Operatsioonisüsteemid: Protsessihalduse põhjalik juhend

Protsessihaldus on iga kaasaegse operatsioonisüsteemi fundamentaalne aspekt. See hõlmab protsesside täitmise haldamist, ressursside eraldamist ja sujuva multitegumtöötluse tagamist. See juhend annab üksikasjaliku ülevaate protsessihalduse kontseptsioonidest, tehnikatest ja väljakutsetest. See on mõeldud tudengitele, arendajatele, süsteemiadministraatoritele ja kõigile, kes on huvitatud operatsioonisüsteemide toimimisest.

Mis on protsess?

Oma olemuselt on protsess täitmisel oleva programmi eksemplar. See on enamat kui lihtsalt programmi kood; see hõlmab programmiloenduri, registrite ja muutujate hetkeväärtusi. Igal protsessil on oma mäluruum, mis takistab sellel otseselt teiste protsessidega sekkumast.

Mõelge programmist kui retseptist ja protsessist kui roa tegelikust valmistamisest. Teil võib olla mitu protsessi, mis käitavad sama programmi samaaegselt (nt mitu tekstiredaktori eksemplari), igaühel oma andmed ja olek.

Protsessi põhikomponendid:

Programmi kood (tekstiosa): Täitmiseks vajalikud juhised.
Andmete sektsioon: Globaalsed muutujad ja dünaamiliselt eraldatud mälu.
Pinu (Stack): Kasutatakse funktsioonide väljakutseteks, lokaalseteks muutujateks ja tagastusaadressideks.
Kuhjamälu (Heap): Dünaamiliselt eraldatud mälu käitusajal.
Protsessi juhtplokk (PCB): Operatsioonisüsteemi poolt iga protsessi jaoks hallatav andmestruktuur, mis sisaldab teavet nagu protsessi ID, olek, programmiloendur ja registrite väärtused.

Protsessi olekud

Protsess läbib oma eluea jooksul erinevaid olekuid. Nende olekute mõistmine on protsessihalduse mõistmiseks ülioluline.

Uus (New): Protsessi luuakse.
Valmis (Ready): Protsess ootab protsessorile määramist.
Töötav (Running): Juhiseid täidetakse.
Ootel (Blocked/Waiting): Protsess ootab mingi sündmuse toimumist (nt I/O operatsiooni lõppemist või signaali saamist).
Lõpetatud (Terminated): Protsess on oma töö lõpetanud.

Need olekud esindavad protsessi elutsüklit ja operatsioonisüsteem vastutab nende vaheliste üleminekute haldamise eest. Näiteks kui protsess peab lugema andmeid kettalt, läheb see üle Töötav olekust Ootel olekusse, kuni I/O operatsioon lõpeb. Seejärel läheb see tagasi Valmis olekusse, oodates oma korda uuesti käivitamiseks.

Protsessi juhtplokk (PCB)

PCB on andmestruktuur, mis sisaldab kogu teavet, mida operatsioonisüsteem vajab protsessi haldamiseks. See on justkui protsessi CV, mis hoiab endas kõike, mida OS peab selle jälgimiseks teadma.

PCB tüüpiline sisu:

Protsessi ID (PID): Protsessi unikaalne identifikaator.
Protsessi olek: Protsessi hetkeolek (nt Valmis, Töötav, Ootel).
Programmi loendur (PC): Järgmise täidetava käsu aadress.
Protsessori registrid: Protsessori registrite sisu (akumulaatorid, indeksregistrid, pinuviidad, üldotstarbelised registrid ja igasugune tingimuskoodi teave).
Mäluhalduse teave: Teave protsessile eraldatud mälu kohta, näiteks baas- ja piiriregistrid, leheküljetabelid või segmenditabelid.
Arvestusteave: Kasutatud protsessori aeg, ajalimiidid, kontonumbrid, kasutatud mälu maht jne.
I/O oleku teave: Protsessile eraldatud I/O seadmed, avatud failide loend jne.

Protsesside planeerimine

Protsesside planeerimine on tegevus, mille käigus otsustatakse, millisele valmisoleku järjekorras olevale protsessile tuleks protsessor eraldada. Planeerimise eesmärk on optimeerida süsteemi jõudlust vastavalt teatud kriteeriumidele, näiteks maksimeerida protsessori kasutust, minimeerida pöördeaega või tagada protsessidevaheline õiglus.

Planeerimisjärjekorrad

OS kasutab protsesside haldamiseks järjekordi. Levinumad järjekorrad on:

Tööde järjekord (Job queue): Sisaldab kõiki süsteemis olevaid protsesse.
Valmisoleku järjekord (Ready queue): Sisaldab kõiki protsesse, mis on valmis täitmiseks ja ootavad protsessorit.
Seadmete järjekorrad (Device queues): Järjekordade komplekt, üks iga I/O seadme kohta, mis sisaldab protsesse, mis ootavad seda seadet.

Planeerijad

Planeerijad on süsteemi tarkvaramoodulid, mis valivad järgmise käivitatava protsessi. On olemas kahte peamist tüüpi planeerijaid:

Pikaajaline planeerija (tööde planeerija): Valib protsessid tööde järjekorrast ja laadib need mällu täitmiseks. See kontrollib multiprogrammeerimise astet (protsesside arvu mälus). See käivitub harvemini kui lühiajaline planeerija.
Lühiajaline planeerija (protsessori planeerija): Valib protsessi valmisoleku järjekorrast ja eraldab sellele protsessori. See käivitub väga sageli, seega peab see olema kiire.

Mõnes süsteemis on ka keskmise pikkusega planeerija, mis saalib protsesse mälust välja (kettale) ja tagasi sisse, et vähendada multiprogrammeerimise astet. Seda nimetatakse ka saalimiseks (swapping).

Planeerimisalgoritmid

On olemas arvukalt planeerimisalgoritme, millest igaühel on oma tugevused ja nõrkused. Algoritmi valik sõltub süsteemi konkreetsetest eesmärkidest. Siin on mõned levinumad algoritmid:

Esimene sisse, esimene välja (First-Come, First-Served, FCFS): Protsesse täidetakse nende saabumise järjekorras. Lihtne rakendada, kuid võib põhjustada pikki ooteaegu lühikeste protsesside jaoks, kui pikk protsess saabub esimesena (konvoi efekt).
Lühim töö esimesena (Shortest Job First, SJF): Esmalt täidetakse lühima täitmisajaga protsessid. Optimaalne keskmise ooteaja minimeerimise seisukohalt, kuid nõuab täitmisaja etteteadmist, mis sageli pole võimalik.
Prioriteedipõhine planeerimine: Igale protsessile määratakse prioriteet ja esimesena täidetakse kõrgeima prioriteediga protsess. Võib põhjustada nälgimist, kui madala prioriteediga protsessid pidevalt kõrgema prioriteediga protsesside poolt katkestatakse.
Ring-robin (RR): Igale protsessile antakse fikseeritud ajakvant (quantum) täitmiseks. Kui protsess ei lõpe ajakvandi jooksul, viiakse see valmisoleku järjekorra lõppu. Õiglane ja ennetab nälgimist, kuid kontekstivahetuse üldkulu võib vähendada tõhusust, kui ajakvant on liiga väike.
Mitmetasandiline järjekorra planeerimine: Valmisoleku järjekord jaotatakse mitmeks järjekorraks, millest igaühel on oma planeerimisalgoritm. Protsessid määratakse järjekordadesse nende omaduste põhjal (nt interaktiivne vs. partii).
Mitmetasandiline tagasisidega järjekorra planeerimine: Protsessid saavad liikuda erinevate järjekordade vahel. See võimaldab planeerijal dünaamiliselt kohandada protsesside prioriteeti nende käitumise põhjal.

Näide: Oletame kolm protsessi, P1, P2 ja P3, täitmisaegadega vastavalt 24, 3 ja 3 millisekundit. Kui need saabuvad järjekorras P1, P2, P3, siis FCFS-planeerimise korral käivitatakse esmalt P1, seejärel P2 ja siis P3. Keskmine ooteaeg oleks (0 + 24 + 27) / 3 = 17 millisekundit. Kui aga kasutaksime SJF-i, täidetaks protsessid järjekorras P2, P3, P1 ja keskmine ooteaeg oleks (0 + 3 + 6) / 3 = 3 millisekundit – märkimisväärne paranemine!

Protsessidevaheline suhtlus (IPC)

Protsessidevaheline suhtlus (Inter-Process Communication, IPC) võimaldab protsessidel omavahel suhelda ja sünkroniseerida. See on hädavajalik keerukate rakenduste loomiseks, mis koosnevad mitmest koostööd tegevast protsessist.

Levinumad IPC mehhanismid:

Jagatud mälu: Protsessid jagavad mälupiirkonda, mis võimaldab neil andmeid otse ligi pääseda ja muuta. Nõuab hoolikat sünkroniseerimist, et vältida võidujooksu tingimusi.
Sõnumiedastus: Protsessid suhtlevad, saates üksteisele sõnumeid. Pakub paremat isolatsiooni kui jagatud mälu, kuid võib olla aeglasem.
Torud (Pipes): Ühesuunaline sidekanal kahe protsessi vahel. Tavaliselt kasutatakse seotud protsesside (nt vanem- ja laps-protsessi) vaheliseks suhtluseks.
Nimega torud (FIFOd): Sarnased torudele, kuid neid saab kasutada mitteseotud protsesside vaheliseks suhtluseks.
Sõnumijärjekorrad: Protsessid saavad saata ja vastu võtta sõnumeid järjekorrast. Pakub asünkroonset suhtlust.
Soklid (Sockets): Mitmekülgne mehhanism suhtlemiseks protsesside vahel samas masinas või üle võrgu. Kasutatakse klient-server rakendustes ja hajutatud süsteemides.
Signaalid: Tarkvaraline katkestus, mida saab saata protsessile, et teavitada seda sündmusest (nt lõpetamistaotlus, veaolukord).

Näide: Veebiserver võib kasutada mitut protsessi, et käsitleda saabuvaid päringuid samaaegselt. Iga protsess võiks käsitleda ühte päringut ning protsessid võiksid suhelda jagatud mälu või sõnumiedastuse kaudu, et jagada andmeid serveri oleku kohta.

Sünkroniseerimine

Kui mitu protsessi pääseb ligi jagatud ressurssidele, on andmete rikkumise ja võidujooksu tingimuste vältimiseks ülioluline tagada sünkroniseerimine. Sünkroniseerimismehhanismid pakuvad viise protsesside täitmise koordineerimiseks ja jagatud andmete kaitsmiseks.

Levinumad sünkroniseerimistehnikad:

Muteks-lukud (Mutex Locks): Binaarne semafor, mida saab kasutada koodi kriitilise sektsiooni kaitsmiseks. Ainult üks protsess saab korraga muteks-lukku hoida.
Semaforid: Muteks-lukkude üldistus, mida saab kasutada piiratud arvu ressurssidele juurdepääsu kontrollimiseks.
Monitorid: Kõrgetasemeline sünkroniseerimiskonstruktsioon, mis kapseldab jagatud andmeid ja nendega tehtavaid toiminguid. Pakub vastastikust välistamist ning tingimusmuutujaid ootamiseks ja signaalimiseks.
Tingimusmuutujad: Kasutatakse monitoride sees, et võimaldada protsessidel oodata teatud tingimuse täitumist.
Spinn-lukud (Spinlocks): Luku tüüp, kus protsess kontrollib korduvalt, kas lukk on vaba. Võib olla tõhus lühikeste kriitiliste sektsioonide puhul, kuid raiskab protsessori aega, kui lukku hoitakse pikka aega.

Näide: Kujutage ette jagatud loendurit, mida suurendavad mitu protsessi. Ilma sünkroniseerimiseta võivad mitu protsessi lugeda loenduri väärtust, seda suurendada ja tagasi kirjutada, mis viib valede tulemusteni. Kasutades muteks-lukku suurendamisoperatsiooni kaitsmiseks, tagatakse, et ainult üks protsess pääseb korraga loendurile ligi, vältides võidujooksu tingimusi.

Lukustumine (Deadlock)

Lukustumine tekib siis, kui kaks või enam protsessi on lõputult blokeeritud, igaüks oodates ressurssi, mida hoiab teine. See on tõsine probleem, mis võib süsteemi seisata.

Lukustumise tingimused:

Lukustumise tekkimiseks peab samaaegselt olema täidetud neli tingimust (Coffmani tingimused):

Vastastikune välistamine (Mutual Exclusion): Vähemalt üks ressurss peab olema mittejagavas režiimis; see tähendab, et ainult üks protsess saab korraga ressurssi kasutada.
Hoidmine ja ootamine (Hold and Wait): Protsess peab hoidma vähemalt ühte ressurssi ja ootama täiendavate ressursside saamist, mida hoiavad hetkel teised protsessid.
Eesõiguse puudumine (No Preemption): Ressursse ei saa protsessilt sunniviisiliselt ära võtta; ressursi saab vabastada ainult vabatahtlikult seda hoidev protsess.
Ringootamine (Circular Wait): Peab eksisteerima ootavate protsesside hulk {P0, P1, ..., Pn}, nii et P0 ootab P1 käes olevat ressurssi, P1 ootab P2 käes olevat ressurssi, ..., Pn-1 ootab Pn käes olevat ressurssi ja Pn ootab P0 käes olevat ressurssi.

Lukustumise käsitlemise tehnikad:

Lukustumiste käsitlemiseks on mitu lähenemist:

Lukustumise ennetamine: Tagada, et vähemalt üks Coffmani tingimustest ei saaks täidetud olla. Näiteks nõuda, et protsessid taotleksid kõiki ressursse korraga, või lubada ressursside eesõigusega ülevõtmist.
Lukustumise vältimine: Kasutada teavet ressursside jaotamise kohta, et vältida lukustumise olekusse sattumist. Pankuri algoritm on levinud näide.
Lukustumise tuvastamine ja taastamine: Lubada lukustumistel tekkida, seejärel need tuvastada ja taastuda. Taastamine võib hõlmata protsesside lõpetamist või ressursside eesõigusega ülevõtmist.
Lukustumise ignoreerimine: Ignoreerida probleemi ja loota, et seda ei teki. See on lähenemisviis, mida kasutab enamik operatsioonisüsteeme, sealhulgas Windows ja Linux, sest lukustumise ennetamine ja vältimine võivad olla kulukad.

Näide: Kujutage ette kahte protsessi, P1 ja P2, ning kahte ressurssi, R1 ja R2. P1 hoiab R1 ja ootab R2, samas kui P2 hoiab R2 ja ootab R1. See tekitab ringootamise, mis viib lukustumiseni. Üks viis selle lukustumise ennetamiseks oleks nõuda, et protsessid taotleksid kõik ressursid korraga enne täitmise alustamist.

Reaalse maailma näited

Protsessihalduse kontseptsioone kasutatakse erinevates operatsioonisüsteemides üle maailma:

Linux: Kasutab keerukat planeerimisalgoritmi nimega Täielikult Õiglane Planeerija (Completely Fair Scheduler, CFS), mille eesmärk on pakkuda kõigile protsessidele õiglast protsessori jaotust.
Windows: Rakendab prioriteedipõhist planeerimisalgoritmi mitme prioriteeditasemega.
macOS: Kasutab hübriidlähenemist, mis kombineerib prioriteedipõhist planeerimist ajajaotusega.
Android: Ehitatud Linuxi tuumale, kasutab sarnaseid protsessihaldustehnikaid, mis on optimeeritud mobiilseadmetele.
Reaalaja operatsioonisüsteemid (RTOS): Kasutatakse manussüsteemides ja kriitilistes rakendustes, rakendavad sageli spetsiaalseid planeerimisalgoritme, mis tagavad ülesannete õigeaegse täitmise. Näideteks on VxWorks ja FreeRTOS.

Kokkuvõte

Protsessihaldus on operatsioonisüsteemide kriitiline aspekt, mis võimaldab multitegumtöötlust, ressursside jagamist ja süsteemi tõhusat kasutamist. Selles juhendis käsitletud kontseptsioonide mõistmine on hädavajalik kõigile, kes töötavad operatsioonisüsteemidega, arendavad rakendusi või haldavad süsteeme. Omandades protsessi olekud, planeerimisalgoritmid, protsessidevahelise suhtluse ja lukustumise käsitlemise, saate luua robustsemaid, tõhusamaid ja usaldusväärsemaid tarkvarasüsteeme. Ärge unustage kaaluda erinevate lähenemisviiside kompromisse ja valida tehnikad, mis sobivad kõige paremini teie konkreetsetele vajadustele.

Edasine õppimine

Oma teadmiste süvendamiseks protsessihaldusest kaaluge järgmiste ressursside uurimist:

"Operating System Concepts" autorid Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin ja Greg Gagne
"Modern Operating Systems" autor Andrew S. Tanenbaum
Online-kursused ja õpetused operatsioonisüsteemide kohta platvormidelt nagu Coursera, edX ja Udacity.
Teie valitud operatsioonisüsteemi dokumentatsioon (nt Linuxi man-lehed, Windows API dokumentatsioon).