Управление процессами. Диаграмма состояний процесса.

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Процесс (задача) - абстракция, описывающая выполняющуюся программу. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.

В многозадачной (многопроцессной) системе процесс может находиться в одном из трех основных состояний:

выполнение - активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

ожидание - пассивное состояние процесса, процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса;

готовность - также пассивное состояние процесса, но в этом случае процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе. Типичный граф состояний процесса показан на рисунке 2.1.

В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ - несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно "вытеснен" из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени. В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.

Всякий новый процесс, появляющийся в системе, попадает в состояние готовность. Операционная система, пользуясь каким-либо алгоритмом планирования, выбирает один из готовых процессов и переводит его в состояние исполнение. В состоянии исполнение происходит непосредственное выполнение программного кода процесса. Выйти из этого состояния процесс может по трем причинам:

1)операционная система прекращает его деятельность;

2)он не может продолжать свою работу, пока не произойдет некоторое событие, и операционная система переводит его в состояние ожидание;

3)в результате возникновения прерывания в вычислительной системе (например, прерывания от таймера по истечении предусмотренного времени выполнения) его возвращают в состояние готовность.

Из состояния ожидание процесс попадает в состояние готовность после того, как ожидаемое событие произошло, и он снова может быть выбран для исполнения.

Планирование процессов. Понятие очереди. Планировщики.

В зависимости от состояния процесса ему должен быть предоставлен тот или иной ресурс, например новый процесс, необходимо разместить в основной памяти, следовательно, ему необходимо выделить часть адресного пространства. Процессу в состоянии «готовый» должно быть предоставлено процессорное время. Выполненный процесс может потребовать оборудование ввода-вывода. Распределение процессов между имеющимися ресурсами носит название планирование процессов. Одним из методов планирования процессов, ориентированных на эффективную загрузку ресурсов, является метод очередей. Новые процессы, находящиеся во входной очереди, часто называются очередью работ (заданий). Входная очередь располагается во внешней памяти. Во входной очереди процессы ожидают освобождения ресурса – адресного пространства основной памяти. Готовые к выполнению процессы располагаются в основной памяти и связаны очередью готовых процессов. Процесс в состоянии ожидания завершения операции ввода – вывода находится в одной из очередей к оборудованию. Таким образом, процесс мигрирует между различными очередями под управлением программы, которая называется планировщик. Операционная система, обеспечивающая режим мультипрограммирования обычно включает 2 планировщика: долгосрочный и краткосрочный. Например, в ОС/360 долгосрочный планировщик называется планировщиком заданий, а краткосрочный – супервизором задач. На уровень долгосрочного планирования выносятся редкие системные действия, требующие больших затрат системных ресурсов, на уровень краткосрочного планирования – частые и более короткие процессы. Основное отличие между долгосрочным и краткосрочным планировщиками заключается в частоте запуска, например, краткосрочный может запускаться каждые 100 мл секунд, долгосрочный – 1 раз за несколько минут или больше. Долгосрочный планировщик (ДП) решает какой из процессов, находящихся во входной очереди должен быть переведен в очередь готовых процессов в случае освобождения ресурсов памяти. ДП выбирает процесс из входной очереди с целью создания неоднородной мультипрограммной смеси. Это означает, что в очереди готовых процессов должны находится в разной пропорции как процессы, ориентированные на ввод – вывод, так и процессы, ориентированный преимущественно на работу с ЦПУ. На уровне долгосрочного планирования объектом является не отдельный процесс, а некоторое объединение процессов по функциональному назначению, которые называются работой или приложением. По мере порождения новых работ создается собственная виртуальная машина для их выполнения. Краткосрочный планировщик (КП) решает какой из процессов, находящихся в очереди готовых процессов должен быть передан на выполнение в ЦПУ. В некоторых ОС ДП может отсутствовать, например, в системах разделения времени. На уровне КП объектом управления являются процессы, которые выступают как потребители ЦП для внутренних процессов или внешнего процессора для внешних процессов. Предметом порождения процессов могут быть процессы на том же уровне или сигналы ДП. Выделение процессора процессу производится с целью достижения эффекта мультипрограммирования. Такой процесс называется диспетчеризацией.