Параллельное и распределенное программирование на С++

Хьюз Камерон

Рис. 3.1. Адресное пространство процесса делится на три логических раздела: текстовый, информационный и стековый. Так выглядит логическая структура процесса

Адресное пространство процесса виртуально. Применение виртуальной памяти позволяет отделить адреса, используемые в текущем процессе, от адресов, реально доступных во внутренней памяти. Тем самым значительно увеличивается задействованное пространство адресов памяти по сравнению с реально доступными адресами. Разделы виртуального адресного пространства процесса представляют собой смежные блоки памяти. Каждый такой раздел и физическое адресное пространство разделены на участки памяти,

именуемые страницами. У каждой страницы есть уникальный номер страничного блока (page frame number). В качестве индекса для входа в таблицы страничных блоков (page frame table) используется номер виртуального страничного блока. Каждый элемент таблицы страничных блоков содержит номер физического страничного блока, что позволяет установить соответствие между виртуальными и физическими страничными блоками. Это соответствие отображено на рис. 3.2. Как видите, виртуальное адресное пространство непрерывно, но устанавливаемое с его помощью соответствие физическим страницам не является упорядоченным. Другими словами, при последовательных виртуальных адресах соответствующие им физические страницы не будут последовательными.

Несмотря на то что виртуальное адресное пространство каждого процесса защищено, т.е. приняты меры по предотвращению доступа к нему со стороны другого процесса, текстовый раздел ^[6] процесса может совместно использоваться несколькими процессами. На рис. 3.2 также показано, как два процесса могут разделять один и тот же программный код. При этом в элементах таблиц страничных блоков обоих процессов хранится один и тот же номер физического страничного блока. Как показано на рис. 3.2, виртуальный страничный блок с номером 0 процесса А соответствует физическому страничному блоку с номером 5, что также справедливо и для виртуального страничного блока с номером 2 процесса В.

Рис. 3.2. Соответствие последовательных виртуальных страничных блоков страницам физической памяти (НСБ — номер страничного блока; НВСБ— номер виртуального страничного блока)

Чтобы операционная система могла управлять всеми процессами, хранимыми во внутренней памяти, она создает и поддерживает таблицы процессов (process table). В действительности операционная система содержит отдельные таблицы для всех объектов, которыми она управляет. Следует иметь в виду, что операционная система управляет не только процессами, но и всеми ресурсами компьютера, т.е. устройствами ввода-вывода, памятью и файлами. Часть памяти, устройств и файлов управляется от имени пользовательских процессов. Эта информация отмечена в БУП-блоках как ресурсы, выделенные процессу. Таблица процессов должна иметь соответствующую структуру для каждого образа процесса в памяти. Каждая такая структура содержит идентификаторы (id) самого процесса и родительского процесса, идентификаторы реального и эффективного пользователей, идентификатор группы, список подвешенных сигналов, местоположение текстового, информационного и стекового разделов, а также текущее состояние процесса. Если операционной системе нужен доступ к определенному процессу, в таблице процессов разыскивается информация о нем, а затем в памяти размещается его образ (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Операционная система управляет таблицами. Каждая структура в массиве таблиц процессов представляет процесс в системе

Состояния процессов

Во время выполнения процесса его состояние изменяется. Под состоянием процесса подразумевается его текущий режим, или статус. В среде UNIX процесс может пребывать в одном из следующих состояний:

• выполнения;

• работоспособности (готовности);

• «зомби»;

• ожидания (блокирования);

• останова.

Состояние процесса меняется при определенных обстоятельствах, создаваемых существованием процесса или операционной системы. Под сменой состояний, или переходом из одного состояния в другое, понимают обстоятельства,

которые заставляют процесс изменить свое состояние. На рис. 3.4 отображена диаграмма состояний для среды UNIX. Диаграмма состояний содержит узлы и направленные ребра, соединяющие эти узлы. Каждый узел представляет состояние процесса, а направленные ребра между узлами — переходы из одного состояния в другое. Возможные смены состояний (с их кратким описанием) перечислены в табл. 3.1. На рис. 3.4 и в табл. 3.1 показано, что между состояниями разрешены только определенные переходы. Например, между состояниями готовности и выполнения существует переход (ребро диаграммы), а между состояниями ожидания и выполнения — нет. Это означает, что возможны обстоятельства, заставляющие процесс перейти из состояния готовности в состояние выполнения, но нет обстоятельств, которые могут заставить процесс перейти в состояние выполнения из состояния ожидания.

Рис. 3.4. Состояния процессов и переходы между ними в средах UNIX/Linux

Когда процесс только создается, он готов к выполнению своих инструкций, но должен ожидать «своего часа» до тех пор, пока не освободится процессор. Каждому процессу единолично разрешается использовать процессор в течение дискретного временного интервала, именуемого квантом времени (time slice). Процессы, ожидающие использования процессора, «занимают» очередь, т.е. помещаются в очереди готовых процессов. Только из таких очередей планировщик выбирает процесс, который будет использовать процессорное время. Процессы, находящиеся в очередях готовых процессов, пребывают в состоянии работоспособности. Когда процессор становится доступным,

Таблица 3 .1 Переходы процессов из одного состояние в другое

Готовый -> выполняющийся (загрузка) Процесс назначается процессору

Выполняющийся ->готовый (конец кванта времени) Квант времени процесса, который назначен процессору, истек. Процесс возвращается назад в очередь готовых процессов

Выполняющийся -> готовый (досрочная выгрузка) Процесс выгружается до истечения его кванта времени. (Это возможно в случае, если стал готовым процесс с более высоким приоритетом.) Выгруженный процесс помещается назад в очередь готовых процессов

Выполняющийся -> ожидающий (блокировка) Процесс отказывается от процессора до истечения его кванта времени. Процессу, возможно, нужно подождать наступления некоторого события, или он вызывает системную функцию, например, делает запрос на ввод-вывод данных. Процесс помещается в очередь ждущих процессов

Ожидающий -> готовый (разблокировка) Событие, наступления которого ожидал процесс, произошло, или завершилось выполнение системной функции, например, удовлетворен запрос на ввод-вывод данных

Выполняющийся -> остановленный Процесс отказывается от процессора из-за получения им сигнала останова

Остановленный -> готовый Процесс получил сигнал продолжать и возвращается назад в очередь готовых процессов

Выполняющийся -> «Зомби» Процесс прекращен и ожидает, пока родительский процесс не извлечет из таблицы процессов его статус завершения

«Зомби» -> ВЫХОД Родительский процесс извлекает из таблицы процессов статус завершения и процесс-зомби покидает систему

Выполняющийся -> ВЫХОД Процесс завершен, но он покидает систему после того как родительский процесс извлечет из таблицы процессов его статус завершения

Диспетчер (dispatcher) назначает его работоспособному (готовому) процессу, который занимает его в течение своего кванта времени. По истечении этого кванта времени процесс покидает процессор, независимо от того, выполнил он все свои инструкции или нет. Этот процесс снова помещается в очередь готовых процессов (как в «зал ожидания») ожидать следующего сеанса работы процессора. Тем временем из очереди выбирается новый процесс, которому выделяется его квант процессорного времени. Системные процессы не выгружаются, т.е., «заполучив» процессор, они выполняются до полного завершения. Если квант времени еще не исчерпан, но процесс не в состоянии продолжить выполнение, он может добровольно отказаться от процессорного времени.