Под процессом понимается программа в стадии выполнения. Процесс можно рассматривать также как единицу работы для . Для современных типов процессоров существует и более мелкая единица работы поток или нить. Другими словами процесс может породить один и более потоков.

В чем же состоит принципиальное различие в понятиях процесс и поток. Процесс рассматривается ОС, как заявка на все виды ресурсов (память, файлы и пр.), кроме одного — процессорного времени. Поток — это заявка на процессорное время.

В дальнейшем в качестве единицы работы ОС будут использоваться понятия процесс и поток. В тех же случаях, когда это не играет существенной роли, они будут называться задача

Планирование процессов и потоков

Планирование процессов и потоков включает:

• Создание-уничтожение процессов
• Взаимодействие между процессами
• распределение процессорного времени
• Обеспечение процессов необходимыми ресурсами (единолично, совместно)
• Синхронизация (контроль за возникновением «гонок», блокировок)
• После завершения процесса — «зачистка», т.е. удаление следов пребывания в системе

Каждый процесс изолируется от других своим виртуальным адресным пространством, под которым понимается совокупность адресов, которыми может манипулировать программный модуль процесса. ОС отображает виртуальное адресное пространство на отведенную процессу .

Для взаимодействия, процессы обращаются к ОС, которая предоставляет средства общения (конвейеры, почтовые ящики, разделяемые секции памяти и др.)

Возможность распараллеливания вычислений в рамках процесса на потоки повышает эффективность . Механизм распараллеливания вычислений для одного приложения называется многопоточной обработкой (multithreading). Потоки процесса имеют одно адресное виртуальное пространство. Распараллеливание ускоряет выполнение процесса за счет отсутствия переключения ОС с одного адресного пространства на другое, которое имеет место при выполнении процессов. Программы становятся более логичны. Особый эффект при этом достигается в мультипроцессорных системах.

Примером многопоточной обработки может служить выполнение запросов MS SQL Server

Создание процессов

Создать процесс — это создать описатель процесса (информационная структура, содержащая сведения необходимые для управления этим процессом)

Примеры описателей для:

• Windows NT/2000/XP — объект-процесс (object-process)
• UNIX — дескриптор процесса
• OS/2 — управляющий блок процесса (PCB -Process Control Block)

Кроме того создать процесс — это включает также следующие действия:

• Найти программу на диске
• перераспределить оперативную память
• выделить память новому процессу
• переписать программу в выделенную память
• изменить некоторые параметры программы

Примечание. В некоторых системах, коды и данные могут сразу не помещаться в память, а переписываться в специальную область диска — область подкачки

Создание потоков

В многопоточной системе при создании процесса создается хотя бы один поток. Для потока ОС генерирует описатель потока (идентификатор потока, данные о правах, приоритете, состояние потока и пр.).Исходное состояние потока — приостановленное.

Поток может породить другой поток — потомок. При завершения потока-родителя используются разные алгоритмы. Асинхронное завершение предполагает продолжение выполнения потоков-потомков после завершения потока-родителя. Синхронное завершение потока-родителя приводит к завершению всех его потомков.

В этой статье мы поговорим на такие темы, как процессы и потоки , дискрипторы процесса , поговорим о синзронизации потоков и затронем всеми любимый диспетчер задач windows .

На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса , необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состояние операционной среды отображается состоянием регистров и программного счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т.д. Эта информация называется контекстом процесса .

Для того чтобы ОС могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится дескриптор процесса .

Дескриптор – специальная информационная структура, которая заводится на каждый процесс (описатель задачи, блок управления задачей).

В общем случае дескриптор содержит следующую информацию:

1. Идентификатор процесса.
2. Тип (или класс) процесса, который определяет для супервизора некоторые правила предоставления ресурсов.
3. Приоритет процесса.
4. Переменную состояния, которая определяет, в каком состоянии находится процесс (готов к работе, в состоянии выполнения, ожидание устройства ввода-вывода и т.д.)
5. Защищенную область памяти (или адрес такой зоны), в которой хранятся текущие значения регистров процессора, если процесс прерывается, не закончив работы. Эта информация называется контекстом задачи .
6. Информацию о ресурсах, которыми процесс владеет и/или имеет право пользоваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных операциях ввода/вывода и т.п.).
7. Место (или его адрес) для организации общения с другими процессами.
8. Параметры времени запуска (момент времени, когда процесс должен активизироваться, и периодичность этой процедуры).
9. В случае отсутствия системы управления файлами – адрес задачи на диске в ее исходном состоянии и адрес на диске, куда она выгружается из оперативной памяти, если ее вытесняет другая.

Дескриптор процесса по сравнению с контекстом содержит более оперативную информацию, которая должна быть легко доступна подсистеме планирования процессов. Контекст процесса содержит менее актуальную информацию и используется операционной системой только после того, как принято решение о возобновлении прерванного процесса.

Дескрипторы , как правило, постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу 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) ОС ведет соответствующий список задач, находящийся 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 содержится в системе.

Процессы и потоки

Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить и оформить для себя те внутренне единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В настоящее время в большинстве ОС определены два типа единиц работы:

• Процесс (более крупная единица работы).
• Поток (нить или тред) – более мелкая единица работы, которую требует для своего выполнения процесс.
• Когда говорят о процессах , то тем самым хотят отметить, что ОС поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы – файлы, окна и др. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы вычислительной системы, конкурируют друг с другом.

В общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принадлежать даже различным пользователям, разделяющим одну вычислительную систему. Другими словами, в случае процессов ОС считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно ОС отвечает за конкуренцию между процессами по поводу ресурсов.

Для повышения быстродействия процессов есть возможность задействовать внутренний параллелизм в самих процессах .

Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего исполнения достаточно длительного использования ЦП. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при обработке больших изображений в графических редакторах. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (потоков ), которые будут выполняться параллельно с другими «подпроцессами», то у пользователя появляется возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса).

Можно выделить следующие отличия потоков от процессов :

• ОС для потоков не должна организовывать полноценную виртуальную машину.
• Потоки не имеют своих собственных ресурсов, они развиваются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, что и данный процесс.
• Единственное, что потокам необходимо иметь, — это процессорный ресурс. В однопроцессорной системе потоки разделяют между собой процессорное время так же, как это делают обычные процессы, а в многопроцессорной системе могут выполняться одновременно, если не встречают конкуренции из-за обращения к иным ресурсам.

Главное, что обеспечивает многопоточность , — это возможность параллельно выполнять несколько видов операций в одной прикладной программе. За счет чего реализуется эффективное использование ресурсов ЦП, а суммарное время выполнения задач становится меньше.

Например, если табличный процессор или текстовый процессор были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа или слияние нескольких документов и одновременно продолжать заполнять таблицу или открывать для редактирования следующий документ.

Диспетчер задач WINDOWS

В диспетчере задач отображаются сведения о программах и процессах , выполняемых на компьютере. Кроме того, там можно просмотреть наиболее часто используемые показатели быстродействия процессов.

Диспетчер задач служит для отображения ключевых показателей быстродействия компьютера. Для выполняемых программ можно просмотреть их состояние и завершить программы, переставшие отвечать на запросы. Имеется возможность просмотра активности выполняющихся процессов с использованием до 15 параметров, а также графиков и сведений об использовании ЦП и памяти.

Кроме того, если имеется подключение к сети, можно просматривать состояние сети и параметры ее работы. Если к компьютеру подключились несколько пользователей, можно увидеть их имена, какие задачи они выполняют, а также отправить им сообщение.

На вкладке Процессы отображаются сведения о выполняющихся на компьютере процессах: сведения об использовании ЦП и памяти, счетчике процессов и некоторые другие параметры:

На вкладке Быстродействие, отображаются сведения о счетчике дескрипторов и потоках, параметры памяти:

Потребность в синхронизации потоков возникает только в мультипрограммной ОС и связана с совместным использованием аппаратных и информационных ресурсов компьютера. Синхронизация необходима для исключения гонок (см. далее) и тупиков при обмене данными между потоками, разделении данных, при доступе к процессору и устройствам ввода-вывода.

Синхронизация потоков и процессов заключается в согласовании их скоростей путем приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации при наступлении этого события.

Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может привести к неправильному решению задачи или даже к краху системы.

Пример . Задача ведения базы данных клиентов некоторого предприятия.

Каждому клиенту отводится отдельная запись в базе данных, в которой имеются поля Заказ и Оплата. Программа, ведущая базу данных, оформлена как единый процесс, имеющий несколько потоков, в том числе:

• Поток А, который заносит в базу данных информацию о заказах, поступивших от клиентов.
• Поток В, который фиксирует в базе данных сведения об оплате клиентами выставленных счетов.

Оба эти потока совместно работают над общим файлом базы данных, используя однотипные алгоритмы:

1. Считать из файла БД в буфер запись и клиенте с заданным идентификатором.
2. Ввести новое значение в поле Заказ (для потока А) или оплата (для потока В).
3. Вернуть модифицированную запись в файл БД.

Обозначим шаги 1-3 для потока А как А1-А3, а для потока В как В1-В3. Предположим, что в некоторый момент поток А обновляет поле Заказ записи о клиенте N. Для этого он считывает эту запись в свой буфер (шаг А1), модифицирует значение поля Заказ (шаг А2), но внести запись в базу данных не успевает, так как его выполнение прерывается, например, вследствие истечение кванта времени.

Предположим, что потоку В также потребовалось внести сведения об оплате относительно того же клиента N. Когда подходит очередь потока В, он успевает считать запись в свой буфер (шаг В1) и выполнить обновление поля Оплата (шаг В2), а затем прерывается. Заметим, что в буфере у потока В находится запись о клиенте N, в которой поле Заказ имеет прежнее, не измененное значение.

Важным понятием синхронизации процессов является понятие «критическая секция» программы. Критическая секция — это часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент в критической секции, связанной с этим ресурсом, находился максимум один процесс. Этот прием называют взаимным исключением.

Простейший способ обеспечить взаимное исключение — позволить процессу, находящемуся в критической секции, запрещать все прерывания. Однако этот способ непригоден, так как опасно доверять управление системой пользовательскому процессу; он может надолго занять процессор, а при крахе процесса в критической области крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

Другим способом является использование блокирующих переменных. С каждым разделяемым ресурсом связывается двоичная переменная, которая принимает значение 1, если ресурс свободен (то есть ни один процесс не находится в данный момент в критической секции, связанной с данным процессом), и значение 0, если ресурс занят. На рисунке ниже показан фрагмент алгоритма процесса, использующего для реализации взаимного исключения доступа к разделяемому ресурсу D блокирующую переменную F(D). Перед входом в критическую секцию процесс проверяет, свободен ли ресурс D. Если он занят, то проверка циклически повторяется, если свободен, то значение переменной F(D) устанавливается в 0, и процесс входит в критическую секцию. После того, как процесс выполнит все действия с разделяемым ресурсом D, значение переменной F(D) снова устанавливается равным 1.

Если все процессы написаны с использованием вышеописанных соглашений, то взаимное исключение гарантируется. Следует заметить, что операция проверки и установки блокирующей переменной должна быть неделимой. Поясняется это следующим образом. Пусть в результате проверки переменной процесс определил, что ресурс свободен, но сразу после этого, не успев установить переменную в 0, был прерван. За время его приостановки другой процесс занял ресурс, вошел в свою критическую секцию, но также был прерван, не завершив работы с разделяемым ресурсом. Когда управление было возвращено первому процессу, он, считая ресурс свободным, установил признак занятости и начал выполнять свою критическую секцию. Таким образом, был нарушен принцип взаимного исключения, что потенциально может привести к нежелаемым последствиям. Во избежание таких ситуаций в системе команд машины желательно иметь единую команду «проверка-установка», или же реализовывать системными средствами соответствующие программные примитивы, которые бы запрещали прерывания на протяжении всей операции проверки и установки.

Реализация критических секций с использованием блокирующих переменных имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один процесс находится в критической секции, другой процесс, которому требуется тот же ресурс, будет выполнять рутинные действия по опросу блокирующей переменной, бесполезно тратя процессорное время. Для устранения таких ситуаций может быть использован так называемый аппарат событий. С помощью этого средства могут решаться не только проблемы взаимного исключения, но и более общие задачи синхронизации процессов. В разных операционных системах аппарат событий реализуется по-своему, но в любом случае используются системные функции аналогичного назначения, которые условно называются WAIT(x) и POST(x), где x — идентификатор некоторого события.

Если ресурс занят, то процесс не выполняет циклический опрос, а вызывает системную функцию WAIT(D), здесь D обозначает событие, заключающееся в освобождении ресурса D. Функция WAIT(D) переводит активный процесс в состояние ОЖИДАНИЕ и делает отметку в его дескрипторе о том, что процесс ожидает события D. Процесс, который в это время использует ресурс D, после выхода из критической секции выполняет системную функцию POST(D), в результате чего операционная система просматривает очередь ожидающих процессов и переводит процесс, ожидающий события D, в состояние ГОТОВНОСТЬ.

Обобщающее средство синхронизации процессов предложил Дейкстра, который ввел два новых примитива. В абстрактной форме эти примитивы, обозначаемые P и V, оперируют над целыми неотрицательными переменными, называемыми семафорами . Пусть S такой семафор. Операции определяются следующим образом:

V(S): переменная S увеличивается на 1 одним неделимым действием; выборка, инкремент и запоминание не могут быть прерваны, и к S нет доступа другим процессам во время выполнения этой операции.

P(S): уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0, то невозможно уменьшить S и остаться в области целых неотрицательных значений, в этом случае процесс, вызывающий P-операцию, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также является неделимой операцией.

В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную. Операция P заключает в себе потенциальную возможность перехода процесса, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как V-операция может при некоторых обстоятельствах активизировать другой процесс, приостановленный операцией P.

Взаимоблокировка процессов

При организации параллельного выполнения нескольких процессов одной из главных функций ОС является корректное распределение ресурсов между выполняющимися процессами и обеспечение процессов средствами взаимной синхронизации и обмена данными.

При параллельном исполнении процессов могут возникать ситуации, при которых два или более процесса все время находятся в заблокированном состоянии. Самый простой случай – когда каждый из двух процессов ожидает ресурс, занятый другим процессом. Из-за такого ожидания ни один из процессов не может продолжить исполнение и освободить в конечном итоге ресурс, необходимый другому процессу. Эта тупиковая ситуация называется дедлоком (dead lock), тупиком , клинчем или взаимоблокировкой .

Говорят, что в мультизадачной системе процесс находится в состоянии тупика, если он ждет события, которое никогда не произойдет.

Тупиковые ситуации надо отличать от простых очередей, хотя и те и другие возникают при совместном использовании ресурсов и внешне выглядят похоже: процесс приостанавливается и ждет освобождения ресурса. Однако очередь — это нормальное явление, неотъемлемый признак высокого коэффициента использования ресурсов при случайном поступлении запросов. Она возникает тогда, когда ресурс недоступен в данный момент, но через некоторое время он освобождается, и процесс продолжает свое выполнение. Тупик же является в некотором роде неразрешимой ситуацией.

Проблема тупиков включает в себя следующие задачи:

1. предотвращение тупиков.
2. распознавание тупиков.
3. восстановление системы после тупиков.

Тупики могут быть предотвращены на стадии написания программ, то есть программы должны быть написаны таким образом, чтобы тупик не мог возникнуть ни при каком соотношении взаимных скоростей процессов. Так, если бы в предыдущем примере процесс А и процесс В запрашивали ресурсы в одинаковой последовательности, то тупик был бы в принципе невозможен. Второй подход к предотвращению тупиков называется динамическим и заключается в использовании определенных правил при назначении ресурсов процессам, например, ресурсы могут выделяться в определенной последовательности, общей для всех процессов.

В некоторых случаях, когда тупиковая ситуация образована многими процессами, использующими много ресурсов, распознавание тупика является нетривиальной задачей. Существуют формальные, программно-реализованные методы распознавания тупиков, основанные на ведении таблиц распределения ресурсов и таблиц запросов к занятым ресурсам. Анализ этих таблиц позволяет обнаружить взаимные блокировки.

Если же тупиковая ситуация возникла, то не обязательно снимать с выполнения все заблокированные процессы. Можно снять только часть из них, при этом освобождаются ресурсы, ожидаемые остальными процессами, можно вернуть некоторые процессы в область свопинга, можно совершить «откат» некоторых процессов до так называемой контрольной точки, в которой запоминается вся информация, необходимая для восстановления выполнения программы с данного места. Контрольные точки расставляются в программе в местах, после которых возможно возникновение тупика.

Добрый день. Сегодня хотелось бы разобрать, что такое потоки в процессоре. Те самые, о функциях и возможностях которых большинство и не догадывается, однако любят хвастаться остальным.

Цель функции заключается в том, что на 1 ядро может одновременно обрабатывать несколько потоков данных. Пока первый поток простаивает, а второй занимается вычислением, запущенное приложение может воспользоваться вакантной логической мощью для своих целей. В результате, прерывания случаются гораздо реже, а вы не ощущаете тормозов и прочих неудобств при работе.

Недостаток технологии заключается в следующем:

• оба потока обращаются к единой кэш-памяти 2 и 3 уровней;
• тяжелые вычислительные процессы могут вызвать конфликт в системе.

Если очень грубо, то все кирпичи с одного места на другое можно перенести в одной руке (1 поток), либо в двух (2 потока), но человек при этом один (1 ядро) и устает одинаково при любых условиях, хоть его производительность фактически увеличивается вдвое. Иными словами, мы упираемся в производительность ЦП, а конкретней в его частоту.

В однозадачной ОС пользователь может запустить одновременно не более одной программы и только после того как она закончит работу можно будет запустить другую. В многозадачной ОС пользователи могут одновременно запускать несколько программ или даже несколько копий одной программы.

В чем разница между программой и процессом? Программа – это статическая последовательность команд, а процесс (process ) – это программа и системные ресурсы, необходимые для ее выполнения. Процесс является субъектом владения ресурсами и единицей работы. ОС выделяет каждому процессу порцию системных ресурсов и гарантирует, что программа каждого процесса будет направляться на исполнение в определенном порядке и своевременно.

ОС содержит блок кода, управляющий созданием и удалением процессов, а также отношениями между ними. Этот код называется структурой процессов (process structure ) и в Windows NT реализован диспетчером процессов (process manager ) .

Его основная задача предоставить набор базовых сервисов процесса, которые подсистемы среды могли бы использовать для эмуляции своих собственных уникальных структур процессов.

В разных ОС процессы реализованы по-разному. Они различаются своим представлением (структурами данных), способами именования и защиты, а также отношениями между собой. Базовые процессы Windows NT имеют ряд характеристик, отличающих их от процессов других ОС:

• процессы реализованы как объекты, и доступ к ним осуществляется посредством объектных сервисов;
• в адресном пространстве процесса может исполняться несколько потоков;
• объект-процесс и объект-поток имеют встроенные возможности синхронизации.

Что такое процесс?

Процесс состоит из:

• исполняемой программы (код и данные);
• закрытого адресного пространства (address space ) , т.е. набора адресов виртуальной памяти, который процесс может использовать;
• системных ресурсов , выделяемых ОС процессу во время выполнения программы (семафоров, файлов и т.д.);
• по крайней мере, одного потока управления (thread of execution ). Поток – это сущность внутри процесса, которую ядро NT направляет на исполнение. Без него программа процесса не может выполняться.

Адресное пространство

С помощью системы виртуальной памяти (virtual memory) программисты (и создаваемые ими процессы) получают логический образ памяти, который не совпадает с ее физической структурой (см. Рис. 1 Виртуальная и физическая память).

При всяком обращении процесса по виртуальному адресу система виртуальной памяти транслирует этот адрес в физический адрес. Она также предотвращает непосредственный доступ процесса к виртуальной памяти, занятой другими процессами или ОС. Для исполнения кода ОС или доступа к памяти ОС поток должен выполняться в режиме ядра (kernel mode) . Большинство процессов – это процессы пользовательского режима (user mode ).

Поток пользовательского режима получает доступ к ОС, вызывая некоторый системный сервис. Когда поток вызывает сервис, происходит переключение из пользовательского режима в режим ядра. ОС проверяет аргументы, переданные сервису, после чего исполняет сервис. Перед возвратом управления пользовательской программе ОС переключает поток обратно в пользовательский режим.

Системные ресурсы

Кроме закрытого адресного пространства, с каждым процессом связан набор системных ресурсов.

Маркер доступа (Access Token ) присоединяет к процессу ОС. Это объект исполнительной системы, который содержит информацию о правах зарегистрированного в системе пользователя, которого представляет данный процесс. Если процессу требуется получить информацию о своем маркере доступа или изменить некоторые атрибуты маркера, он должен открыть описатель своего объекта-маркера. Подсистема защиты определяет, есть ли у объекта такое право.

Ниже маркера доступа расположен набор структур данных, созданный диспетчером виртуальной памяти для отслеживания виртуальных адресов, используемых процессом.

Таблица объектов показана внизу. Процесс открыл описатели потока, файла и секции совместно используемой памяти. Описание виртуального адресного пространства содержит информацию о виртуальных адресах, занятых стеком потока и объектом-секцией.

Объект-процесс

Каждый процесс в Windows NT представлен блоком процесса , создаваемым исполнительной системой (EPROCESS ). В блоке EPROCESS содержатся атрибуты процесса и указатели на некоторые структуры данных. Так, у каждого процесса есть один или более потоков, представляемых блоками потоков исполнительной системы (ETHREAD ). Блок EPROCESS и связанные с ним структуры данных хранятся в системном пространстве. Исключение составляет только блок переменных окружения процесса (process environment block, PEB ), он находится в адресном пространстве процесса (см. Рис. 3 Блоки переменных окружения процесса (PEB) и потока (TEB)).

В исполнительной системе процессы – это объекты исполнительной системы, создаваемые и уничтожаемые диспетчером объектов. Объект-процесс, как и другие объекты, содержит заголовок, создаваемый и инициализируемый диспетчером объектов. В заголовке хранятся стандартные атрибуты объекта, такие как дескриптор защиты объекта, имя и каталог объектов, в котором хранится имя, если оно есть.

Диспетчер процессов определяет атрибуты, хранящиеся в теле объектов-процессов, а также предоставляет системные сервисы для чтения и изменения этих атрибутов. Атрибуты и сервисы для объектов-процессов показаны на Рис. 4 Блоки процесса исполнительной системы (EPROCESS) и ядра (KPROCESS). Объект процесс исполнительной системы включает объект процесс ядра (содержит указатель на объект процесс ядра). Ядро управляет объектом процесс ядра, а исполнительная система управляет объектом исполнительной системы.

Мы рассматриваем основные атрибуты этих объектов по отдельности, для того чтобы лучше понять какие задачи решаются ядром, а какие исполнительной системой. При выполнении лабораторных работ эта детализация не существенна и надо будет использовать Win32 API функции для работы с объектом процесс исполнительной системы.

Рассмотрим основные атрибуты:

• идентификатор процесса – уникальное значение, идентифицирующее процесс в ОС;
• базовый приоритет — базовый приоритет потоков процесса;
• привязка к процессорам (процессорное сродство) – набор процессоров, на которых потоки процесса могут исполняться по умолчанию;
• размеры квот – максимальный объем резидентной и нерезидентной системной памяти, пространства в файле подкачки и процессорного времени, выделяемый пользовательскому процессу;
• статус завершения – причина завершения процесса.

Некоторые атрибуты объекта-процесса налагают ограничения на потоки, исполняемые внутри процесса. Например, на многопроцессорном компьютере процессорное сродство может ограничить исполнение потоков процесса только на заданных процессорах. Аналогично, размеры квот регулируют, сколько памяти, пространства в файле подкачки и процессорного времени могут использовать все потоки процесса вместе.

Базовый приоритет процесса помогает ядру NT регулировать приоритет потоков в системе. Приоритеты потоков изменяются, но всегда остаются в диапазоне базовых приоритетов их процессов.

Большинство сервисов объекта-процесса мы будем использовать при выполнении лабораторных работ. Например, сервис завершения процесса останавливает исполнение всех его потоков, закрывает все открытые описатели объектов и уничтожает виртуальное адресное пространство процесса.

Что такое поток?

Поток – это единица исполнения, отдельный счетчик команд или подлежащая планированию сущность внутри процесса.

В то время как процесс – это логическое представление работы, которую должна выполнить ОС, поток отображает одну из, возможно, многих необходимых подзадач. Предположим, что пользователь запустил приложение для работы с базой данных. ОС представляет этот вызов приложения как один процесс. Пусть теперь пользователь запросил генерацию отчета по данным из базы и сохранение этого отчета в файле. Пока идет выполнение этой длительной операции, пользователь ввел новый запрос к базе данных. ОС представляет каждый из запросов – генерацию отчета и новый запрос к базе – как отдельные потоки внутри процесса приложения для работы с базой данных. Эти потоки могут выполняться процессором независимо друг от друга, т.е. обе операции можно выполнять в одно и то же время (параллельно).

Основные составляющие потока в исполнительной системе NT:

• Уникальный идентификатор, называемый идентификатором клиента
• Содержимое набора регистров, отражающее состояние процессора
• Два стека: один используется потоком при работе в пользовательском режиме, а другой — в режиме ядра
• Собственная область памяти, предназначенная для использования подсистемами, библиотеками периода выполнения и динамически подключаемыми библиотеками (DLL).

Регистры, стек, и собственная область памяти называются контекстом (context) потока. Фактически данные, составляющие контекст потока, определяются типом процессора.

Поток находится в адресном пространстве процесса, используя его для хранения данных во время выполнения. Если в одном процессе существует несколько потоков, то они совместно используют адресное пространство и все ресурсы, включая маркер доступа, базовый приоритет и описатели объектов из таблицы объектов процесса. Ядро NT направляет потоки на исполнение некоторому процессору. Таким образом, каждый процесс NT должен иметь, по меньшей мере, один поток.

Многозадачность и многопроцессорная обработка

ОС вытесняющей многозадачностью должна использовать тот или иной алгоритм, позволяющий ей распределять процессорное время между потоками. Каждые 20 мс Windows просматривает все существующие объекты потоки и отмечает те из них, которые могут получить процессорное время. Далее она выбирает один из таких объектов и загружает в регистры процессора значение его контекста. Эта операция называется переключением контекста (context switching). Поток выполняет код и манипулирует данными в адресном пространстве своего процесса. Примерно через 20 мс Windows сохранит значения регистров процессора в контексте потока и приостановит его выполнение. Далее система просмотрит остальные объекты потоки, подлежащие выполнению, выберет один из них, загрузит его контекст в регистры процессора, и все повторится. Этот цикл операций – выбор потока, загрузка его контекста, выполнение и сохранение контекста – начинается с момента запуска системы и продолжается до ее выключения (см. Рис. 5 Состояния потоков).

Система планирует выполнение только тех потоков, которые могут получить процессорное время. У некоторых объектов-потоков значение счетчика простоев (suspend count) больше 0, это значит, что соответствующие потоки приостановлены и не получают процессорного времени. Кроме приостановленных, существуют и другие потоки, не участвующие в распределении процессорного времени, — они ожидают каких-либо событий.

Поток получает доступ к процессору на 20 мс, после чего планировщик переключает процессор на выполнение другого потока. Но так происходит, только если у всех потоков один приоритет. На самом деле в системе существуют потоки с разными приоритетами, а это меняет порядок распределения процессорного времени.

Каждому потоку присваивается уровень приоритета – от 0 (самый низкий) до 31 (самый высокий). Решая, какому потоку выделить процессорное время, система сначала рассматривает только потоки с приоритетом 31 и подключает их к процессору по принципу карусели. Если поток с приоритетом 31 не исключен из планирования, он получает квант времени, по истечении которого система проверяет, есть ли еще один такой поток. Если есть, то и он получает свой квант процессорного времени.

Пока в системе имеются планируемые потоки с приоритетом 31, ни один поток с более низким приоритетом процессорного времени не получит. Такая ситуация называется голоданием (starvation). Она наблюдается, когда потоки с более высоким приоритетом так интенсивно используют процессор, что остальным ничего не достается.

Кроме того, потоки с более высоким приоритетом вытесняют потоки с более низким приоритетом. Допустим, процессор исполняет поток с приоритетом 5, и тут система обнаруживает, что поток с более высоким приоритетом готов к выполнению. Тогда система остановит поток с более низким приоритетом – даже если не истек отведенный ему квант процессорного времени – подключит к процессору поток с более высоким приоритетом и выдаст ему полный квант времени.

Процессор может выполнять не более одного потока одновременно. Однако многозадачная (multitasking) ОС дает пользователю возможность исполнять несколько программ, причем создается впечатление, что все они исполняются одновременно. Это достигается следующим образом:

• поток исполняется до тех пор, пока его исполнение не будет прервано или ему не придется ждать освобождения некоторого ресурса;
• cохраняется контекст потока;
• загружается контекст другого потока;

этот цикл повторяется до тех пор, пока есть потоки, ожидающие выполнения.

Переключение процессора с исполнения одного потока на исполнение другого потока называется переключением контекста (context switching). В Windows NT оно осуществляется ядром.

Многозадачность увеличивает объем работы, выполняемой системой, потому что большинство потоков не могут исполняться непрерывно. Периодически поток прекращает выполнение и ждет пока другой поток, например, освободит ресурс необходимый первому. Благодаря многозадачности, пока один поток ожидает, может выполняться другой поток, и время процессора не расходуется впустую.

Вытесняющая многозадачность (preemptive multitasking) – это разновидность многозадачности, при которой ОС не ждет, пока поток добровольно предоставит процессор другим потокам. Вместо этого ОС прерывает поток, после того как он выполнялся в течение заранее заданного периода времени, так называемого кванта времени (time quantum), или когда готов к выполнению поток с большим приоритетом. Вытеснение предотвращает монополизацию процессора одним потоком и предоставляет другим потокам их долю процессорного времени. Windows NT – это система с вытесняющей многозадачностью. В невытесняющих системах, поток должен был добровольно передавать управление процессором. Плохие программы могут захватить процессор и нарушить работу других приложений или всей системы.

8.2.1. Основные понятия

В операционной системе Windows 2000 поддерживаются традиционные процес­сы, способные общаться и синхронизироваться друг с другом так же, как это дела­ют процессы в UNIX. Каждый процесс содержит по крайней мере один поток, со­держащий, в свою очередь, как минимум одно волокно (облегченный поток). Более того, для управления определенными ресурсами процессы могут объединяться в задания. Все вместе – задания, процессы, потоки и волокна – образует общий набор инструментов для управления ресурсами и реализации параллелизма как на однопроцессорных, так и на многопроцессорных машинах.

Задание в Windows 2000 представляет собой набор, состоящий из одного или нескольких процессов, управляемых как единое целое. В частности, с каждым заданием ассоциированы квоты и лимиты ресурсов, хранящиеся в соот­ветствующем объекте задания. Квоты включают такие пункты, как максимальное количество процессов (не позволяющее процессам задания создавать бесконтроль­ное количество дочерних процессов), суммарное время центрального процессора, доступное для каждого процесса в отдельности и для всех процессов вместе, а также максимальное количество используемой памяти для процесса и для всего задания. Задания также могут ограничивать свои процессы в вопросах безопасности, на­пример, запрещать им получать права администратора (суперпользователя) даже при наличии правильного пароля.

Как и в системе UNIX, процессы представляют собой контейнеры для ресур­сов. У каждого процесса есть 4-гигабайтное адресное пространство, в котором пользователь занимает нижние 2 Гбайт (в версиях Windows 2000 Advanced Server и Datacenter Server этот размер может быть по желанию увеличен до 3 Гбайт), а операционная система занимает остальную его часть. Таким образом, операци­онная система присутствует в адресном пространстве каждого процесса, хотя она и защищена от изменений с помощью аппаратного блока управления памятью MMU. У процесса есть идентификатор процесса, один или несколько потоков, список дескрипторов (управляемых в режиме ядра) и маркер доступа, хранящий информацию защиты. Процессы создаются с помощью вызова Win32, который принимает на входе имя исполняемого файла, определяющего начальное содер­жимое адресного пространства, и создает первый поток.

Каждый процесс начинается с одного потока, но новые потоки могут создавать­ся динамически. Потоки формируют основу планирования центрального процес­сора, так как операционная система всегда для запуска выбирает поток, а не про­цесс. Соответственно, у каждого потока есть состояние (готовый, работающий, блокированный и т. д.), тогда как у процессов состояний нет. Потоки могут дина­мически создаваться вызовом Win32, которому в адресном пространстве процесса задается адрес начала исполнения. У каждого потока есть идентификатор потока, выбираемый из того же пространства, что и идентификаторы процессов, поэтому один и тот же идентификатор никогда не будет использован одновременно для процесса и для потока. Идентификаторы процессов и потоков кратны четырем, поэтому они могут использоваться в роли байтовых индексов в таблицах ядра, как и другие объекты.

Как правило, поток работает в пользовательском режиме, но когда он обраща­ется к системному вызову, то переключается в режим ядра, после чего продолжает выполнять тот же поток, с теми же свойствами и ограничениями, которые были у него в режиме пользователя. У каждого потока есть два стека – один используется в режиме ядра, а другой в режиме пользователя. Помимо состояния, идентифика­тора и двух стеков, у каждого потока есть контекст (в котором сохраняются его регистры, когда он не работает), приватная область для локальных переменных, а также может быть свой собственный маркер доступа. Если у потока есть свой мар­кер доступа, то он перекрывает маркер доступа процесса, чтобы клиентские потоки могли передать свои права доступа серверным потокам, выполняющим работу для них. Когда поток завершает свою работу, он может прекратить свое существование. Когда прекращает существование последний активный поток, процесс завершается.

Важно понимать, что потоки представляют собой концепцию планирования, а не концепцию владения ресурсами. Любой поток может получить доступ ко всем объектам его процесса. Все, что ему для этого нужно сделать, – это заполучить дес­криптор и обратиться к соответствующему вызову Win32. Для потока нет ника­ких ограничений доступа к объекту, связанных с тем, что этот объект создан или открыт другим потоком. Система даже не следит за тем, какой объект каким потоком создан. Как только дескриптор объекта помещен в таблицу дескрипторов про­цесса, любой поток процесса может его использовать.

Помимо нормальных потоков, работающих в процессах пользователя, в опера­ционной системе Windows 2000 есть множество процессов-демонов, не связанных ни с каким пользовательским процессом (они ассоциированы со специальной си­стемой или простаивающими процессами). Некоторые демоны выполняют адми­нистративные задачи, как, например, запись «грязных» (модифицированных) страниц на диск, тогда как другие формируют пул, и ими могут пользоваться компоненты исполняющей системы или драйверы, которым нужно выполнить какие-либо асинхронные за­дачи в фоновом режиме. Переключение потоков в операционной системе Windows 2000 занимает до­вольно много времени, так как для этого необходимо переключение в режим ядра, а затем возврат в режим пользователя. Для предоставления сильно облегченного псевдопараллелизма в Windows 2000 используются волокна, подобные потокам, но планируемые в пространстве пользователя создавшей их программой (или ее системой поддержки исполнения). У каждого потока может быть несколько воло­кон, так же как у процесса может быть несколько потоков, с той разницей, что когда волокно логически блокируется, оно помещается в очередь блокированных волокон, после чего для работы выбирается другое волокно в контексте того же потока. Операционная система не знает о смене волокон, так как все тот же поток продолжает работу. Так как операционная система ничего не знает о волокнах, то с ними, в отличие от заданий, процессов и потоков, не связаны объекты испол­няющей системы. Для управления волокнами нет и настоящих системных вызо­вов. Однако для этого есть вызовы Win32 API. Они относятся к тем вызовам Win32 API, которые не обращаются к системным вызовам.

Отметим, что операци­онная система Windows 2000 может работать на симметричных многопроцессор­ных системах. Это означает, что код операционной системы должен быть полнос­тью реентерабельным, то есть каждая процедура должна быть написана таким образом, чтобы два или более центральных процессора могли поменять свои пере­менные без особых проблем. Во многих случаях это означает, что программные секции должны быть защищены при помощи спин-блокировки или мьютексов, удерживающих дополнительные центральные процессоры в режиме ожидания, пока первый центральный процессор не выполнит свою работу (при помощи по­следовательного доступа к критическим областям).

Верхний предел в 32 центральных процессора является жестким пределом, так как во многих местах операционной системы для учета использования централь­ных процессоров используются битовые массивы размером в 32-разрядное машин­ное слово. Например, один однословный битовый массив используется для того, чтобы следить, какой из центральных процессоров свободен в данный момент, а другой массив используется в каждом процессе для перечисления центральных процессоров, на которых этому процессу разрешено работать. 64-разрядная версия Windows 2000 должна будет без особых усилий поддерживать до 64 центральных процессоров. Для превышения этого ограничения потребуется существенная пере­делка программы (с использованием по нескольку слов для битовых массивов).