Процессы. Модель процесса. Создание процесса. Завершение процесса. Иерархия процессов. Состояния процессов

Процессом, по существу, называют программу в момент выполнения.

Модель процесса.В этой модели все функционирующее на компьютере программное обеспечение, иногда включая собственно операционную систему, организовано в виде набора последовательных процессов, или, для краткости, просто процессов. Процессом является выполняемая программа, включая текущие значения счетчика команд, регистров и переменных. С позиций данной абстрактной модели, у каждого процес­са есть собственный виртуальный центральный процессор. На самом деле, разуме­ется, реальный процессор переключается с процесса на процесс, но для лучшего понимания системы значительно проще рассматривать набор процессов, идущих параллельно (псевдопараллельно), чем пытаться представить себе процессор, пере­ключающийся от программы к программе. Это переключение и называется многозадачностью или мультипрограммированием. Поскольку процессор переключается между программами, скорость, с которой процессор производит свои вычисления, будет непостоянной и, возможно, даже будет отличной при каждом новом запуске процесса. Поэтому не следует про­граммировать процессы, исходя из каких-либо жестко заданных временных пред­положений.Различие между процессом и программой трудноуловимо и, тем не менее, име­ет принципиальное значение. Воспользуемся следующей аналогией: представьте себе программиста, разбирающегося в кулинарии и пекущего торт на день рожде­ния своей дочери. В его распоряжении есть рецепт торта, кухня, оборудованная всем необходимым, и ингредиенты для торта: мука, яйца, сахар, ванилин и т. п. Согласно этой аналогии, рецепт — это программа (то есть алгоритм, записанный в заданном виде), программист исполняет роль процессора, а ингредиенты торта являются входными данными. Процессом является следующая последователь­ность действий: программист читает рецепт, смешивает продукты и печет торт.Теперь представьте, что на кухню прибегает плачущий сын программиста и кри­чит, что его ужалила пчела. Программист отмечает, на чем он остановился (сохра­няет текущее состояние процесса), находит справочник по оказанию первой по­мощи и действует в соответствии с инструкцией. Таким образом, наш процессор переключился с одного процесса (выпечка торта) на другой, с большим приорите­том (оказание первой помощи), и у каждого процесса есть своя программа (рецепт торта и справочник по оказанию первой помощи). После проведения всех необхо­димых процедур по борьбе с укусом пчелы программист возвращается к торту, продолжая с той операции, на которой он прервался.Мы привели эту аналогию с целью показать, что процесс — это активность не­которого рода. У него есть программа, входные и выходные данные, а также состо­яние. Один процессор может переключаться между различными процессами, ис­пользуя некий алгоритм планирования для определения момента переключения от одного процесса к другому.

Создание процесса.Операционной системе необходим способ, позволяющий удостовериться в нали­чии всех необходимых процессов. В простейших системах, а также системах, раз­работанных для выполнения одного-единственного приложения, можно реализовать такую ситуацию, в которой все процессы, которые когда-либо могут понадобиться, присутствуют в системе при ее загрузке. В универсальных системах необходим способ создания и прерывания процессов по мере необходимости. В этом разделе мы рассмотрим некоторые из возможных способов решения этой проблемы. Ниже перечислены четыре основ­ных события, приводящие к созданию процессов.

· Инициализация системы.

· Выполнение изданного работающим процессом системного запроса на созда­ние процесса.

· Запрос пользователя на создание процесса.

· Инициирование пакетного задания.

Обычно при загрузке операционной системы создаются несколько процессов. Некоторые из них являются высокоприоритетными процессами, то есть обес­печивающими взаимодействие с пользователем и выполняющими заданную ра­боту. Остальные процессы являются фоновыми, они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции. Например, один фоновый про­цесс может быть предназначен для обработки приходящей на компьютер почты, активизируясь только по мере появления писем. Другой фоновый процесс может обрабатывать запросы к web-страницам, расположенным на компьютере, и акти­визироваться для обслуживания полученного запроса. Фоновые процессы, связан­ные с электронной почтой, web-страницами, новостями, выводом на печать и т. п., называются демонами.

Процессы могут создаваться не только в момент загрузки системы, но и позже. Например, новый процесс (или несколько) может быть создан по просьбе текуще­го процесса. В интерактивных системах пользователь может запустить программу, набрав на клавиатуре команду или дважды щелкнув на значке программы. В обоих случаях результатом будет создание нового процесса и запуск в нем программы.

С технической точки зрения во всех перечисленных случаях новый процесс формируется одинаково: текущий процесс выполняет системный запрос на созда­ние нового процесса. В роли текущего процесса может выступать процесс, запущен­ный пользователем, системный процесс, инициированный клавиатурой или мышью, а также процесс, управляющий пакетами. В любом случае этот процесс всего лишь выполняет системный запрос на создание нового процесса. Системный запрос застав­ляет операционную систему создать новый процесс, а также прямо или косвенно содержит информацию о программе, которую нужно запустить в этом процессе.

В UNIX существует только один системный запрос, направленный на создание нового процесса: fork. Этот запрос создает дубликат вызы­ваемого процесса. После выполнения запроса fork двум процессам — родитель­скому и дочернему — соответствуют одинаковые образы памяти, строки окружения и одни и те же открытые файлы. Обычно дочерний процесс выполняет системный вызов execve для изменения своего образа памяти и запуска новой программы. Так, когда пользователь набирает на клавиатуре команду sort, оболоч­ка создает путем ветвления дочерний процесс, который и выполняет программу sort. Смысл этого двухступенчатого процесса заключается в том, что дочерний про­цесс успевает обработать описания файлов после fork, но до execve, чтобы выпол­нить перенаправление стандартных устройств ввода и вывода и потока сообще­ний об ошибках.И в UNIX, и в Windows после создания нового процесса родительский и дочер­ний процессы имеют собственные различные адресные пространства. При изме­нении любым процессом слова в адресном пространстве это изменение незаметно для других процессов. В UNIX начальное адресное пространство дочернего про­цесса является копией родительского, но сами адресные пространства различны, и перезаписываемая память совместно не используется (некоторые приложения UNIX совместно используют текст программы, поскольку его нельзя модифи­цировать). В то же время созданный процесс может использовать совместно с родительским процессом некоторые другие ресурсы, например открытые файлы. В Windows адресные пространства родительского и дочернего процессов отлича­ются с самого начала.

Завершение процесса.После того как процесс создан, он начинает выполнять свою работу. Но ничто не длится вечно, даже процесс — рано или поздно он завершится, чаще всего благо­даря одному из следующих событий:

· Обычный выход (преднамеренно).

· Выход по ошибке (преднамеренно).

· Выход по неисправимой ошибке (непреднамеренно).

· Уничтожение другим процессом (непреднамеренно).

В основном процессы завершаются по мере выполнения своей работы. После окончания компиляции программы компилятор выполняет системный запрос, чтобы сообщить операционной системе об окончании работы. Второй причиной завершения процесса может стать неустранимая ошибка. Например, если пользователь набрал на клавиатуре команду

ее foo.c для компиляции программы foo.c, а соответствующего файла не существует, компилятор просто закончит работу. Интерактивные процессы, рассчитанные на работу с экраном, обычно не завершают работу при получении неверных парамет­ров, вместо этого выводя на экран диалоговое окно и прося пользователя ввести правильные параметры.

Третьей причиной завершения процесса является ошибка, вызванная самим процессом, чаще всего связанная с ошибкой в программе. В качестве примера мож­но привести выполнение недопустимой команды, обращение к несуществующей области памяти и деление на ноль.

Четвертой причиной завершения процесса может служить выполнение другим процессом системного запроса на уничтожение процесса.

Иерархия процессов.В некоторых системах родительский и дочерний процессы остаются связанными между собой определенным образом. Дочерний процесс также может, в свою оче­редь, создавать процессы, формируя иерархию процессов. Следует отметить, что у процесса может быть лишь один родитель и сколько угодно «детей».В UNIX процесс, все его «дети» и дальнейшие потомки образуют группу про­цессов. Сигнал, посылаемый пользователем с клавиатуры, доставляется всем чле­нам группы, взаимодействующим с клавиатурой в данный момент (обычно это все активные процессы, созданные в текущем окне). Каждый из процессов может пе­рехватить сигнал, игнорировать его или выполнить другое действие, предусмот­ренное по умолчанию.В Windows не существует понятия иерархии процессов, и все процессы равноправны. Единственное, в чем проявляется что-то вроде иерархии процессов — создание процесса, в кото­ром родительский процесс получает специальный маркер (так называемый деск­риптор), позволяющий контролировать дочерний процесс. Но маркер можно пе­редать другому процессу, нарушая иерархию. В UNIX это невозможно.

Состояния процессов.Несмотря на то, что процесс является независимым объектом, со своим счетчиком команд и внутренним состоянием, существует необходимость взаимодействия с другими процессами.

Состояния процесса: 1) выполнение, 2)готовность, 3)ожидание, 4)создание, 5)завершение.

 

9. Планирование процессов. Уровни планирования. Критерии планирования и требования к алгоритмам. Параметры планирования. Вытесняющее и не вытесняющее планирование.

Уровни планирования.Существуют два вида планирования в вычислительных системах: планировании заданий и планировании использования процессора. Планирование заданий выступает в качестве долгосрочного планирования процессов. Оно отвечает за порождение новых процессов в системе, определяя ее степень мультипрограммирования, т. е. количество процессов, одновременно находящихся в ней. Если степень мультипрограммирования системы поддерживается постоянной, т. е. среднее количество процессов в компьютере не меняется, то новые процессы могут появляться только после завершения ранее загруженных. Поэтому долгосрочное планирование осуществляется достаточно редко, между появлением новых процессов могут проходить минуты и даже десятки минут. В некоторых операционных системах долгосрочное планирование сведено к минимуму или совсем отсутствует. Планирование использования процессора выступает в качестве краткосрочного планирования процессов. Оно проводится, к примеру, при обращении исполняющегося процесса к устройствам ввода-вывода или просто по завершении определенного интервала времени. Поэтому краткосрочное планирование осуществляется весьма часто, как правило, не реже одного раза в 100 миллисекунд. Выбор нового процесса для исполнения оказывает влияние на функционирование системы до наступления очередного аналогичного события, т. е. в течение короткого промежутка времени, что и обусловило название этого уровня планирования — краткосрочное.

Критерии планирования и требования к алгоритмам.Выбор конкретного алгоритма определяется классом задач, решаемых вычислительной системой, и целями, которых мы хотим достичь, используя планирование. К числу таких целей можно отнести:

 Справедливость: гарантировать каждому заданию или процессу определенную часть времени использования процессора в компьютерной системе, стараясь не допустить возникновения ситуации, когда процесс одного пользователя постоянно занимает процессор, в то время как процесс другого пользователя фактически не приступал к выполнению.

 Эффективность: постараться занять процессор на все 100% рабочего времени, не позволяя ему простаивать в ожидании процессов готовых к исполнению.

 Сокращение полного времени выполнения (turnaround time): обеспечить минимальное время между стартом процесса или постановкой задания в очередь для загрузки и его завершением.

 Сокращение времени ожидания (waiting time): минимизировать время, которое проводят процессы в состоянии готовность и задания в очереди для загрузки.

 Сокращение времени отклика (response time): минимизировать время, которое требуется процессу в интерактивных системах для ответа на запрос пользователя.

Независимо от поставленных целей планирования желательно также, чтобы алгоритмы обладали следующими свойствами:

 Были предсказуемыми. Одно и то же задание должно выполняться приблизительно за одно и то же время.

 Имели минимальные накладные расходы, связанные с их работой.

 Равномерно загружали ресурсы вычислительной системы, отдавая предпочтение тем процессам, которые будут занимать малоиспользуемые ресурсы.

 Обладали масштабируемостью, т. е. не сразу теряли работоспособность при увеличении нагрузки.

Многие из приведенных выше целей и свойств являются противоречивыми. Улучшая работу алгоритма с точки зрения одного критерия, мы ухудшаем ее с точки зрения другого.

Параметры планирования.Для осуществления поставленных целей разумные алгоритмы планирования должны опираться на какие-либо характеристики процессов в системе, заданий в очереди на загрузку, состояния самой вычислительной системы, иными словами, на параметры планирования.Все параметры планирования можно разбить на две большие группы: статические параметры и динамические параметры. Статические параметры не изменяются в ходе функционирования вычислительной системы, динамические же, напротив, подвержены постоянным изменениям.

К статическим параметрам процессов относятся характеристики, как правило, присущие заданиям уже на этапе загрузки:

 Каким пользователем запущен процесс или сформировано задание.

 Насколько важной является поставленная задача, т. е. каков приоритет ее выполнения.

 Сколько процессорного времени запрошено пользователем для решения задачи.

 Каково соотношение процессорного времени и времени, необходимого для осуществления операций ввода-вывода.

 Какие ресурсы вычислительной системы (оперативная память, устройства ввода-вывода, специальные библиотеки и системные программы и т. д.) и в каком количестве необходимы заданию.

Алгоритмы долгосрочного планирования используют в своей работе статические и динамические параметры вычислительной системы и статические параметры процессов. Алгоритмы краткосрочного и среднесрочного планирования дополнительно учитывают и динамические характеристики процессов. Для среднесрочного планирования в качестве таких характеристик может выступать следующая информация:

 Сколько времени прошло со времени выгрузки процесса на диск или его загрузки в оперативную память.

 Сколько оперативной памяти занимает процесс.

 Сколько процессорного времени было уже предоставлено процессу.

Вытесняющее и невытесняющее планирование.

Процесс планирования осуществляется частью операционной системы, называемой планировщиком. Планировщик может принимать решения о выборе для исполнения нового процесса, из числа находящихся в состоянии готовность, в следующих четырех случаях:

1. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние завершение.

2. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние ожидание.

3. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние готовность (например, после прерывания от таймера).

4. Когда процесс переводится из состояния ожидание в состояние готовность (завершилась операция ввода-вывода или произошло другое событие).

В случаях 1 и 2 процесс, находившийся в состоянии исполнение, не может дальше исполняться, и для выполнения всегда необходимо выбрать новый процесс. В случаях 3 и 4 планирование может не проводиться, процесс, который исполнялся до прерывания, может продолжать свое выполнение после обработки прерывания. Если планирование осуществляется только в случаях 1 и 2, говорят, что имеет место невытесняющее (nonpreemptive) планирование. В противном случае говорят о вытесняющем (preemptive) планировании. Термин “вытесняющее планирование” возник потому, что исполняющийся процесс помимо своей воли может быть вытеснен из состояния исполнение другим процессом.

 

 

10. Планирование процессов. Алгоритмы планирования. First-Come, First-Served (FCFS). Round Robin (RR). Shortest-Job-First (SJF). Гарантированное планирование. Приоритетное планирование. Многоуровневые очереди с обратной связью (Multilevel Feedback Queue).

Существует достаточно большой набор разнообразных алгоритмов планирования, которые предназначены для достижения различных целей и эффективны для разных классов задач. Многие из них могут быть использованы на нескольких уровнях планирования.

First-Come, First-Served (FCFS).Простейшим алгоритмом планирования является алгоритм First Come, First Served (первым пришел, первым обслужен). Представим себе, что процессы, находящиеся в состоянии готовность, организованы в очередь. Когда процесс переходит в состояние готовность, он, а точнее ссылка на его PCB, помещается в конец этой очереди. Выбор нового процесса для исполнения осуществляется из начала очереди с удалением оттуда ссылки на его PCB. Очередь подобного типа имеет в программировании специальное наименование FIFO — сокращение от First In, First Out (первым вошел, первым вышел).

Преимуществом алгоритма FCFS является легкость его реализации, в то же время он имеет и много недостатков. Round Robin (RR). Модификацией алгоритма FCFS является алгоритм, получивший название Round Robin (Round Robin – это вид детской карусели в США) или сокращенно RR. По сути дела это тот же самый алгоритм, только реализованный в режиме вытесняющего планирования. Можно представить себе все множество готовых процессов организованным циклически — процессы сидят на карусели. Карусель вращается так, что каждый процесс находится около процессора небольшой фиксированный квант времени, обычно 10 - 100 миллисекунд (см. рисунок 4.). Пока процесс находится рядом с процессором, он получает процессор в свое распоряжение и может исполняться.При выполнении процесса возможны два варианта:

 Время непрерывного использования процессора, требующееся процессу, (остаток текущего CPU burst) меньше или равно продолжительности кванта времени. Тогда процесс по своей воле освобождает процессор до истечения кванта времени, на исполнение выбирается новый процесс из начала очереди и таймер начинает отсчет кванта заново.

 Продолжительность остатка текущего CPU burst процесса больше, чем квант времени. Тогда по истечении этого кванта процесс прерывается таймером и помещается в конец очереди процессов готовых к исполнению, а процессор выделяется для использования процессу, находящемуся в ее начале.

Shortest-Job-First (SJF).Если бы мы знали время следующих CPU burst для процессов, находящихся в состоянии готовность, то могли бы выбрать для исполнения не процесс из начала очереди, а процесс с минимальной длительностью CPU burst. Если же таких процессов два или больше, то для выбора одного из них можно использовать уже известный нам алгоритм FCFS. Квантование времени при этом не применяется. Описанный алгоритм получил название “кратчайшая работа первой” или Shortest Job First (SJF).SJF алгоритм краткосрочного планирования может быть как вытесняющим, так и невытесняющим. При невытесняющем SJF планировании процессор предоставляется избранному процессу на все требующееся ему время, независимо от событий происходящих в вычислительной системе. При вытесняющем SJF планировании учитывается появление новых процессов в очереди готовых к исполнению (из числа вновь родившихся или разблокированных) во время работы выбранного процесса. Если CPU burst нового процесса меньше, чем остаток CPU burst у исполняющегося, то исполняющийся процесс вытесняется новым.Гарантированное планирование.При интерактивной работе N пользователей в вычислительной системе можно применить алгоритм планирования, который гарантирует, что каждый из пользователей будет иметь в своем распоряжении 1/N часть процессорного времени. Пронумеруем всех пользователей от 1 до N. Для каждого пользователя с номером i введем две величины: Ti - время нахождения пользователя в системе, или, другими словами длительность сеанса его общения с машиной, и τi - суммарное процессорное время уже выделенное всем его процессам в течение сеанса. Справедливым для пользователя было бы получение Ti/N процессорного времени. Если

то i - й пользователь несправедливо обделен процессорным временем. Если же

то система явно благоволит к пользователю с номером i. Вычислим для каждого пользовательского процесса значение коэффициента справедливости:

и будем предоставлять очередной квант времени процессу с наименьшей величиной этого отношения. Предложенный алгоритм называют алгоритмом гарантированного планирования. К недостаткам этого алгоритма можно отнести невозможность предугадать поведение пользователей. Приоритетное планирование. Алгоритмы SJF и гарантированного планирования представляют собой частные случаи приоритетного планирования. При приоритетном планировании каждому процессу присваивается определенное числовое значение — приоритет, в соответствии с которым ему выделяется процессор. Процессы с одинаковыми приоритетами планируются в порядке FCFS. Для алгоритма SJF в качестве такого приоритета выступает оценка продолжительности следующего CPU burst. Чем меньше значение этой оценки, тем более высокий приоритет имеет процесс. Для алгоритма гарантированного планирования приоритетом служит вычисленный коэффициент справедливости. Чем он меньше, тем больше приоритет у процесса.

Планирование с использованием приоритетов может быть как вытесняющим, так и невытесняющим. При вытесняющем планировании процесс с более высоким приоритетом, появившийся в очереди готовых процессов, вытесняет исполняющийся процесс с более низким приоритетом. В случае невытесняющего планирования он просто становится в начало очереди готовых процессов. Когда приоритеты процессов не изменяются с течением временем, то такие приоритеты статические. Статические приоритеты не реагируют на изменения ситуации в вычислительной системе, которые могут сделать желательной корректировку порядка исполнения процессов. Более гибкими являются динамические приоритеты процессов, изменяющие свои значения по ходу исполнения процессов. Многоуровневые очереди (Multilevel Queue). Для систем, в которых процессы могут быть легко рассортированы на разные группы, был разработан другой класс алгоритмов планирования. Для каждой группы процессов создается своя очередь процессов, находящихся в состоянии готовность. Этим очередям приписываются фиксированные приоритеты. Например, приоритет очереди системных процессов устанавливается больше, чем приоритет очередей пользовательских процессов. А приоритет очереди процессов, запущенных студентами, — ниже, чем для очереди процессов, запущенных преподавателями. Это значит, что ни один пользовательский процесс не будет выбран для исполнения, пока есть хоть один готовый системный процесс, и ни один студенческий процесс не получит в свое распоряжение процессор, если есть процессы преподавателей, готовые к исполнению. Внутри этих очередей для планирования могут применяться самые разные алгоритмы.

Многоуровневые очереди с обратной связью (Multilevel Feedback Queue).Дальнейшим развитием алгоритма многоуровневых очередей является добавление к нему механизма обратной связи. Здесь процесс не постоянно приписан к определенной очереди, а может мигрировать из очереди в очередь, в зависимости от своего поведения.Для простоты рассмотрим ситуацию, когда процессы в состоянии готовность организованы в 4 очереди, как на рисунке 6. Планирование процессов между очередями осуществляется на основе вытесняющего приоритетного механизма. Чем выше на рисунке располагается очередь, тем выше ее приоритет. Процессы в очереди 1 не могут исполняться, если в очереди 0 есть хотя бы один процесс. Процессы в очереди 2 не будут выбраны для выполнения, пока есть хоть один процесс в очередях 0 и 1. И, наконец, процесс в очереди 3 может получить процессор в свое распоряжение только тогда, когда очереди 0, 1 и 2 пусты. Если при работе процесса появляется другой процесс в какой-либо более приоритетной очереди, исполняющийся процесс вытесняется появившимся. Миграция процессов в обратном направлении может осуществляться по различным принципам. Например, после завершения ожидания ввода с клавиатуры процессы из очередей 1, 2 и 3 могут помещаться в очередь 0, после завершения дисковых операций ввода-вывода процессы из очередей 2 и 3 могут помещаться в очередь 1, а после завершения ожидания всех других событий из очереди 3 в очередь 2. Перемещение процессов из очередей с низкими приоритетами в очереди с высокими приоритетами позволяет более полно учитывать изменение поведения процессов с течением времени.Многоуровневые очереди с обратной связью представляют собой наиболее общий подход к планированию процессов из числа подходов, рассмотренных нами. Они наиболее трудоемки в реализации, но, в то же время, они обладают наибольшей гибкостью. Для полного описания их конкретного воплощения необходимо указать:

 Количество очередей для процессов, находящихся в состоянии готовность.

 Алгоритм планирования, действующий между очередями.

 Алгоритмы планирования, действующие внутри очередей.

 Правила помещения родившегося процесса в одну из очередей.

 Правила перевода процессов из одной очереди в другую.

 

11. Потоки. Отличия потока от процесса. Модель потока. Проблемы использования потоков. Модель процесса, которую мы рассматривали, базируется на двух независимых концепциях: группировании ресурсов и выполнении программы. Иногда полезно их разделять, и тут появляется понятие потока.С одной стороны, процесс можно рассматривать как способ объединения родственных ресурсов в одну группу. У процесса есть адресное пространство, содержащее текст программы и данные, а также другие ресурсы. С другой стороны, процесс можно рассматривать как поток исполняемых команд или просто поток. У потока есть счетчик команд, отслеживающий порядок выполнения действий. У него есть регистры, в которых хранятся текущие переменные. У него есть стек, содержащий протокол выполнения процесса, где на каждую процедуру, вызванную, но еще не вернувшуюся, отведен отдельный фрейм. Хотя поток должен исполняться внутри процесса, следует различать концепции потока и процесса. Процессы используются для группирования ресурсов, а потоки являются объектами, поочередно исполняющимися на центральном процессоре.Концепция потоков добавляет к модели процесса возможность одновременного выполнения в одной и той же среде процесса нескольких программ, в достаточной степени независимых. Несколько потоков, работающих параллельно в одном процессе, аналогичны нескольким процессам, идущим параллельно на одном компьютере. В первом случае потоки разделяют адресное пространство, открытые файлы и другие ресурсы. Во втором случае процессы совместно пользуются физической памятью, дисками, принтерами и другими ресурсами. Потоки обладают некоторыми свойствами процессов, поэтому их иногда называют упрощенными процессами. Термин многопоточность также используется для описания использования нескольких потоков в одном процессе.

При запуске многопоточного процесса в системе с одним процессором потоки работают поочередно. Иллюзия параллельной работы нескольких различных последовательных процессов создается путем постоянного переключения системы между процессами. Многопоточность реализуется примерно так же. Процессор быстро переключается между потоками, создавая впечатление параллельной работы потоков, хотя и на не столь быстром процессоре. Различные потоки в одном процессе не так независимы, как различные процессы. У всех потоков одно и то же адресное пространство, что означает совместное использование глобальных переменных. Поскольку любой поток имеет доступ к любому адресу ячейки памяти в адресном пространстве процесса, один поток может считывать, записывать или даже стирать информацию из стека другого потока. Защиты не существует, поскольку это невозможно и это ненужно.Один процесс всегда запущен одним пользователем, и потоки созданы таким образом, чтобы работать совместно, не мешая друг другу. Потоки разделяют не только адресное пространство, но и открытые файлы, дочерние процессы, сигналы и т. п. Модель потока. Как и любой обычный процесс, поток может находиться в одном из нескольких состояний: выполнение, готовность, ожидание, создание, завершение. Действующий поток взаимодействует с процессором. Блокированный поток ожидает некоторого события, которое его разблокирует. Поток может быть разблокирован каким-либо внешним событием или другим потоком. Поток в состоянии готовности будет запущен, как только до него дойдет очередь. Переходы между состояниями потоков такие же, как у процессов.В многопоточном режиме процессы, как правило, запускаются с одним потоком. Этот поток может создавать новые потоки, вызывая библиотечную процедуру. Параметром обычно является имя процедуры, которую необходимо запустить для создания нового потока. Указание какой-либо информации, касающейся адресного пространства нового потока, не является необходимым (или даже возможным), поскольку новый поток создается в адресном пространстве существующего потока. Иногда возникает иерархия потоков с отношениями типа «родительский—дочерний поток», но чаще всего иерархия отсутствует и все потоки считаются равнозначными.Выполнив задачу, поток может прекратить работу, вызвав библиотечную процедуру. После этого поток исчезает и уже не рассматривается планировщиком. В некоторых потоковых системах один поток может ждать прекращения работы другого потока. В случае потоков не существует прерывания по таймеру, позволяющего установить режим разделения времени, как это было в случае процессов. Потокам необходимо быть вежливыми и время от времени самим уступать процессор другим потокам. Существуют и процедуры, позволяющие одному потоку подождать, пока другой завершит какое-либо действие, оповестить о том, что он закончил какое-либо действие и т. п. Проблемы использования потоков. Несмотря на то, что потоки часто бывают полезными, они существенно усложняют программную модель.Потоки совместно используют большое количество структур данных. Что произойдет, если один поток закроет файл в то время, когда другой считывает из него данные?Одному потоку стало недостаточно памяти, и он просит выделить дополнительную память. На полпути происходит переключение потоков, и теперь новый поток также замечает, что ему не хватает памяти, и просит выделить дополнительную память. В этой ситуации память может быть выделена дважды. Все эти проблемы можно решить.

Использование потоков. Необходимость использования потоков. Примеры использования потоков. Текстовый редактор. Web-server. Обработка массивов данных. Модели создания сервера.

Необходимость использования потоков.Основной причиной является выполнение большинством приложений существенного числа действий, некоторые из которых могут время от времени блокироваться. Схему программы можно существенно упростить, если разбить приложение на несколько последовательных потоков, запущенных в квазипараллельном режиме.Еще одним аргументом в пользу потоков является легкость их создания и уничтожения (поскольку с потоком не связаны никакие ресурсы). Третьим аргументом является производительность. Концепция потоков не дает увеличения производительности, если все они ограничены возможностями процессора. Но когда имеется одновременная потребность в выполнении большого объема вычислений и операций ввода-вывода, наличие потоков позволяет совмещать эти виды деятельности во времени, тем самым увеличивая общую скорость работы приложения.И наконец, концепция потоков полезна в системах с несколькими процессорами, где возможен настоящий параллелизм.

Примеры использования потоков.

Текстовый редактор.Необходимость потоков проще продемонстрировать на конкретных примерах. Возьмем в качестве первого примера текстовый редактор.Представьте себе, что пользователь пишет книгу. С точки зрения автора проще всего хранить книгу в одном файле, чтобы легче было искать отдельные разделы, выполнять глобальную замену и т. п. С другой стороны, можно хранить каждую главу в отдельном файле. Но было бы крайне неудобно хранить каждый раздел и параграф в своем файле — в случае глобальных изменений пришлось бы редактировать сотни файлов. Например, если предполагаемый стандарт ххх был утвержден только перед отправкой книги в печать, придется заменять «Черновой стандарт ххх» на «Стандарт ххх» в последнюю минуту. Эта операция делается одной командой в случае одного файла и, напротив, займет очень много времени, если придется редактировать каждый из 300 файлов, на которые разбита книга.Теперь представьте себе, что произойдет, если пользователь удалит одно предложение на первой странице документа, в котором 800 страниц. Пользователь перечитал эту страницу и решил исправить предложение на 600-й странице. Он дает команду текстовому редактору перейти на страницу с номером 600 (например, задав поиск фразы, встречающейся только на этой странице). Текстовому редактору придется переформатировать весь документ вплоть до 600 страницы, поскольку до форматирования он не будет знать, где начинается эта страница. Это может занять довольно много времени и вряд ли обрадует пользователя.В этом случае помогут потоки. Пусть текстовый редактор написан в виде двух-поточной программы. Один поток взаимодействует с пользователем, а второй переформатирует документ в фоновом режиме. Как только предложение на первой странице было удалено, интерактивный поток дает команду фоновому потоку переформатировать весь документ. В то время как первый поток продолжает отслеживать и выполнять команды с клавиатуры или мыши — предположим, прокручивает первую страницу, — второй поток быстро переформатирует книгу.Раз уж мы об этом задумались, почему бы не добавить третий поток? Большинство текстовых редакторов автоматически сохраняет редактируемый текст раз в несколько минут, чтобы пользователь не лишился плодов работы целого дня в случае аварийного завершения программы, отказа системы или перебоев с питанием. Этим может заниматься третий поток, не отвлекая два оставшихся.

Web-server.Теперь давайте рассмотрим еще одну ситуацию, в которой необходимы потоки: сервер web-сайта. На сервер приходят запросы, и клиенту отсылается содержимое запрашиваемых web-страниц. У большинства web-сайтов некоторые страницы существенно более посещаемы, чем другие. Для повышения эффективности работы сервер использует эту особенность, храня содержимое особо популярных страниц в основной памяти. Этот раздел памяти называется кэш, и он используется также во многих других ситуациях.Один из способов организации web-сервера. Один поток, называемый диспетчером, считывает приходящие по сети запросы. После этого он находит свободный (то есть блокированный) рабочий поток и передает ему запрос, скажем, за