Основные задачи управления процессами

Под управлением процессами понимаются процедуры ОС, обеспечивающие запуск системных и прикладных программ, их выполнение и завершение.

В однозадачных ОС управление процессами решает следующие задачи:

· загрузка программы в память, подготовка ее к запуску и запуск на выполнение;

· выполнение системных вызовов процесса;

· обработка ошибок, возникших в ходе выполнения;

· нормальное завершение процесса;

· прекращение процесса в случае ошибки или вмешательства пользователя.

Все эти задачи решаются сравнительно просто.

В многозадачном режиме добавляются значительно более серьезные задачи:

· эффективная реализация параллельного выполнения процессов на единственном процессоре, переключение процессора между процессами;

· выбор очередного процесса для выполнения с учетом заданных приоритетов процессов и статистики использования процессора;

· исключение возможности несанкционированного вмешательства одного процесса в выполнение другого;

· предотвращение или устранение тупиковых ситуаций, возникающих при конкуренции процессов за системные ресурсы;

· обеспечение синхронизации процессов и обмена данными между ними.

Реализация многозадачного режима

Понятия процесса и ресурса

Согласно определению, данному в /7/, «последовательный процесс (иногда называемый «задача») есть работа, производимая последовательным процессором при выполнении программы с ее данными».

Проанализируем это определение. Оно подчеркивает последовательный характер процесса, т.е. выполнение команд в определенном порядке. Термин «задача» мы будем понимать как синоним термина «процесс» (в некоторых ОС эти термины различаются). Далее, процесс – понятие динамическое. Программа – это текст, процесс – выполнение этого текста. Конечно, на практике мы часто говорим: «программа вызывает функцию», «программа ждет ввода» и т.п., однако, строго говоря, правильнее было бы «процесс, выполняющий программу, вызывает…».

Еще один важный момент в определении – упоминание данных. В многозадачных системах зачастую одна и та же программа может запускаться несколько раз (например, можно несколько раз открыть текстовый редактор Notepad для разных файлов). Это означает, что несколько процессов могут использовать одну и ту же программу, но с разными данными.

При описании работы многозадачных систем основное внимание уделяется вопросам, связанным с параллельным выполнением, т.е. с одновременной работой нескольких процессов. Однако общий термин «параллельное выполнение» объединяет два существенно различных способа организации выполнения процессов – синхронный и асинхронный параллелизм.

Синхронный параллелизм предполагает наличие общей тактовой последовательности, управляющей шагами выполнения параллельно работающих процессов. Синхронная организация используется в некоторых типах многопроцессорных вычислительных систем.

При асинхронном параллелизме никакого общего такта нет. Процессы выполняются независимо друг от друга, при этом не делается никаких предположений об их сравнительной скорости, о соотношении времени выполнения различных фрагментов программ и т.п. Сопоставить продвижение разных процессов можно только в явно заданных точках программы процессов, называемых точками синхронизации. Синхронизация обычно означает ожидание одним процессом какого-либо события, связанного с другим процессом. Например, после разветвления выполнения на две параллельные ветви и выполнения ветвями определенных задач может понадобиться свести ветви воедино: та ветвь, которая закончила свое выполнение раньше, должна дождаться завершения другой ветви. Другой пример: процесс, выполняющий обработку введенных строк, может ждать, пока другой процесс не прочтет очередную строку из файла или с клавиатуры.

Точка синхронизации может быть связана также с обменом данными между процессами. Когда процесс-приемник завершает прием данных, то можно быть, по крайней мере, уверенным, что процесс-источник достиг того места в программе, где он должен был передать данные.

В дальнейшем всюду будет рассматриваться только асинхронный параллелизм, поскольку он характерен для работы ОС.

Другим основополагающим понятием, тесно связанным с управлением процессами, является понятие ресурса. Под ресурсом понимается любой аппаратный или программный объект, который может понадобиться для работы процессов и доступ к которому может при этом вызвать конкуренцию процессов. Говоря упрощенно, ресурс – это нечто дефицитное в вычислительной системе. К важнейшим ресурсам любой системы относятся процессор (точнее сказать, процессорное время), основная память, периферийные устройства, файлы. В зависимости от конкретной ОС, к дефицитным ресурсам могут относиться места в таблице процессов или в таблице открытых файлов, буферы кэша, блоки в файле подкачки и другие системные структуры данных.

Если два процесса никак не связаны логикой своей работы, то никакой синхронизации или обмена данными между ними нет, однако такие процессы все же могут оказывать косвенное влияние друг на друга вследствие конкуренции за ресурсы. Многозадачная ОС управляет доступом процессов к ресурсам. В некоторых случаях система временно закрепляет ресурс за одним процессом, отказывая другим процессам в доступе или заставляя их ждать освобождения ресурса. В других случаях оказывается возможным совместный доступ нескольких процессов к одному ресурсу.