны в соответствии с принципами, изложенными в известной ра­боте фон-Неймана, все подсистемы и устройства компьютера функционировали исключительно под управлением центрально­го процессора. 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 по-прежнему процессор продолжал часто и подолгу простаивать, дожидаясь завершения очередной операции вво­да/вывода. Поэтому было предложено организовать так назы­ваемый мультипрограммный (мультизадачный) режим ра- боты вычислительной системы. Суть его заключается в том, что пока одна программа (один вычислительный процесс или задача) ожидает завершения очередной операции ввода/вывода, другая программа (а точнее, другая задача) может быть поставле­на на решение.

поддерживанием в памяти более одного процесса, ожидающего процессор, и более одного процесса, готового использовать дру­гие ресурсы, как только последние станут доступными.

1. При необходимости использовать какой-либо ресурс (оперативную память, устройство ввода/вывода, массив данных и т. п.) задача обращается к супервизору операционной системы (центральному управляющему модулю, который может состоять

2. Директива обращения задачи к операционной системе передает ей управление, переводя процессор в привилегирован- ный режим работы, если такой существует. Кроме привилеги­рованного, вычислительные комплексы могут функционировать в пользовательском режиме, а также режиме эмуляции како­го-либо другого компьютера и т. д. Ресурс может быть выделен задаче, обратившейся к супервизору с соответствующим запро­сом, в следующих случаях [3]:

4. После окончания работы с ресурсом задача с помощью

При выдаче запроса на ресурс в задаче должен быть опре­делен способ владения ресурсами — монопольный или совмест­ное использование с другими задачами. Например, с файлом можно работать монопольно, а можно и совместно с другими задачами.

сурсов между задачами (процессами) пользователей и систем­ными процессами. Основные функции ядра ОС [5]:

− порождение процессов, уничтожение процессов (заверше- ние) и реализация механизмов связи между процессами;

Для системных управляющих процессов в большинстве операционных систем ресурсы распределяются изначально и од­нозначно. Эти процессы управляют ресурсами системы, очеред­ность использования которых складывается вследствие конку­ренции 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 опера­ционных систем. Например, в микроядерных ОС большинство управляющих программных модулей самой ОС и даже драйверы имеют статус высокоприоритетных процессов, для выполнения которых необходимо выделить соответствующие ресурсы (в ка­честве примера можно привести ОС реального времени QNX). Аналогично и в UNIX-системах выполнение системных про­граммных модулей тоже имеет статус системных процессов, которые получают ресурсы для своего исполнения в первую очередь.

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 инициализируется при запуске какой-нибудь программы. ОС организует (порожда­ет или выделяет) для нового процесса соответствующий деск­риптор процесса, и процесс (задача) начинает развиваться (вы­полняться). Поэтому пассивного состояния не существует. В ОС реального времени ситуация иная. Обычно при проектировании системы реального времени уже заранее известен состав про­грамм (задач), которые должны будут выполняться. Известны и

− по команде оператора (пользователя). Имеет место в тех диалоговых операционных системах, где программа может иметь статус задачи и при этом являться пассивной, а не быть просто исполняемым файлом и только на время исполнения по-

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

Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин [3]:

− процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передает 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

При наступлении соответствующего события (завершение операции ввода/вывода, освобождение затребованного ресурса, загрузка в оперативную память необходимой страницы вирту­альной памяти и т.д.) процесс деблокируется и переводится в состояние готовности к исполнению. Таким образом, движущей силой, меняющей состояния процессов, являются события. Од­ним из основных видов событий являются прерывания.

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

− сведения 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;

Описатели задач, как правило, постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорения работы 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.