2.3 Тема Стани процесів

План

1. Стан процесу

2. Двох-станова модель процесу

3. Пяти-станова модель процесу

4. Процес та його життєвий цикл

Мета: Вивчити стани процесів у двух –станових та пяти-станових моделях. життєвий цикл процесу.

2.3.1 Стан процесу

Стан процесу - це інформація, необхідна для продовження виконання процесу якщо він припинився тимчасово.

Стан процесу містить (щонайменше):

- команди програми;

- статичні і динамічні дані програми;

- стек викликів процедур програми;

- вміст регістрів загального призначення;

- вміст лічильника команд – адресу наступної команди, що буде виконуватись;

- вміст вказівника стеку (Stack Pointer (SP));

- вміст слова стану програми (Program Status Word (PSW)) - статус переривання, коди умов, і т. п.;

- ресурси, що використовуються ОС (такі, як пам’ять, відкриті файли, зв’язки з іншими програмами);

- визначальну (Accounting ) інформацію.

2.3.2 Двох -станова модель процесу

ОС повиннa визначати різницю між: процесами, що готові виконуватись і чекають для прокрутки іншого кванту часу та процесами, які чекають, щоб щось сталось (операція ОС, апаратна подія, і т.п.). Тому стан невиконання у двох – становій моделі має роздвоїтись між станом готовності і блокованим станом.

2.3.3 Пяти-станова модель процесу

У п’яти – становій моделі процес може перебувати у стані:

• створення (new) — потік перебуває у процесі створення;

• виконання (running) — інструкції потоку виконує процесор (у конкретний момент часу на одному процесорі тільки один потік може бути в такому стані);

• очікування (waiting) — потік очікує деякої події (наприклад, завершення операції введення-виведення); такий стан називають також заблокованим, а потік — припиненим;

• готовність (ready) — потік очікує, що планувальник перемкне процесор на нього, при цьому він має всі необхідні йому ресурси, крім процесорного часу;

• завершення (terminated) — потік завершив виконання (якщо при цьому його ресурси не були вилучені з системи, він переходить у додатковий стан — стан зомбі).

Перехід потоків між станами очікування і готовності реалізовано на основі планування задач, або планування потоків. Під час планування потоків визначають, який з потоків треба відновити після завершення операції введення-виведення, як організувати очікування подій у системі.

Для здійснення переходу потоків між станами готовності та виконання необхідне планування процесорного часу. На основі алгоритмів такого планування визначають, який з готових потоків потрібно виконувати в конкретний момент, коли потрібно перервати виконання потоку, щоб перемкнутися на інший готовий потік тощо.

Рис. 2.3.1 Діаграма переходів у п’ятистановій моделі процесу

2.3.4 Процес та його життєвий цикл

Екземпляр програми, яка в даний момент виконується на комп'ютері, називають процесом. Поняття процесу має кілька складових.

По перше, це потік виконання команд який реалізує алгоритм програми.

По друге — багаторазові (повторно використовні) ресурси, що виділені процесу. Це процесорний час, оперативна та віртуальна пам'ять, канали вводу-виводу, відкриті файли та резервовані ресурси зовнішніх пристроїв.

По третє — вміст регістрів процесора та значення внутрішніх змінних програми які разом визначають внутрішній стан процесу.

Нарешті, це значення зовнішніх відносно процесу змінних, які ідентифікують процес та виділені йому ресурси і фіксують стан процесу з точки зору ОС. Ці змінні зазвичай є елементами оперативних структур даних ОС.

Життєвий цикл кожного процесу можна відобразити в вигляді діаграми на якій позначені стани процесу та можливі переходи між ними. На рис. 2.3.2 приведена діаграма станів процесів в ОС.

Рис. 2.3.2 Діаграма станів процесів в ОС.

Розглянемо особливості кожного стану. “Новий” процес (I) створюється ОС (можливо за “дорученням” іншого процесу) для виконання певної програми. При цьому ОС створює та розміщує в пам'яті структури даних, що ідентифікують процес, зберігають інформацію про його стан та містять інформацію необхідну для управління процесом. Ці три типи інформаційних структур об'єднуються терміном управляючий блок процесу (process control block – PCB). Крім того ОС повинна розмістити в пам'яті код програми і дані та виділити пам'ять для стеків які використовуються для викликів процедур. Разом PCB, пам'ять (точніше адресний простір — список адрес елементів пам'яті від деякої мінімальної до максимальної, до яких процес має доступ) програми, стеки і, можливо, сумісно використовуваний кількома процесами адресний простір складають контекст образу процесу.

Якщо наявних в даний момент ресурсів в системі достатньо для виконання вищезгаданого то процес переходить в стан “готовий” до виконання (II). Коли ж ресурсів (в першу чергу пам'яті) недостатньо, процес призупиняється доки не з'явиться можливість їх виділення. При цьому ОС використовує механізм свопінгу (жарг. “підкачка”) для переміщення образу процесу на диск, а при вивільненні ресурсів — зворотного переміщення в оперативну пам'ять і, таким чином, переводить процес із стану “готовий / призупинений” (VI) в “готовий” (переходи 8, 9). Всі готові до виконання процеси знаходяться в упорядкованій черзі і час від часу переводяться диспетчером (компонентом ОС що реалізує почергове надання процесам процесорного часу) в стан “виконується” (III). Цей механізм ще називають перемиканням процесів. При цьому процес отримує в своє розпорядження центральний процесор, який виконує програму до завершення виділеного кванту часу, або до запиту процесом обслуговування зі сторони ОС, результати якого не можуть бути отримані в межах поточного кванту часу. Наприклад, операція вводу даних в програмі на мові програмування високого рівня транслюється компілятором в виклик відповідного сервісу ОС (системний виклик) і наперед ніколи невідомо, коли після початку операції вводу дані будуть реально доступні в програмі. Тому диспетчер вивільняє процесор і переводить процес в стан “блокований” (V). В цьому стані процес буде перебувати до приходу асинхронного повідомлення (час приходу якого невідомий) про те, що очікувані дані вже доступні всередині ОС і операція вводу може бути завершена. Це повідомлення обробляється ОС яка і переводить процес в стан готового до виконання.

Якщо в блокованому стані знаходиться досить багато процесів і є процеси в стані “готовий / призупинений”, то ОС може перерозподілити ресурси таким чином, щоб перевести деякі процеси із стану “готовий / призупинений” в стан “готовий” за рахунок вивантаження на диск частини блокованих процесів. Останні при цьому до моменту настання очікуваної події знаходитимуться в стані “блокований / призупинений” (VII).

Оскільки блоковані і блоковані / призупинені процеси очікують настання асинхронних подій — їх черги неупорядковані, тоді як черги готових та готових / призупинених упорядковані. Тип упорядкування для різних черг може бути різним і визначається стратегією планування (загальним планом діяльності, що охоплює тривалий період часу як спосіб досягнення складної мети, в даному випадку — максимальної продуктивності системи) і диспетчеризації процесів, яку реалізує дана ОС.

Результатом завершення виконання програми є перехід процесу із стану виконання в стан “завершується” (IV). Це не обов'язково означає видалення процесу із системи. Часто образ такого процесу містить інформацію необхідну іншим процесам. В цьому випадку частина структур PCB деякий час зберігається і після завершення процесу. В ОС сімейства UNIX такий стан процесу називається зомбі (zombie). І ще кілька загальних зауважень до діаграми на Рис. 2.3.2. На рисунку зображено всі можливі стани процесу і можливі переходи між ними. Одночасно в кожному стані може знаходитись багато процесів, за винятком стану “виконується” в якому може знаходитись не більше процесів ніж мається процесорів в обчислювальній системі. При цьому частину переходів (1, 2, 6 - 13) ініціює ядро ОС незалежно від тексту програми, що виконується. Перехід (3) як правило примусово виконує диспетчер при закінченні виділеного процесу кванту часу. Це так звана витісняюча багатозадачність (preemptive multitasking) що реалізована в більшості сучасних ОС загального призначення. При кооперативній моделі багатозадачності (cooperative ultitasking) процес сам ініціює перехід (3), виконуючи системний виклик звільнення процесора. Перехід (4) відповідає виконанню системного виклику завершення процесу. Він може бути вказаний в програмі явно як виклик процедури або неявно по досягненню кінця програми. Можливий також варіант примусового завершення процесу іншим процесом який має відповідні права.

2.4 Тема Опис процесів і потоків Самостійна робота №6

План

1. Керуючі блоки процесів і потоків.

2. Образи процесу і потоку.

Мета: Вивчити керуючі блоки процесів і потоків. Знати поняття образу процесу і потоку.