Операционни системи: Цялостно ръководство за управление на процесите

Управлението на процесите е основен аспект на всяка модерна операционна система. То включва управление на изпълнението на процесите, разпределяне на ресурси и осигуряване на гладко многозадачност. Това ръководство предоставя подробен преглед на концепциите, техниките и предизвикателствата на управлението на процесите. Предназначено е за студенти, разработчици, системни администратори и всеки, който се интересува от разбирането на функционирането на операционните системи.

Какво е процес?

По същество, един процес е екземпляр на програма в изпълнение. Той е повече от просто кода на програмата; включва текущите стойности на програмния брояч, регистрите и променливите. Всеки процес има собствено пространство за памет, което му пречи да се намесва директно в други процеси.

Представете си програма като рецепта, а процес като действието на готвене на ястието. Можете да имате множество процеси, изпълняващи една и съща програма едновременно (например, множество екземпляри на текстов редактор), всеки със свои собствени данни и състояние.

Основни компоненти на процес:

Програмен код (Текстова секция): Инструкциите, които трябва да бъдат изпълнени.
Секция с данни: Глобални променливи и динамично разпределена памет.
Стек: Използва се за извиквания на функции, локални променливи и връщане на адреси.
Купчина: Динамично разпределена памет по време на изпълнение.
Контролен блок на процес (PCB): Структура от данни, поддържана от ОС за всеки процес, съдържаща информация като ID на процеса, състояние, програмен брояч и стойности на регистрите.

Състояния на процеса

Един процес преминава през различни състояния през своя жизнен цикъл. Разбирането на тези състояния е от решаващо значение за разбирането на управлението на процесите.

Нов: Процесът се създава.
Готов: Процесът чака да бъде назначен на процесор.
Изпълняващ се: Инструкциите се изпълняват.
Чакащ (Блокиран): Процесът чака да настъпи някакво събитие (например, завършване на I/O или получаване на сигнал).
Прекратен: Процесът е завършил изпълнението си.

Тези състояния представляват жизнения цикъл на процеса и операционната система е отговорна за управлението на преходите между тях. Например, когато един процес трябва да прочете данни от диск, той преминава от състояние Изпълняващ се в състояние Чакащ, докато I/O операцията не завърши. След това преминава обратно в състояние Готов, чакайки своя ред да се изпълни отново.

Контролен блок на процеса (PCB)

PCB е структура от данни, която съдържа цялата информация, от която операционната система се нуждае, за да управлява един процес. Той е като автобиографията на процеса, която съдържа всичко, което ОС трябва да знае, за да го следи.

Типично съдържание на PCB:

ID на процеса (PID): Уникален идентификатор за процеса.
Състояние на процеса: Текущото състояние на процеса (например, Готов, Изпълняващ се, Чакащ).
Програмен брояч (PC): Адресът на следващата инструкция, която ще бъде изпълнена.
CPU регистри: Съдържанието на CPU регистрите (акумулатори, индексни регистри, указатели на стека, регистри за общо предназначение и всякаква информация за кодовете за състояние).
Информация за управление на паметта: Информация за паметта, разпределена за процеса, като основни и лимитни регистри, таблици на страници или таблици на сегменти.
Счетоводна информация: Количеството използвано CPU време, времеви ограничения, номера на сметки, количество използвана памет и т.н.
Информация за I/O състояние: I/O устройства, разпределени за процеса, списък на отворени файлове и т.н.

Планиране на процеси

Планирането на процеси е дейността по определяне кой процес от готовата опашка трябва да получи CPU. Целта на планирането е да се оптимизира производителността на системата според определени критерии, като максимизиране на използването на CPU, минимизиране на времето за оборот или осигуряване на справедливост между процесите.

Опашки за планиране

ОС използва опашки за управление на процеси. Общите опашки включват:

Опашка за работа: Съдържа всички процеси в системата.
Готова опашка: Съдържа всички процеси, които са готови за изпълнение и чакат за CPU.
Опашки за устройства: Набор от опашки, по една за всяко I/O устройство, съдържащи процеси, чакащи това устройство.

Планировчици

Планировчиците са софтуерни модули на системата, които избират следващия процес, който да се изпълни. Има два основни типа планировчици:

Дългосрочен планировчик (Планировчик на работа): Избира процеси от опашката за работа и ги зарежда в паметта за изпълнение. Контролира степента на многопрограмиране (броя на процесите в паметта). Работи по-рядко от краткосрочния планировчик.
Краткосрочен планировчик (CPU планировчик): Избира процес от готовата опашка и му разпределя CPU. Работи много често, така че трябва да бъде бърз.

В някои системи има и средносрочен планировчик, който заменя процеси извън паметта (на диск) и обратно, за да намали степента на многопрограмиране. Това се нарича още суапинг.

Алгоритми за планиране

Съществуват многобройни алгоритми за планиране, всеки със своите силни и слаби страни. Изборът на алгоритъм зависи от конкретните цели на системата. Ето някои общи алгоритми:

First-Come, First-Served (FCFS): Процесите се изпълняват в реда, в който пристигат. Лесен за прилагане, но може да доведе до дълго време на изчакване за кратки процеси, ако първо пристигне дълъг процес (ефект на конвоя).
Shortest Job First (SJF): Процесите с най-кратко време за изпълнение се изпълняват първи. Оптимален по отношение на минимизиране на средното време на изчакване, но изисква предварително знание за времето за изпълнение, което често не е възможно.
Priority Scheduling: На всеки процес се присвоява приоритет и процесът с най-висок приоритет се изпълнява първи. Може да доведе до гладуване, ако нископриоритетни процеси непрекъснато се прекъсват от процеси с по-висок приоритет.
Round Robin (RR): Всеки процес получава фиксиран времеви интервал (квант) за изпълнение. Ако процесът не завърши в рамките на времевия интервал, той се премества в края на готовата опашка. Справедлив и предотвратява гладуване, но режията на смяна на контекста може да намали ефективността, ако времевият интервал е твърде малък.
Multilevel Queue Scheduling: Готовата опашка е разделена на множество опашки, всяка със свой собствен алгоритъм за планиране. Процесите се присвояват на опашки въз основа на техните свойства (например, интерактивни спрямо пакетни).
Multilevel Feedback Queue Scheduling: Процесите могат да се движат между различни опашки. Това позволява на планировчика да динамично регулира приоритета на процесите въз основа на тяхното поведение.

Пример: Разгледайте три процеса, P1, P2 и P3, със burst times (времена на изпълнение) от съответно 24, 3 и 3 милисекунди. Ако те пристигнат в реда P1, P2, P3, планирането на FCFS ще доведе до P1 да се изпълнява първи, след това P2, след това P3. Средното време на изчакване ще бъде (0 + 24 + 27) / 3 = 17 милисекунди. Въпреки това, ако използвахме SJF, процесите ще бъдат изпълнени в реда P2, P3, P1, а средното време на изчакване ще бъде (0 + 3 + 6) / 3 = 3 милисекунди – значително подобрение!

Междупроцесорна комуникация (IPC)

Междупроцесорната комуникация (IPC) позволява на процесите да комуникират и да се синхронизират помежду си. Това е от съществено значение за изграждането на сложни приложения, които се състоят от множество процеси, работещи заедно.

Общи IPC механизми:

Споделена памет: Процесите споделят област от паметта, което им позволява директно да осъществяват достъп и да променят данни. Изисква внимателна синхронизация, за да се избегнат условия на надпревара.
Обмен на съобщения: Процесите комуникират, като си изпращат съобщения. Осигурява по-добра изолация от споделената памет, но може да бъде по-бавно.
Тръби: Еднопосочен комуникационен канал между два процеса. Обикновено се използва за комуникация между свързани процеси (например родител и дете).
Именувани тръби (FIFOs): Подобни на тръбите, но могат да се използват за комуникация между несвързани процеси.
Опашки за съобщения: Процесите могат да изпращат и получават съобщения от/към опашка. Осигурява асинхронна комуникация.
Сокети: Универсален механизъм за комуникация между процеси на една и съща машина или в мрежа. Използва се за клиент-сървърни приложения и разпределени системи.
Сигнали: Софтуерен прекъсване, което може да бъде изпратено на процес, за да го уведоми за дадено събитие (например, заявка за прекратяване, грешка).

Пример: Уеб сървърът може да използва множество процеси за едновременно обработване на входящи заявки. Всеки процес може да обработва една заявка, а процесите могат да комуникират, използвайки споделена памет или обмен на съобщения, за да споделят данни за състоянието на сървъра.

Синхронизация

Когато множество процеси имат достъп до споделени ресурси, от решаващо значение е да се осигури синхронизация, за да се предотврати повреда на данните и условия на надпревара. Механизмите за синхронизация осигуряват начини за координиране на изпълнението на процесите и защита на споделените данни.

Общи техники за синхронизация:

Mutex брави: Бинарен семафор, който може да се използва за защита на критична секция от код. Само един процес може да държи mutex бравата в даден момент.
Семафори: Обобщение на mutex бравите, които могат да се използват за контрол на достъпа до ограничен брой ресурси.
Монитори: Конструкция за синхронизация на високо ниво, която капсулира споделените данни и операциите, които могат да бъдат извършени върху тях. Осигурява взаимно изключване и променливи за условия за чакане и сигнализиране.
Променливи за условия: Използват се в мониторите, за да позволят на процесите да чакат да стане истина определено условие.
Spinlocks: Тип заключване, при което процесът многократно проверява дали заключването е налично. Може да бъде ефективен за кратки критични секции, но губи CPU време, ако заключването се задържи за дълго време.

Пример: Разгледайте споделен брояч, който се увеличава от множество процеси. Без синхронизация множество процеси могат да прочетат стойността на брояча, да я увеличат и да я запишат обратно, което води до неверни резултати. Използването на mutex брава за защита на операцията за увеличаване гарантира, че само един процес може да получи достъп до брояча в даден момент, предотвратявайки условията на надпревара.

Задънена улица

Задънена улица възниква, когато два или повече процеса са блокирани за неопределено време, всеки от които чака ресурс, държан от друг. Това е сериозен проблем, който може да спре системата.

Условия за задънена улица:

Трябва едновременно да бъдат изпълнени четири условия за възникване на задънена улица (условия на Coffman):

Взаимно изключване: Поне един ресурс трябва да се държи в режим, който не може да се споделя; тоест само един процес в даден момент може да използва ресурса.
Държи и чака: Процесът трябва да държи поне един ресурс и да чака да придобие допълнителни ресурси, които в момента се държат от други процеси.
Без предимство: Ресурсите не могат да бъдат отнемани насила от процес; ресурс може да бъде освободен само доброволно от процеса, който го държи.
Циклична чакалня: Трябва да съществува набор {P0, P1, ..., Pn} от чакащи процеси, така че P0 да чака ресурс, държан от P1, P1 да чака ресурс, държан от P2, ..., Pn-1 да чака ресурс, държан от Pn, а Pn да чака ресурс, държан от P0.

Техники за обработка на задънени улици:

Има няколко подхода за обработка на задънени улици:

Предотвратяване на задънена улица: Уверете се, че поне едно от условията на Coffman не може да се задържи. Например, изискване от процесите да поискат всички ресурси наведнъж или позволяване на предимство на ресурсите.
Избягване на задънена улица: Използвайте информация за разпределение на ресурси, за да избегнете влизането в състояние на задънена улица. Алгоритъмът на банкера е често срещан пример.
Откриване и възстановяване на задънена улица: Позволете да възникнат задънени улици, след това ги открийте и възстановете. Възстановяването може да включва прекратяване на процеси или предимство на ресурсите.
Незнание на задънената улица: Игнорирайте проблема и се надявайте, че няма да се случи. Това е подходът, възприет от повечето операционни системи, включително Windows и Linux, тъй като предотвратяването и избягването на задънени улици могат да бъдат скъпи.

Пример: Разгледайте два процеса, P1 и P2, и два ресурса, R1 и R2. P1 държи R1 и чака R2, докато P2 държи R2 и чака R1. Това създава циклична чакалня, което води до задънена улица. Един начин да се предотврати тази задънена улица е да се изиска от процесите да поискат всички ресурси наведнъж, преди да започнат изпълнението.

Примери от реалния свят

Концепциите за управление на процеси се използват в различни операционни системи по целия свят:

Linux: Използва сложен алгоритъм за планиране, наречен Completely Fair Scheduler (CFS), който има за цел да осигури справедливо разпределение на CPU на всички процеси.
Windows: Използва алгоритъм за планиране, базиран на приоритети, с множество нива на приоритет.
macOS: Използва хибриден подход, който комбинира планиране, базирано на приоритети, с разделяне на времето.
Android: Изграден на ядрото на Linux, той използва подобни техники за управление на процеси, оптимизирани за мобилни устройства.
Операционни системи в реално време (RTOS): Използвани във вградени системи и критични приложения, често използват специализирани алгоритми за планиране, които гарантират навременно изпълнение на задачите. Примерите включват VxWorks и FreeRTOS.

Заключение

Управлението на процесите е критичен аспект на операционните системи, който позволява многозадачност, споделяне на ресурси и ефективно използване на системата. Разбирането на концепциите, обсъдени в това ръководство, е от съществено значение за всеки, който работи с операционни системи, разработва приложения или управлява системи. Овладявайки състоянията на процесите, алгоритмите за планиране, междупроцесорната комуникация и обработката на задънени улици, можете да изградите по-здрави, по-ефективни и по-надеждни софтуерни системи. Не забравяйте да обмислите компромисите между различните подходи и да изберете техниките, които най-добре отговарят на вашите конкретни нужди.

Допълнително обучение

За да задълбочите разбирането си за управлението на процесите, помислете да разгледате следните ресурси:

Operating System Concepts от Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin и Greg Gagne
Modern Operating Systems от Andrew S. Tanenbaum
Онлайн курсове и уроци за операционни системи от платформи като Coursera, edX и Udacity.
Документацията за вашата операционна система по избор (напр., Linux man pages, документация на Windows API).