Operacijski sustavi: Sveobuhvatan vodič za upravljanje procesima

Upravljanje procesima temeljni je aspekt svakog modernog operacijskog sustava. Uključuje upravljanje izvođenjem procesa, dodjeljivanje resursa i osiguravanje neometanog višezadaćnog rada. Ovaj vodič pruža detaljan pregled koncepata, tehnika i izazova upravljanja procesima. Namijenjen je studentima, programerima, administratorima sustava i svima zainteresiranima za razumijevanje načina funkcioniranja operacijskih sustava.

Što je proces?

U svojoj srži, proces je instanca programa u izvođenju. To je više od samog koda programa; uključuje trenutne vrijednosti programskog brojila, registara i varijabli. Svaki proces ima vlastiti memorijski prostor, što ga sprječava da izravno ometa druge procese.

Zamislite program kao recept, a proces kao čin kuhanja jela. Možete imati više procesa koji istovremeno pokreću isti program (npr. više instanci uređivača teksta), svaki sa svojim podacima i stanjem.

Ključne komponente procesa:

Programski kod (Tekstualni odjeljak): Upute koje se trebaju izvršiti.
Podatkovni odjeljak: Globalne varijable i dinamički alocirana memorija.
Stog (Stack): Koristi se za pozive funkcija, lokalne varijable i povratne adrese.
Gomila (Heap): Dinamički alocirana memorija tijekom izvođenja.
Kontrolni blok procesa (PCB): Struktura podataka koju OS održava za svaki proces, a sadrži informacije kao što su ID procesa, stanje, programsko brojilo i vrijednosti registara.

Stanja procesa

Proces prolazi kroz različita stanja tijekom svog životnog vijeka. Razumijevanje ovih stanja ključno je za razumijevanje upravljanja procesima.

Novi (New): Proces se stvara.
Spreman (Ready): Proces čeka na dodjelu procesoru.
Izvršavanje (Running): Upute se izvršavaju.
Čekanje (Waiting/Blocked): Proces čeka da se dogodi neki događaj (npr. završetak U/I operacije ili primanje signala).
Završen (Terminated): Proces je završio s izvođenjem.

Ova stanja predstavljaju životni ciklus procesa, a operacijski sustav je odgovoran za upravljanje prijelazima između njih. Na primjer, kada proces treba pročitati podatke s diska, prelazi iz stanja Izvršavanje u stanje Čekanje dok se U/I operacija ne završi. Zatim se vraća u stanje Spreman, čekajući svoj red za ponovno izvršavanje.

Kontrolni blok procesa (PCB)

PCB je struktura podataka koja sadrži sve informacije koje operacijski sustav treba za upravljanje procesom. To je poput životopisa procesa, sadrži sve što OS treba znati kako bi ga pratio.

Tipičan sadržaj PCB-a:

ID procesa (PID): Jedinstveni identifikator za proces.
Stanje procesa: Trenutno stanje procesa (npr. Spreman, Izvršavanje, Čekanje).
Programsko brojilo (PC): Adresa sljedeće instrukcije koja se treba izvršiti.
CPU registri: Sadržaj CPU registara (akumulatori, indeksni registri, pokazivači stoga, registri opće namjene i sve informacije o kodovima uvjeta).
Informacije o upravljanju memorijom: Informacije o memoriji dodijeljenoj procesu, kao što su bazni i granični registri, tablice stranica ili tablice segmenata.
Računovodstvene informacije: Količina iskorištenog CPU vremena, vremenska ograničenja, brojevi računa, količina korištene memorije, itd.
Informacije o U/I statusu: U/I uređaji dodijeljeni procesu, popis otvorenih datoteka, itd.

Raspoređivanje procesa

Raspoređivanje procesa je aktivnost određivanja koji proces iz reda spremnih treba dobiti na korištenje CPU. Cilj raspoređivanja je optimizirati performanse sustava prema određenim kriterijima, kao što su maksimiziranje iskorištenosti CPU-a, minimiziranje vremena obrade ili osiguravanje pravednosti među procesima.

Redovi za raspoređivanje

OS koristi redove za upravljanje procesima. Uobičajeni redovi uključuju:

Red poslova: Sadrži sve procese u sustavu.
Red spremnih: Sadrži sve procese koji su spremni za izvršavanje i čekaju na CPU.
Redovi uređaja: Skup redova, po jedan za svaki U/I uređaj, koji sadrže procese koji čekaju na taj uređaj.

Raspoređivači

Raspoređivači su moduli sistemskog softvera koji odabiru sljedeći proces za izvođenje. Postoje dva glavna tipa raspoređivača:

Dugoročni raspoređivač (raspoređivač poslova): Odabire procese iz reda poslova i učitava ih u memoriju za izvršavanje. Kontrolira stupanj multiprogramiranja (broj procesa u memoriji). Izvršava se rjeđe od kratkoročnog raspoređivača.
Kratkoročni raspoređivač (raspoređivač CPU-a): Odabire proces iz reda spremnih i dodjeljuje mu CPU. Izvršava se vrlo često, stoga mora biti brz.

U nekim sustavima postoji i srednjoročni raspoređivač, koji izbacuje procese iz memorije (na disk) i vraća ih natrag kako bi se smanjio stupanj multiprogramiranja. To se također naziva zamjena (swapping).

Algoritmi raspoređivanja

Postoje brojni algoritmi raspoređivanja, svaki sa svojim prednostima i nedostacima. Izbor algoritma ovisi o specifičnim ciljevima sustava. Evo nekih uobičajenih algoritama:

Prvi došao, prvi poslužen (FCFS): Procesi se izvršavaju redoslijedom kojim dolaze. Jednostavan za implementaciju, ali može dovesti do dugog vremena čekanja za kratke procese ako dugi proces stigne prvi (efekt konvoja).
Najkraći posao prvi (SJF): Procesi s najkraćim vremenom izvođenja izvršavaju se prvi. Optimalan u smislu minimiziranja prosječnog vremena čekanja, ali zahtijeva poznavanje vremena izvođenja unaprijed, što često nije moguće.
Prioritetno raspoređivanje: Svakom procesu dodjeljuje se prioritet, a proces s najvišim prioritetom izvršava se prvi. Može dovesti do izgladnjivanja ako se procesi niskog prioriteta neprestano prekidaju od strane procesa višeg prioriteta.
Kružni raspored (Round Robin - RR): Svakom procesu daje se fiksni vremenski odsječak (kvant) za izvršavanje. Ako se proces ne dovrši unutar vremenskog odsječka, premješta se na kraj reda spremnih. Pravedan i sprječava izgladnjivanje, ali prebacivanje konteksta može smanjiti učinkovitost ako je vremenski odsječak prekratak.
Raspoređivanje s više redova: Red spremnih podijeljen je u više redova, svaki sa svojim algoritmom raspoređivanja. Procesi se dodjeljuju redovima na temelju njihovih svojstava (npr. interaktivni naspram serijskih).
Raspoređivanje s više redova i povratnom vezom: Procesi se mogu kretati između različitih redova. To omogućuje raspoređivaču da dinamički prilagođava prioritet procesa na temelju njihovog ponašanja.

Primjer: Razmotrimo tri procesa, P1, P2 i P3, s vremenima izvođenja (burst times) od 24, 3 i 3 milisekunde. Ako stignu redoslijedom P1, P2, P3, FCFS raspoređivanje bi rezultiralo time da se P1 izvršava prvi, zatim P2, pa P3. Prosječno vrijeme čekanja bilo bi (0 + 24 + 27) / 3 = 17 milisekundi. Međutim, da smo koristili SJF, procesi bi se izvršavali redoslijedom P2, P3, P1, a prosječno vrijeme čekanja bilo bi (0 + 3 + 6) / 3 = 3 milisekunde – značajno poboljšanje!

Međuprocesna komunikacija (IPC)

Međuprocesna komunikacija (IPC) omogućuje procesima da međusobno komuniciraju i sinkroniziraju se. To je ključno za izgradnju složenih aplikacija koje se sastoje od više procesa koji rade zajedno.

Uobičajeni IPC mehanizmi:

Dijeljena memorija: Procesi dijele područje memorije, što im omogućuje izravan pristup i modificiranje podataka. Zahtijeva pažljivu sinkronizaciju kako bi se izbjegla stanja utrke (race conditions).
Prosljeđivanje poruka: Procesi komuniciraju slanjem poruka jedni drugima. Pruža bolju izolaciju od dijeljene memorije, ali može biti sporije.
Cijevi (Pipes): Jednosmjerni komunikacijski kanal između dva procesa. Obično se koristi za komunikaciju između povezanih procesa (npr. roditelj i dijete).
Imenovane cijevi (FIFOs): Slično cijevima, ali se mogu koristiti za komunikaciju između nepovezanih procesa.
Redovi poruka: Procesi mogu slati i primati poruke u/iz reda. Omogućuje asinkronu komunikaciju.
Utičnice (Sockets): Svestran mehanizam za komunikaciju između procesa na istom računalu ili preko mreže. Koristi se za klijent-poslužitelj aplikacije i distribuirane sustave.
Signali: Softverski prekid koji se može poslati procesu kako bi ga obavijestio o nekom događaju (npr. zahtjev za prekidom, stanje pogreške).

Primjer: Web poslužitelj može koristiti više procesa za istovremeno rukovanje dolaznim zahtjevima. Svaki proces može obrađivati jedan zahtjev, a procesi mogu komunicirati koristeći dijeljenu memoriju ili prosljeđivanje poruka kako bi dijelili podatke o stanju poslužitelja.

Sinkronizacija

Kada više procesa pristupa dijeljenim resursima, ključno je osigurati sinkronizaciju kako bi se spriječilo oštećenje podataka i stanja utrke. Mehanizmi sinkronizacije pružaju načine za koordinaciju izvođenja procesa i zaštitu dijeljenih podataka.

Uobičajene tehnike sinkronizacije:

Mutexi (Mutex Locks): Binarni semafor koji se može koristiti za zaštitu kritičnog odsječka koda. Samo jedan proces može držati mutex u jednom trenutku.
Semafori: Generalizacija mutexa koja se može koristiti za kontrolu pristupa ograničenom broju resursa.
Monitori: Sinkronizacijski konstrukt visoke razine koji enkapsulira dijeljene podatke i operacije koje se na njima mogu izvoditi. Pruža međusobno isključivanje i uvjetne varijable za čekanje i signaliziranje.
Uvjetne varijable: Koriste se unutar monitora kako bi se procesima omogućilo čekanje da određeni uvjet postane istinit.
Spinlockovi: Vrsta zaključavanja gdje proces neprestano provjerava je li zaključavanje dostupno. Može biti učinkovito za kratke kritične odsječke, ali troši CPU vrijeme ako se zaključavanje drži dugo.

Primjer: Razmotrimo dijeljeni brojač koji se povećava od strane više procesa. Bez sinkronizacije, više procesa moglo bi pročitati vrijednost brojača, povećati je i zapisati natrag, što bi dovelo do netočnih rezultata. Korištenje muteksa za zaštitu operacije povećanja osigurava da samo jedan proces može pristupiti brojaču u jednom trenutku, sprječavajući stanja utrke.

Zastoj (Deadlock)

Zastoj (Deadlock) se događa kada su dva ili više procesa blokirana na neodređeno vrijeme, svaki čekajući resurs koji drži drugi proces. To je ozbiljan problem koji može zaustaviti sustav.

Uvjeti za nastanak zastoja:

Četiri uvjeta moraju biti ispunjena istovremeno da bi došlo do zastoja (Coffmanovi uvjeti):

Međusobno isključivanje: Barem jedan resurs mora se držati u nepodijeljenom načinu; to jest, samo jedan proces može koristiti resurs u jednom trenutku.
Drži i čekaj: Proces mora držati barem jedan resurs i čekati na dobivanje dodatnih resursa koje trenutno drže drugi procesi.
Bez prekidanja (No Preemption): Resursi se ne mogu nasilno oduzeti procesu; resurs može dobrovoljno osloboditi samo proces koji ga drži.
Kružno čekanje: Mora postojati skup {P0, P1, ..., Pn} čekajućih procesa tako da P0 čeka resurs koji drži P1, P1 čeka resurs koji drži P2, ..., Pn-1 čeka resurs koji drži Pn, a Pn čeka resurs koji drži P0.

Tehnike rješavanja zastoja:

Postoji nekoliko pristupa rješavanju zastoja:

Prevencija zastoja: Osigurati da barem jedan od Coffmanovih uvjeta ne može biti ispunjen. Na primjer, zahtijevati da procesi zatraže sve resurse odjednom ili dopustiti prekidanje resursa.
Izbjegavanje zastoja: Koristiti informacije o alokaciji resursa kako bi se izbjeglo ulazak u stanje zastoja. Bankarov algoritam je uobičajen primjer.
Detekcija i oporavak od zastoja: Dopustiti da se zastoji dogode, zatim ih otkriti i oporaviti se. Oporavak može uključivati prekidanje procesa ili oduzimanje resursa.
Ignoriranje zastoja: Ignorirati problem i nadati se da se neće dogoditi. Ovo je pristup koji koristi većina operacijskih sustava, uključujući Windows i Linux, jer prevencija i izbjegavanje zastoja mogu biti skupi.

Primjer: Razmotrimo dva procesa, P1 i P2, i dva resursa, R1 i R2. P1 drži R1 i čeka R2, dok P2 drži R2 i čeka R1. To stvara kružno čekanje, što dovodi do zastoja. Jedan od načina da se spriječi ovaj zastoj bio bi zahtijevati da procesi zatraže sve resurse odjednom prije početka izvođenja.

Primjeri iz stvarnog svijeta

Koncepti upravljanja procesima koriste se u raznim operacijskim sustavima diljem svijeta:

Linux: Koristi sofisticirani algoritam raspoređivanja nazvan Completely Fair Scheduler (CFS), koji ima za cilj pružiti pravednu alokaciju CPU-a svim procesima.
Windows: Primjenjuje algoritam raspoređivanja temeljen na prioritetima s više razina prioriteta.
macOS: Koristi hibridni pristup koji kombinira raspoređivanje temeljeno na prioritetima s vremenskim odsječcima.
Android: Izgrađen na Linux jezgri, koristi slične tehnike upravljanja procesima, optimizirane za mobilne uređaje.
Operacijski sustavi u stvarnom vremenu (RTOS): Koriste se u ugrađenim sustavima i kritičnim aplikacijama, često primjenjuju specijalizirane algoritme raspoređivanja koji jamče pravovremeno izvršavanje zadataka. Primjeri uključuju VxWorks i FreeRTOS.

Zaključak

Upravljanje procesima kritičan je aspekt operacijskih sustava koji omogućuje višezadaćnost, dijeljenje resursa i učinkovito korištenje sustava. Razumijevanje koncepata o kojima se raspravljalo u ovom vodiču ključno je za svakoga tko radi s operacijskim sustavima, razvija aplikacije ili upravlja sustavima. Ovladavanjem stanjima procesa, algoritmima raspoređivanja, međeprocesnom komunikacijom i rješavanjem zastoja, možete graditi robusnije, učinkovitije i pouzdanije softverske sustave. Ne zaboravite razmotriti kompromise između različitih pristupa i odabrati tehnike koje najbolje odgovaraju vašim specifičnim potrebama.

Dodatni izvori za učenje

Da biste produbili svoje razumijevanje upravljanja procesima, razmislite o istraživanju sljedećih resursa:

Operating System Concepts autora Abrahama Silberschatza, Petera Baera Galvina i Grega Gagnea
Modern Operating Systems autora Andrewa S. Tanenbauma
Online tečajevi i tutoriali o operacijskim sustavima s platformi kao što su Coursera, edX i Udacity.
Dokumentacija za operacijski sustav po vašem izboru (npr. Linux man stranice, Windows API dokumentacija).