Переключение контекста

Переключение контекста происходит в момент, когда процессор переключается с одного процесса на другой. При переключении контекста система сохраняет контекст текущего процесса и восстанавливает контекст следующего процесса, выбранного для использования процессора. БУП-блок прерванного процесса при этом обновляется, а также изменяется значение поля состояния процесса (т.е. признак состояния выполнения заменяется признаком другого состояния: готовности, блокирования или «зомби»). Сохраняется и обновляется содержимое регистров процессора, состояние стека, данные об идентификации (и привилегиях) пользователя и процесса, а также о стратегии планирования и учетная информация.

Система должна отслеживать статус устройств ввода-вывода процесса и других ресурсов, а также состояние всех структур данных, связанных с управлением памятью. Вы г руженный (прерванный) процесс помещается в соответствующую очередь.

Переключение контекста происходит в случаях, когда:

• процесс выгружается;

• процесс добровольно отказывается от процессора;

• процесс делает запрос к устройству ввода-вывода или должен ожидать наступления события;

• процесс переходит из пользовательского режима в режим ядра.

Когда выгруженный процесс снова выбирается для использования процессора, его контекст восстанавливается, и выполнение продолжается с точки, на которой он был прерван в предыдущем сеансе.

Создание процесса

Чтобы выполнить любую программу, операционная система должна сначала создать процесс. При создании нового процесса в главной таблице процессов создается новая структура. Создается и инициализируется новый блок БУП, и в его раздел идентификации процесса записывается уникальный идентификационный номер процесса (id) и id родительского процесса. Программный счетчик устанавливается указателем на входную точку программы, а указатели системных стеков устанавливаются таким образом, чтобы определить стековые границы для процесса. Процесс инициализируется любыми требуемыми атрибутами. Если процессу не присвоено значение приоритета, то по умолчанию ему присваивается самое низкое значение. Изначально процесс не обладает никакими ресурсами, если нет явного запроса на ресурсы или если они не были унаследованы от процесса-создателя. Процесс «входит» в состояние выполнения и помещается в очередь готовых к выполнению процессов. Для него выделяется адресное пространство, размер которого определяется по умолчанию на основе типа процесса. Кроме того, размер можно установить по запросу от создателя процесса. Процесс-создатель может передать системе размер адресного пространства в момент создания процесса.

Отношения между родительскими и сыновними процессами

Процесс, который создает, или порождает, другой процесс, является родительским (parent) процессом по отношению к порожденному, или сыновнему (child) процессу. Процесс init — родитель (или предок) всех пользовательских процессов — первый процесс, видимый системой UNIX после ее загрузки. Процесс init организует систему, при необходимости выполняет другие программы и запускает демон-программы (daemon), т.е. сетевые программы, работающие в фоновом режиме. Идентификатор процесса init (PID) равен 1. Сыновний процесс имеет собственный уникальный идентификатор PID, БУП-блок и отдельную структуру в таблице процессов. Сыновний процесс также может породить новый процесс. Выполняющееся приложение может создать дерево процессов. Например, родительский процесс выполняет поиск накопителя на жестких дисках для заданного HTML-документа. Имя этого HTML-документа записано в глобальной структуре данных, подобной списку, который содержит все запросы на документы. После успешного обнаружения документ удаляется из списка запросов, и его путь (маршрут в сети) записывается в другую глобальную структуру данных, которая содержит пути найденных документов. Чтобы обеспечить

Приемлемую реакцию на пользовательские запросы, для процесса предусматривается ограничение в виде пяти необработанных запросов в списке. По достижении этого Предела порождаются два новых процесса. Если порожденный процесс в свою очередь достигнет установленного предела, он создаст еще два новых процесса. Создаваемое таким способом дерево процессов показано на рис. 3.9. Любой процесс может иметь только один родительский, но множество сыновних процессов.

Рис. 3.9. Дерево процессов. При определенных условиях процесс порождает два новых потомка

Сыновний процесс может быть создан с собственным исполняемым образом или в в иде дубликата родительского процесса. При создании в качестве дубликата предка сыновний процесс наследует множество его атрибутов, включая среду, приоритет, стратегию планирования, ограничения по ресурсам, открытые файлы и разделы общей памяти. Если сыновний процесс перемещает указатель текущей позиции в файле или закрывает файл, то результаты этих действий будут видны родительскому процессу. Если родителю выделяются любые дополнительные ресурсы уже после создания процесса-потомка, то они не будут доступны потомку. В свою очередь, если сыновний процесс использует какие-либо ресурсы, они также будут недоступны для процесса-родителя.

Некоторые атрибуты родителя не наследуются потомком. Как упоминалось выше, сыновний процесс не наследует PID родителя и его БУП-блок. Потомок не наследует никаких файловых блокировок, созданных родителем или необработанными сигна лами . Д ля сыновнего процесса используются собственные значения таких временных характеристик, как коэффициент загрузки процессора и время создания. Несмотря на то, что сыновние процессы связаны определенными отношениями с родителями, они все же функционируют как отдельные процессы. Их программные и стековые счетчики действуют раздельно. Поскольку разделы данных копируются, а не используются совместно, процесс-потомок может изменять значения своих переменных, не оказывая влияния на родительскую копию данных. Родительский и сыновний процесс совместно используют раздел программного кода и выполняют инструкции, расположенные непосредственно после вызова системной функции, создавшей сыновний процесс. Они не выполняют эти инструкции на этапе блокировки из-за соперничества за процессор со всеми остальными процессами, загруженными в память.

После создания образ сыновнего процесса может быть заменен другим исполняемым образом. Разделы программного кода, данных и стеков, а также его «куча» памяти перезаписывается новым образом процесса. Новый процесс сохраняет свои идентификационные номера (PID и PPID). Атрибуты, сохраняемые новым процессом после замены его исполняемого образа, перечислены в табл. 3.3. В ней также указаны системные функции, которые возвращают эти атрибуты. Переменные среды также сохраняются, если во время замены исполняемого образа процесса не были заданы новые переменные среды. Файлы, которые были открыты до момента замены исполняемого образа, остаются открытыми. Новый процесс будет создавать файлы с теми же файловыми разрешениями. Время ЦП при этом не сбрасывается.

Таблица 3.3. Атрибуты, сохраняемые новым процессом после замены его исполняемого образа образом нового процесса

Сохраняемые атрибуты   Функция