Каждому процессу соответствует контекст, в котором он выполняется. Этот контекст включает пользовательский контекст (т. е. содержимое виртуального адресного пространства, сегментов программного кода, данных, стека, разделяемых сегментов и сегментов файлов, отображаемых в виртуальную память), содержимое аппаратных регистров — регистровый контекст (регистр счетчика команд, регистр состояния процессора, регистр указателя стека и регистры общего назначения), а также структуры данных ядра (контекст системного уровня), связанные с этим процессом. Контекст процесса системного уровня в ОС UNIX состоит из «статической» и «динамических» частей. Для каждого процесса имеется одна статическая часть контекста системного уровня и переменное число динамических частей.
Статическая часть контекста процесса системного уровня включает следующее:
Идентификатор процесса (PID)
Уникальный номер, идентифицирующий процесс. По сути, это номер строки в таблице процессов — специальной внутренней структуре ядра операционной системы, хранящей информацию о процессах.
В любой момент времени ни у каких двух процессов номера не могут совпадать, однако после завершения процесса его номер освобождается и может быть в дальнейшем использован для идентификации любого вновь запущенного процесса.
Идентификатор родительского процесса (PPID)
В операционнной системе UNIX процессы выстраиваются в иерархию — новый процесс может быть создан только одним из уже существующих процессов, который выступает для него родительским.
Очевидно, что в такой схеме должен присутствовать один процесс с особым статусом: он должен быть порожден ядром операционной системы и будет являться родительским для всех остальных процессов в системе. В UNIX такой процесс имеет собственное имя — init. Подробнее об этом процессе сказано в разделе «Процесс init».
Состояние процесса
Каждый процесс в любой момент времени находится в одном из нескольких определенных состояний: инициализация, исполнение, приостановка, ожидание ввода-вывода, завершение и т. п. (см. Рисунок 1.39, «Состояния процесса в UNIX»).
Рисунок 1.39. Состояния процесса в UNIX
Большинство этих состояний совпадает с классическим набором состояний процессов в многозадачных операционных системах. Для операционной системы UNIX характерно особое состояние процесса — зомби. Процесс получает это состояние, если он завершился раньше, чем этого ожидал его родительский процесс. В UNIX перевод процессов в состояние зомби служит для корректного завершения группы процессов, освобождения ресурсов и т. п.
Идентификаторы пользователя
Идентификатор пользователя и группы, от имени которых исполняется процесс, используются операционной системой для определения границ доступа для процесса. Подробнее о правах доступа будет сказано в лекции «Введение в безопасность UNIX».
Приоритет процесса
Число, используемое при планировании (см. «Планирование процессов») исполнения процесса в операционной системе. Традиционное решение операционной системы UNIX состоит в использовании динамически изменяющихся приоритетов. При образовании каждого процесса ему приписывается некоторый устанавливаемый системой статический приоритет, который в дальнейшем может быть изменен с помощью системного вызова nice. Реальным критерием планирования выступает динамический приоритет, статический приоритет составляет основу начального значения динамического приоритета процесса. Все процессы с динамическим приоритетом не ниже порогового участвуют в конкуренции за процессор.
Таблица дескрипторов открытых файлов
Список структур ядра, описывающий все файлы, открытые этим процессом для ввода-вывода.
Другая информация, связанная с процессом
Динамическая часть контекста процесса — это один или несколько стеков, которые используются процессом при выполнении в режиме пользователя и в режиме ядра (в процессе прерываний и системных вызовов).
Планирование процессов
Презентация 3-04: планирование процессов
Основной проблемой организации многопользовательского (правильнее сказать, мультипрограммного) режима в любой операционной системе является организация планирования «параллельного» выполнения нескольких процессов. Операционная система должна обладать четкими критериями для определения того, какому готовому к выполнению процессу и когда предоставить ресурс процессора.
Наиболее распространенным алгоритмом планирования в системах разделения времени является кольцевой режим (Round Robin). Основной смысл алгоритма состоит в том, что время процессора делится на кванты фиксированного размера, а процессы, готовые к выполнению, выстраиваются в кольцевую очередь (см. Рисунок 1.40, «Схема планирования с кольцевой очередью»). У этой очереди имеются два указателя — начала и конца. Когда процесс, выполняющийся на процессоре, исчерпывает свой квант процессорного времени, он снимается с процессора, ставится в конец очереди, а ресурсы процессора отдаются процессу, находящемуся в начале очереди. Если выполняющийся на процессоре процесс откладывается (например, по причине обмена с некоторым внешним устройством) до того, как он исчерпает свой квант, то после повторной активизации он становится в конец очереди (не смог доработать — не вина системы). Это прекрасная схема разделения времени в случае, когда все процессы одновременно помещаются в оперативной памяти.
Рисунок 1.40. Схема планирования с кольцевой очередью
Однако операционная система UNIX всегда была рассчитана на то, чтобы обслуживать больше процессов, чем можно одновременно разместить в основной памяти. Другими словами, часть процессов, потенциально готовых выполняться, размещалась во внешней памяти (куда образ памяти процесса попадал в результате откачки). Для оптимизации работы в этом случае требуется несколько более гибкая схема планирования при разделении ресурсов процессора. В результате было введено понятие приоритета (см. Рисунок 1.41, «Схема планирования с кольцевой очередью и приоритетами»). В операционной системе UNIX на основании значения приоритета процесса определяется, во-первых, возможность процесса пребывать в основной памяти и на равных конкурировать за процессор. Во-вторых, от значения приоритета процесса зависит размер временного кванта, который предоставляется процессу для работы на процессоре при достижении своей очереди. В-третьих, значение приоритета влияет на место процесса в общей очереди процессов.
Рисунок 1.41. Схема планирования с кольцевой очередью и приоритетами
