أنظمة التشغيل: دليل شامل لإدارة العمليات

إدارة العمليات هي جانب أساسي في أي نظام تشغيل حديث. فهي تتضمن إدارة تنفيذ العمليات، وتخصيص الموارد، وضمان تعدد المهام بسلاسة. يقدم هذا الدليل نظرة عامة مفصلة على مفاهيم وتقنيات وتحديات إدارة العمليات. وهو مصمم للطلاب والمطورين ومديري النظم وأي شخص مهتم بفهم كيفية عمل أنظمة التشغيل.

ما هي العملية؟

في جوهرها، العملية هي نسخة من برنامج قيد التنفيذ. إنها أكثر من مجرد كود البرنامج؛ فهي تشمل القيم الحالية لعداد البرنامج، والمسجلات، والمتغيرات. كل عملية لها مساحة ذاكرة خاصة بها، مما يمنعها من التدخل المباشر في العمليات الأخرى.

فكر في البرنامج كأنه وصفة طعام والعملية كأنها فعل طهي الطبق بالفعل. يمكنك تشغيل عدة عمليات لنفس البرنامج في وقت واحد (على سبيل المثال، عدة نسخ من محرر نصوص)، ولكل منها بياناتها وحالتها الخاصة.

المكونات الرئيسية للعملية:

• كود البرنامج (قسم النص): التعليمات التي سيتم تنفيذها.
• قسم البيانات: المتغيرات العامة والذاكرة المخصصة ديناميكيًا.
• المكدس (Stack): يستخدم لاستدعاءات الدوال، والمتغيرات المحلية، وعناوين العودة.
• الكومة (Heap): الذاكرة المخصصة ديناميكيًا أثناء وقت التشغيل.
• كتلة التحكم في العمليات (PCB): بنية بيانات يحتفظ بها نظام التشغيل لكل عملية، وتحتوي على معلومات مثل معرف العملية، والحالة، وعداد البرنامج، وقيم المسجلات.

حالات العملية

تمر العملية بحالات مختلفة خلال دورة حياتها. فهم هذه الحالات أمر بالغ الأهمية لفهم إدارة العمليات.

• جديدة (New): العملية قيد الإنشاء.
• جاهزة (Ready): العملية تنتظر تخصيصها لمعالج.
• قيد التشغيل (Running): التعليمات قيد التنفيذ.
• في الانتظار (Waiting/Blocked): العملية تنتظر وقوع حدث ما (مثل اكتمال عملية إدخال/إخراج أو استقبال إشارة).
• منتهية (Terminated): العملية أنهت تنفيذها.

تمثل هذه الحالات دورة حياة العملية، ونظام التشغيل هو المسؤول عن إدارة الانتقالات بينها. على سبيل المثال، عندما تحتاج عملية ما إلى قراءة بيانات من قرص، فإنها تنتقل من حالة التشغيل إلى حالة الانتظار حتى تكتمل عملية الإدخال/الإخراج. بعد ذلك، تنتقل مرة أخرى إلى حالة الجاهزية، في انتظار دورها للتشغيل مرة أخرى.

كتلة التحكم في العمليات (PCB)

كتلة التحكم في العمليات (PCB) هي بنية بيانات تحتوي على جميع المعلومات التي يحتاجها نظام التشغيل لإدارة العملية. إنها تشبه السيرة الذاتية للعملية، حيث تحتفظ بكل ما يحتاج نظام التشغيل معرفته لتتبعها.

المحتويات النموذجية لكتلة التحكم في العمليات (PCB):

• معرف العملية (PID): معرف فريد للعملية.
• حالة العملية: الحالة الحالية للعملية (مثل، جاهزة، قيد التشغيل، في الانتظار).
• عداد البرنامج (PC): عنوان التعليمة التالية التي سيتم تنفيذها.
• مسجلات وحدة المعالجة المركزية: محتويات مسجلات وحدة المعالجة المركزية (المراكم، مسجلات الفهرس، مؤشرات المكدس، المسجلات ذات الأغراض العامة، وأي معلومات عن رموز الحالة).
• معلومات إدارة الذاكرة: معلومات حول الذاكرة المخصصة للعملية، مثل مسجلات القاعدة والحد، أو جداول الصفحات، أو جداول المقاطع.
• معلومات المحاسبة: مقدار وقت وحدة المعالجة المركزية المستخدم، والحدود الزمنية، وأرقام الحسابات، وكمية الذاكرة المستخدمة، إلخ.
• معلومات حالة الإدخال/الإخراج: أجهزة الإدخال/الإخراج المخصصة للعملية، وقائمة الملفات المفتوحة، إلخ.

جدولة العمليات

جدولة العمليات هي نشاط تحديد العملية التي يجب تخصيص وحدة المعالجة المركزية لها من طابور الجاهزية. الهدف من الجدولة هو تحسين أداء النظام وفقًا لمعايير معينة، مثل زيادة استخدام وحدة المعالجة المركزية إلى أقصى حد، وتقليل وقت الاستجابة، أو ضمان العدالة بين العمليات.

طوابير الجدولة

يستخدم نظام التشغيل طوابير لإدارة العمليات. تشمل الطوابير الشائعة ما يلي:

• طابور المهام (Job queue): يحتوي على جميع العمليات في النظام.
• طابور الجاهزية (Ready queue): يحتوي على جميع العمليات الجاهزة للتنفيذ وتنتظر وحدة المعالجة المركزية.
• طوابير الأجهزة (Device queues): مجموعة من الطوابير، واحد لكل جهاز إدخال/إخراج، تحتوي على العمليات التي تنتظر هذا الجهاز.

المجدوِلات

المجدوِلات هي وحدات برمجية نظامية تختار العملية التالية للتشغيل. هناك نوعان رئيسيان من المجدوِلات:

• المجدوِل طويل الأمد (مجدوِل المهام): يختار العمليات من طابور المهام ويحملها في الذاكرة للتنفيذ. يتحكم في درجة البرمجة المتعددة (عدد العمليات في الذاكرة). يعمل بشكل أقل تكرارًا من المجدوِل قصير الأمد.
• المجدوِل قصير الأمد (مجدوِل وحدة المعالجة المركزية): يختار عملية من طابور الجاهزية ويخصص لها وحدة المعالجة المركزية. يعمل بشكل متكرر جدًا، لذا يجب أن يكون سريعًا.

في بعض الأنظمة، يوجد أيضًا مجدوِل متوسط الأمد، يقوم بتبديل العمليات خارج الذاكرة (إلى القرص) وإعادتها لتقليل درجة البرمجة المتعددة. وهذا ما يسمى أيضًا بالتبديل (swapping).

خوارزميات الجدولة

توجد العديد من خوارزميات الجدولة، لكل منها نقاط قوتها وضعفها. يعتمد اختيار الخوارزمية على الأهداف المحددة للنظام. فيما يلي بعض الخوارزميات الشائعة:

• من يأتي أولاً، يخدم أولاً (FCFS): يتم تنفيذ العمليات بالترتيب الذي تصل به. سهلة التنفيذ ولكن يمكن أن تؤدي إلى أوقات انتظار طويلة للعمليات القصيرة إذا وصلت عملية طويلة أولاً (تأثير القافلة).
• أقصر مهمة أولاً (SJF): يتم تنفيذ العمليات ذات أقصر وقت تنفيذ أولاً. مثالية من حيث تقليل متوسط وقت الانتظار، ولكنها تتطلب معرفة وقت التنفيذ مسبقًا، وهو ما لا يكون ممكنًا في كثير من الأحيان.
• جدولة الأولوية: يتم تعيين أولوية لكل عملية، ويتم تنفيذ العملية ذات الأولوية القصوى أولاً. يمكن أن تؤدي إلى التجويع إذا تم مقاطعة العمليات ذات الأولوية المنخفضة باستمرار من قبل العمليات ذات الأولوية الأعلى.
• الجولة الدائرية (RR): يتم إعطاء كل عملية شريحة زمنية ثابتة (كمية) للتنفيذ. إذا لم تكتمل العملية خلال الشريحة الزمنية، يتم نقلها إلى نهاية طابور الجاهزية. عادلة وتمنع التجويع، ولكن الحمل الزائد لتبديل السياق يمكن أن يقلل من الكفاءة إذا كانت الشريحة الزمنية صغيرة جدًا.
• جدولة الطوابير متعددة المستويات: يتم تقسيم طابور الجاهزية إلى طوابير متعددة، لكل منها خوارزمية جدولة خاصة بها. يتم تعيين العمليات إلى الطوابير بناءً على خصائصها (مثل، تفاعلية مقابل دفعة).
• جدولة الطوابير متعددة المستويات ذات التغذية الراجعة: يمكن للعمليات التنقل بين الطوابير المختلفة. وهذا يسمح للمجدوِل بتعديل أولوية العمليات ديناميكيًا بناءً على سلوكها.

مثال: لنفترض وجود ثلاث عمليات، P1 و P2 و P3، بأزمنة تشغيل (burst times) تبلغ 24 و 3 و 3 مللي ثانية، على التوالي. إذا وصلت بالترتيب P1، P2، P3، فإن جدولة FCFS ستؤدي إلى تشغيل P1 أولاً، ثم P2، ثم P3. سيكون متوسط وقت الانتظار (0 + 24 + 27) / 3 = 17 مللي ثانية. ومع ذلك، إذا استخدمنا SJF، فسيتم تنفيذ العمليات بالترتيب P2، P3، P1، وسيكون متوسط وقت الانتظار (0 + 3 + 6) / 3 = 3 مللي ثانية - وهو تحسن كبير!

الاتصال بين العمليات (IPC)

الاتصال بين العمليات (IPC) يسمح للعمليات بالتواصل والمزامنة مع بعضها البعض. هذا ضروري لبناء تطبيقات معقدة تتكون من عمليات متعددة تعمل معًا.

آليات الاتصال الشائعة بين العمليات:

• الذاكرة المشتركة: تشترك العمليات في منطقة من الذاكرة، مما يسمح لها بالوصول إلى البيانات وتعديلها مباشرة. تتطلب مزامنة دقيقة لتجنب حالات التسابق.
• تمرير الرسائل: تتواصل العمليات عن طريق إرسال رسائل لبعضها البعض. توفر عزلًا أفضل من الذاكرة المشتركة ولكنها قد تكون أبطأ.
• الأنابيب (Pipes): قناة اتصال أحادية الاتجاه بين عمليتين. تستخدم عادةً للتواصل بين العمليات ذات الصلة (مثل، الأب والابن).
• الأنابيب المسماة (FIFOs): تشبه الأنابيب ولكن يمكن استخدامها للتواصل بين العمليات غير ذات الصلة.
• طوابير الرسائل: يمكن للعمليات إرسال واستقبال الرسائل من/إلى طابور. توفر اتصالًا غير متزامن.
• المقابس (Sockets): آلية متعددة الاستخدامات للتواصل بين العمليات على نفس الجهاز أو عبر الشبكة. تستخدم لتطبيقات العميل والخادم والأنظمة الموزعة.
• الإشارات: مقاطعة برمجية يمكن إرسالها إلى عملية لإعلامها بحدث ما (مثل، طلب الإنهاء، حالة خطأ).

مثال: قد يستخدم خادم الويب عمليات متعددة للتعامل مع الطلبات الواردة بشكل متزامن. يمكن لكل عملية التعامل مع طلب واحد، ويمكن للعمليات التواصل باستخدام الذاكرة المشتركة أو تمرير الرسائل لمشاركة البيانات حول حالة الخادم.

التزامن

عندما تصل عمليات متعددة إلى موارد مشتركة، من الضروري ضمان التزامن لمنع تلف البيانات وحالات التسابق. توفر آليات التزامن طرقًا لتنسيق تنفيذ العمليات وحماية البيانات المشتركة.

تقنيات التزامن الشائعة:

• أقفال الميوتكس (Mutex Locks): إشارة ثنائية يمكن استخدامها لحماية قسم حرج من الكود. يمكن لعملية واحدة فقط الاحتفاظ بقفل الميوتكس في كل مرة.
• السمافورات (Semaphores): تعميم لأقفال الميوتكس يمكن استخدامه للتحكم في الوصول إلى عدد محدود من الموارد.
• المراقبات (Monitors): بنية تزامن عالية المستوى تغلف البيانات المشتركة والعمليات التي يمكن إجراؤها عليها. توفر الاستبعاد المتبادل ومتغيرات الشرط للانتظار والإشارة.
• متغيرات الشرط (Condition Variables): تستخدم داخل المراقبات للسماح للعمليات بالانتظار حتى يصبح شرط معين صحيحًا.
• الأقفال الدوارة (Spinlocks): نوع من القفل حيث تقوم العملية بالتحقق بشكل متكرر مما إذا كان القفل متاحًا. يمكن أن تكون فعالة للأقسام الحرجة القصيرة، ولكنها تهدر وقت وحدة المعالجة المركزية إذا تم الاحتفاظ بالقفل لفترة طويلة.

مثال: لنفترض وجود عداد مشترك يتم زيادته بواسطة عمليات متعددة. بدون تزامن، يمكن لعمليات متعددة قراءة قيمة العداد، وزيادتها، وكتابتها مرة أخرى، مما يؤدي إلى نتائج غير صحيحة. يضمن استخدام قفل الميوتكس لحماية عملية الزيادة أن عملية واحدة فقط يمكنها الوصول إلى العداد في كل مرة، مما يمنع حالات التسابق.

الجمود (Deadlock)

يحدث الجمود عندما يتم حظر عمليتين أو أكثر إلى أجل غير مسمى، كل منها ينتظر موردًا تحتفظ به عملية أخرى. إنها مشكلة خطيرة يمكن أن توقف النظام.

شروط حدوث الجمود:

يجب استيفاء أربعة شروط في وقت واحد لحدوث الجمود (شروط كوفمان):

• الاستبعاد المتبادل: يجب أن يتم الاحتفاظ بمورد واحد على الأقل في وضع غير قابل للمشاركة؛ أي، يمكن لعملية واحدة فقط في كل مرة استخدام المورد.
• الاحتفاظ والانتظار: يجب أن تحتفظ العملية بمورد واحد على الأقل وتنتظر الحصول على موارد إضافية تحتفظ بها حاليًا عمليات أخرى.
• عدم وجود استباق: لا يمكن أخذ الموارد قسرًا من عملية ما؛ يمكن تحرير المورد طواعية فقط من قبل العملية التي تحتفظ به.
• الانتظار الدائري: يجب أن توجد مجموعة {P0, P1, ..., Pn} من العمليات المنتظرة بحيث تنتظر P0 موردًا تحتفظ به P1، وتنتظر P1 موردًا تحتفظ به P2، ...، وتنتظر Pn-1 موردًا تحتفظ به Pn، وتنتظر Pn موردًا تحتفظ به P0.

تقنيات معالجة الجمود:

هناك عدة طرق للتعامل مع الجمود:

• منع الجمود: ضمان عدم تحقق أحد شروط كوفمان على الأقل. على سبيل المثال، مطالبة العمليات بطلب جميع الموارد دفعة واحدة أو السماح باستباق الموارد.
• تجنب الجمود: استخدام معلومات حول تخصيص الموارد لتجنب الدخول في حالة الجمود. خوارزمية المصرفي هي مثال شائع.
• اكتشاف الجمود والتعافي منه: السماح بحدوث الجمود، ثم اكتشافه والتعافي منه. يمكن أن يشمل التعافي إنهاء العمليات أو استباق الموارد.
• تجاهل الجمود: تجاهل المشكلة والأمل في عدم حدوثها. هذا هو النهج الذي تتبعه معظم أنظمة التشغيل، بما في ذلك Windows و Linux، لأن منع الجمود وتجنبه يمكن أن يكون مكلفًا.

مثال: لنفترض وجود عمليتين، P1 و P2، وموردين، R1 و R2. تحتفظ P1 بـ R1 وتنتظر R2، بينما تحتفظ P2 بـ R2 وتنتظر R1. هذا يخلق انتظارًا دائريًا، مما يؤدي إلى الجمود. إحدى طرق منع هذا الجمود هي مطالبة العمليات بطلب جميع الموارد دفعة واحدة قبل بدء التنفيذ.

أمثلة من الواقع

تُستخدم مفاهيم إدارة العمليات في أنظمة تشغيل مختلفة حول العالم:

• Linux: يستخدم خوارزمية جدولة متطورة تسمى المجدوِل العادل تمامًا (CFS)، والتي تهدف إلى توفير تخصيص عادل لوحدة المعالجة المركزية لجميع العمليات.
• Windows: يستخدم خوارزمية جدولة قائمة على الأولوية مع مستويات أولوية متعددة.
• macOS: يستخدم نهجًا هجينًا يجمع بين الجدولة القائمة على الأولوية وتقسيم الوقت.
• Android: مبني على نواة لينكس، ويستخدم تقنيات إدارة عمليات مماثلة، محسّنة للأجهزة المحمولة.
• أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS): تستخدم في الأنظمة المدمجة والتطبيقات الحرجة، وغالبًا ما تستخدم خوارزميات جدولة متخصصة تضمن تنفيذ المهام في الوقت المناسب. تشمل الأمثلة VxWorks و FreeRTOS.

الخاتمة

إدارة العمليات هي جانب حاسم في أنظمة التشغيل يمكّن تعدد المهام ومشاركة الموارد والاستخدام الفعال للنظام. يعد فهم المفاهيم التي تمت مناقشتها في هذا الدليل أمرًا ضروريًا لأي شخص يعمل مع أنظمة التشغيل أو يطور التطبيقات أو يدير الأنظمة. من خلال إتقان حالات العمليات وخوارزميات الجدولة والاتصال بين العمليات ومعالجة الجمود، يمكنك بناء أنظمة برمجية أكثر قوة وكفاءة وموثوقية. تذكر أن تأخذ في الاعتبار المقايضات بين الأساليب المختلفة واختيار التقنيات التي تناسب احتياجاتك الخاصة على أفضل وجه.

لمزيد من التعلم

لتعميق فهمك لإدارة العمليات، فكر في استكشاف الموارد التالية:

• Operating System Concepts by Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, and Greg Gagne
• Modern Operating Systems by Andrew S. Tanenbaum
• الدورات والبرامج التعليمية عبر الإنترنت حول أنظمة التشغيل من منصات مثل Coursera و edX و Udacity.
• وثائق نظام التشغيل الذي تختاره (على سبيل المثال، صفحات دليل Linux، وثائق واجهة برمجة تطبيقات Windows).