ระบบปฏิบัติการ: คู่มือฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับการจัดการกระบวนการ

การจัดการกระบวนการเป็นส่วนสำคัญของระบบปฏิบัติการสมัยใหม่ใดๆ ก็ตาม ซึ่งเกี่ยวข้องกับการจัดการการดำเนินการของกระบวนการ การจัดสรรทรัพยากร และการรับประกันการทำงานแบบมัลติทาสกิ้งที่ราบรื่น คู่มือนี้ให้ภาพรวมโดยละเอียดของแนวคิด เทคนิค และความท้าทายในการจัดการกระบวนการ ออกแบบมาสำหรับนักเรียน นักพัฒนา ผู้ดูแลระบบ และทุกคนที่สนใจทำความเข้าใจวิธีการทำงานของระบบปฏิบัติการ

กระบวนการคืออะไร

โดยพื้นฐานแล้ว กระบวนการ คืออินสแตนซ์ของโปรแกรมที่กำลังดำเนินการ เป็นมากกว่าแค่โค้ดของโปรแกรม ซึ่งรวมถึงค่าปัจจุบันของตัวนับโปรแกรม รีจิสเตอร์ และตัวแปร แต่ละกระบวนการมีพื้นที่หน่วยความจำของตัวเอง ซึ่งป้องกันไม่ให้รบกวนกระบวนการอื่นๆ โดยตรง

คิดว่าโปรแกรมเป็นสูตรอาหาร และกระบวนการคือการทำอาหารจานนั้นจริงๆ คุณสามารถมีหลายกระบวนการที่รันโปรแกรมเดียวกันพร้อมกัน (เช่น หลายอินสแตนซ์ของโปรแกรมแก้ไขข้อความ) แต่ละกระบวนการมีข้อมูลและสถานะของตัวเอง

ส่วนประกอบหลักของกระบวนการ:

รหัสโปรแกรม (ส่วนข้อความ): คำสั่งที่จะดำเนินการ
ส่วนข้อมูล: ตัวแปรส่วนกลางและหน่วยความจำที่จัดสรรแบบไดนามิก
สแตก: ใช้สำหรับการเรียกฟังก์ชัน ตัวแปรโลคัล และที่อยู่ส่งคืน
ฮีป: หน่วยความจำที่จัดสรรแบบไดนามิกในระหว่างรันไทม์
Process Control Block (PCB): โครงสร้างข้อมูลที่ OS ดูแลสำหรับแต่ละกระบวนการ ซึ่งมีข้อมูลเช่น ID กระบวนการ สถานะ ตัวนับโปรแกรม และค่ารีจิสเตอร์

สถานะของกระบวนการ

กระบวนการจะผ่านสถานะต่างๆ ในช่วงอายุขัย การทำความเข้าใจสถานะเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจการจัดการกระบวนการ

ใหม่: กระบวนการกำลังถูกสร้าง
พร้อม: กระบวนการกำลังรอการกำหนดให้กับโปรเซสเซอร์
กำลังรัน: คำสั่งกำลังถูกดำเนินการ
กำลังรอ (ถูกบล็อก): กระบวนการกำลังรอให้เหตุการณ์บางอย่างเกิดขึ้น (เช่น การดำเนินการ I/O เสร็จสมบูรณ์ หรือรับสัญญาณ)
สิ้นสุด: กระบวนการดำเนินการเสร็จสิ้น

สถานะเหล่านี้แสดงถึงวงจรชีวิตของกระบวนการ และระบบปฏิบัติการมีหน้าที่รับผิดชอบในการจัดการการเปลี่ยนสถานะระหว่างกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อกระบวนการต้องการอ่านข้อมูลจากดิสก์ กระบวนการจะเปลี่ยนจากสถานะ กำลังรัน เป็นสถานะ กำลังรอ จนกว่าการดำเนินการ I/O จะเสร็จสมบูรณ์ จากนั้น กระบวนการจะเปลี่ยนกลับไปเป็นสถานะ พร้อม โดยรอรอบที่จะรันอีกครั้ง

Process Control Block (PCB)

PCB เป็นโครงสร้างข้อมูลที่มีข้อมูลทั้งหมดที่ระบบปฏิบัติการต้องการเพื่อจัดการกระบวนการ เปรียบเสมือนเรซูเม่ของกระบวนการ ซึ่งมีทุกสิ่งที่ OS ต้องรู้เพื่อติดตามกระบวนการนั้น

เนื้อหาทั่วไปของ PCB:

Process ID (PID): ตัวระบุเฉพาะสำหรับกระบวนการ
สถานะของกระบวนการ: สถานะปัจจุบันของกระบวนการ (เช่น พร้อม, กำลังรัน, กำลังรอ)
Program Counter (PC): ที่อยู่ของคำสั่งถัดไปที่จะดำเนินการ
CPU Registers: เนื้อหาของ CPU registers (accumulators, index registers, stack pointers, general-purpose registers และข้อมูล condition-code ใดๆ)
ข้อมูลการจัดการหน่วยความจำ: ข้อมูลเกี่ยวกับหน่วยความจำที่จัดสรรให้กับกระบวนการ เช่น base และ limit registers, page tables หรือ segment tables
ข้อมูลบัญชี: จำนวนเวลา CPU ที่ใช้ ขีดจำกัดเวลา หมายเลขบัญชี จำนวนหน่วยความจำที่ใช้ ฯลฯ
ข้อมูลสถานะ I/O: อุปกรณ์ I/O ที่จัดสรรให้กับกระบวนการ รายการไฟล์ที่เปิด ฯลฯ

การจัดตารางเวลากระบวนการ

การจัดตารางเวลากระบวนการ คือกิจกรรมของการพิจารณาว่ากระบวนการใดในคิวพร้อมควรได้รับการจัดสรร CPU เป้าหมายของการจัดตารางเวลาคือการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบตามเกณฑ์บางอย่าง เช่น การเพิ่มการใช้ CPU ให้สูงสุด การลดเวลาตอบสนอง หรือการรับประกันความเป็นธรรมระหว่างกระบวนการ

คิวการจัดตารางเวลา

OS ใช้คิวเพื่อจัดการกระบวนการ คิวทั่วไป ได้แก่:

Job queue: มีกระบวนการทั้งหมดในระบบ
Ready queue: มีกระบวนการทั้งหมดที่พร้อมที่จะดำเนินการและกำลังรอ CPU
Device queues: ชุดของคิว หนึ่งคิวสำหรับอุปกรณ์ I/O แต่ละเครื่อง ซึ่งมีกระบวนการที่กำลังรออุปกรณ์นั้น

ตัวจัดตารางเวลา

ตัวจัดตารางเวลาคือโมดูลซอฟต์แวร์ระบบที่เลือกกระบวนการถัดไปที่จะรัน มีตัวจัดตารางเวลาสองประเภทหลัก:

ตัวจัดตารางเวลาระยะยาว (Job scheduler): เลือกกระบวนการจาก job queue และโหลดลงในหน่วยความจำเพื่อดำเนินการ ควบคุมระดับของ multiprogramming (จำนวนกระบวนการในหน่วยความจำ) ทำงานไม่บ่อยเท่าตัวจัดตารางเวลาระยะสั้น
ตัวจัดตารางเวลาระยะสั้น (CPU scheduler): เลือกกระบวนการจาก ready queue และจัดสรร CPU ให้กับกระบวนการนั้น ทำงานบ่อยมาก ดังนั้นจึงต้องรวดเร็ว

ในบางระบบ ยังมี ตัวจัดตารางเวลาระยะกลาง ซึ่งสลับกระบวนการออกจากหน่วยความจำ (ไปยังดิสก์) และกลับเข้ามาเพื่อลดระดับของ multiprogramming สิ่งนี้เรียกว่าการสลับ

อัลกอริทึมการจัดตารางเวลา

มีอัลกอริทึมการจัดตารางเวลามากมาย แต่ละอัลกอริทึมมีจุดแข็งและจุดอ่อนของตัวเอง การเลือกอัลกอริทึมขึ้นอยู่กับเป้าหมายเฉพาะของระบบ นี่คืออัลกอริทึมทั่วไปบางส่วน:

First-Come, First-Served (FCFS): กระบวนการจะถูกดำเนินการตามลำดับที่มาถึง ใช้งานง่าย แต่สามารถนำไปสู่เวลารอคอยที่ยาวนานสำหรับกระบวนการสั้นๆ หากกระบวนการยาวมาถึงก่อน (convoy effect)
Shortest Job First (SJF): กระบวนการที่มีเวลาดำเนินการสั้นที่สุดจะถูกดำเนินการก่อน เหมาะสมที่สุดในแง่ของการลดเวลาการรอโดยเฉลี่ย แต่ต้องรู้เวลาดำเนินการล่วงหน้า ซึ่งมักจะไม่สามารถทำได้
Priority Scheduling: แต่ละกระบวนการจะได้รับมอบหมายลำดับความสำคัญ และกระบวนการที่มีลำดับความสำคัญสูงสุดจะถูกดำเนินการก่อน สามารถนำไปสู่ภาวะอดอยากได้หากกระบวนการที่มีลำดับความสำคัญต่ำถูกขัดจังหวะอย่างต่อเนื่องโดยกระบวนการที่มีลำดับความสำคัญสูงกว่า
Round Robin (RR): แต่ละกระบวนการจะได้รับช่วงเวลาคงที่ (quantum) ในการดำเนินการ หากกระบวนการไม่เสร็จสมบูรณ์ภายในช่วงเวลา จะถูกย้ายไปที่ด้านหลังของ ready queue ยุติธรรมและป้องกันภาวะอดอยาก แต่ค่าใช้จ่ายในการสลับบริบทสามารถลดประสิทธิภาพได้หากช่วงเวลาสั้นเกินไป
Multilevel Queue Scheduling: Ready queue ถูกแบ่งพาร์ติชันออกเป็นหลายคิว แต่ละคิวมีอัลกอริทึมการจัดตารางเวลาของตัวเอง กระบวนการจะถูกกำหนดให้กับคิวตามคุณสมบัติของกระบวนการ (เช่น อินเทอร์แอกทีฟเทียบกับแบทช์)
Multilevel Feedback Queue Scheduling: กระบวนการสามารถย้ายไปมาระหว่างคิวต่างๆ ได้ ซึ่งช่วยให้ตัวจัดตารางเวลาสามารถปรับลำดับความสำคัญของกระบวนการแบบไดนามิกตามพฤติกรรมของกระบวนการ

ตัวอย่าง: พิจารณากระบวนการสามกระบวนการ ได้แก่ P1, P2 และ P3 โดยมี burst times (เวลาดำเนินการ) เป็น 24, 3 และ 3 มิลลิวินาทีตามลำดับ หากกระบวนการมาถึงตามลำดับ P1, P2, P3 การจัดตารางเวลา FCFS จะส่งผลให้ P1 ทำงานก่อน จากนั้น P2 จากนั้น P3 เวลาการรอโดยเฉลี่ยจะเป็น (0 + 24 + 27) / 3 = 17 มิลลิวินาที อย่างไรก็ตาม หากเราใช้ SJF กระบวนการจะถูกดำเนินการตามลำดับ P2, P3, P1 และเวลาการรอโดยเฉลี่ยจะเป็น (0 + 3 + 6) / 3 = 3 มิลลิวินาที ซึ่งเป็นการปรับปรุงที่สำคัญ!

Inter-Process Communication (IPC)

Inter-Process Communication (IPC) ช่วยให้กระบวนการสามารถสื่อสารและซิงโครไนซ์ซึ่งกันและกันได้ สิ่งนี้จำเป็นสำหรับการสร้างแอปพลิเคชันที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยหลายกระบวนการที่ทำงานร่วมกัน

กลไก IPC ทั่วไป:

Shared Memory: กระบวนการแชร์พื้นที่หน่วยความจำ ทำให้สามารถเข้าถึงและแก้ไขข้อมูลได้โดยตรง ต้องมีการซิงโครไนซ์อย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยง race conditions
Message Passing: กระบวนการสื่อสารโดยการส่งข้อความถึงกัน ให้การแยกที่ดีกว่า shared memory แต่สามารถช้ากว่าได้
Pipes: ช่องทางการสื่อสารแบบทิศทางเดียวระหว่างสองกระบวนการ โดยทั่วไปใช้สำหรับการสื่อสารระหว่างกระบวนการที่เกี่ยวข้อง (เช่น parent และ child)
Named Pipes (FIFOs): คล้ายกับ pipes แต่สามารถใช้สำหรับการสื่อสารระหว่างกระบวนการที่ไม่เกี่ยวข้อง
Message Queues: กระบวนการสามารถส่งและรับข้อความไปยัง/จากคิว ให้การสื่อสารแบบอะซิงโครนัส
Sockets: กลไกอเนกประสงค์สำหรับการสื่อสารระหว่างกระบวนการบนเครื่องเดียวกันหรือข้ามเครือข่าย ใช้สำหรับแอปพลิเคชัน client-server และระบบ distributed
Signals: ซอฟต์แวร์อินเทอร์รัปต์ที่สามารถส่งไปยังกระบวนการเพื่อแจ้งให้ทราบถึงเหตุการณ์ (เช่น คำขอสิ้นสุด เงื่อนไขข้อผิดพลาด)

ตัวอย่าง: เว็บเซิร์ฟเวอร์อาจใช้หลายกระบวนการเพื่อจัดการคำขอที่เข้ามาพร้อมกัน แต่ละกระบวนการสามารถจัดการคำขอเดียวได้ และกระบวนการสามารถสื่อสารโดยใช้ shared memory หรือ message passing เพื่อแชร์ข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของเซิร์ฟเวอร์

การซิงโครไนซ์

เมื่อหลายกระบวนการเข้าถึงทรัพยากรที่ใช้ร่วมกัน การรับประกัน การซิงโครไนซ์ เป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันการเสียหายของข้อมูลและ race conditions กลไกการซิงโครไนซ์มีวิธีในการประสานงานการดำเนินการของกระบวนการและปกป้องข้อมูลที่ใช้ร่วมกัน

เทคนิคการซิงโครไนซ์ทั่วไป:

Mutex Locks: เซมาฟอร์ไบนารีที่สามารถใช้เพื่อปกป้อง critical section ของโค้ด อนุญาตให้มีเพียงหนึ่งกระบวนการเท่านั้นที่สามารถถือ mutex lock ได้ในแต่ละครั้ง
Semaphores: การทั่วไปของ mutex locks ที่สามารถใช้เพื่อควบคุมการเข้าถึงทรัพยากรจำนวนจำกัด
Monitors: โครงสร้างการซิงโครไนซ์ระดับสูงที่ห่อหุ้มข้อมูลที่ใช้ร่วมกันและการดำเนินการที่สามารถดำเนินการได้ Provides mutual exclusion และ condition variables สำหรับการรอและส่งสัญญาณ
Condition Variables: ใช้ภายใน monitors เพื่ออนุญาตให้กระบวนการรอให้เงื่อนไขเฉพาะเป็นจริง
Spinlocks: ประเภทของ lock ที่กระบวนการตรวจสอบซ้ำๆ ว่า lock พร้อมใช้งานหรือไม่ สามารถมีประสิทธิภาพสำหรับ critical sections สั้นๆ แต่สิ้นเปลืองเวลา CPU หาก lock ถูกถือไว้นาน

ตัวอย่าง: พิจารณาตัวนับที่ใช้ร่วมกันซึ่งถูกเพิ่มขึ้นโดยหลายกระบวนการ หากไม่มีการซิงโครไนซ์ หลายกระบวนการสามารถอ่านค่าของตัวนับ เพิ่มค่า และเขียนกลับ ซึ่งนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง การใช้ mutex lock เพื่อปกป้องการดำเนินการเพิ่มขึ้น ช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีเพียงหนึ่งกระบวนการเท่านั้นที่สามารถเข้าถึงตัวนับได้ในแต่ละครั้ง ป้องกัน race conditions

ภาวะชะงักงัน

ภาวะชะงักงัน เกิดขึ้นเมื่อสองกระบวนการขึ้นไปถูกบล็อกอย่างไม่มีกำหนด โดยแต่ละกระบวนการรอทรัพยากรที่ถือโดยอีกกระบวนการหนึ่ง เป็นปัญหาสำคัญที่สามารถทำให้ระบบหยุดชะงักได้

เงื่อนไขสำหรับภาวะชะงักงัน:

ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสี่ข้อพร้อมกันเพื่อให้เกิดภาวะชะงักงัน (Coffman conditions):

Mutual Exclusion: ต้องมีทรัพยากรอย่างน้อยหนึ่งรายการที่ถูกถือในโหมดที่ไม่สามารถแชร์ได้ นั่นคือ มีเพียงหนึ่งกระบวนการเท่านั้นที่สามารถใช้ทรัพยากรได้ในแต่ละครั้ง
Hold and Wait: กระบวนการต้องถือทรัพยากรอย่างน้อยหนึ่งรายการและรอที่จะได้รับทรัพยากรเพิ่มเติมที่กำลังถูกถือโดยกระบวนการอื่นๆ
No Preemption: ไม่สามารถนำทรัพยากรออกจากกระบวนการโดยบังคับได้ ทรัพยากรสามารถปล่อยได้โดยสมัครใจเท่านั้นโดยกระบวนการที่ถือทรัพยากรนั้น
Circular Wait: ต้องมีชุด {P0, P1, ..., Pn} ของกระบวนการที่กำลังรออยู่ โดยที่ P0 กำลังรอทรัพยากรที่ถือโดย P1, P1 กำลังรอทรัพยากรที่ถือโดย P2, ..., Pn-1 กำลังรอทรัพยากรที่ถือโดย Pn และ Pn กำลังรอทรัพยากรที่ถือโดย P0

เทคนิคการจัดการภาวะชะงักงัน:

มีหลายแนวทางในการจัดการภาวะชะงักงัน:

Deadlock Prevention: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเงื่อนไข Coffman อย่างน้อยหนึ่งข้อไม่สามารถเกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น การกำหนดให้กระบวนการร้องขอทรัพยากรทั้งหมดพร้อมกัน หรืออนุญาตให้มีการยึดทรัพยากร
Deadlock Avoidance: ใช้ข้อมูลเกี่ยวกับการจัดสรรทรัพยากรเพื่อหลีกเลี่ยงการเข้าสู่สถานะภาวะชะงักงัน Banker's Algorithm เป็นตัวอย่างทั่วไป
Deadlock Detection and Recovery: อนุญาตให้เกิดภาวะชะงักงัน จากนั้นตรวจจับและกู้คืน การกู้คืนสามารถเกี่ยวข้องกับการสิ้นสุดกระบวนการหรือการยึดทรัพยากร
Deadlock Ignorance: ละเลยปัญหาและหวังว่าปัญหาจะไม่เกิดขึ้น นี่คือแนวทางที่ระบบปฏิบัติการส่วนใหญ่ใช้ รวมถึง Windows และ Linux เพราะการป้องกันและหลีกเลี่ยงภาวะชะงักงันอาจมีราคาแพง

ตัวอย่าง: พิจารณากระบวนการสองกระบวนการ ได้แก่ P1 และ P2 และทรัพยากรสองรายการ ได้แก่ R1 และ R2 P1 ถือ R1 และกำลังรอ R2 ในขณะที่ P2 ถือ R2 และกำลังรอ R1 สิ่งนี้สร้าง circular wait ซึ่งนำไปสู่ภาวะชะงักงัน วิธีหนึ่งในการป้องกันภาวะชะงักงันนี้คือการกำหนดให้กระบวนการร้องขอทรัพยากรทั้งหมดพร้อมกันก่อนเริ่มดำเนินการ

ตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริง

แนวคิดการจัดการกระบวนการถูกใช้ในระบบปฏิบัติการต่างๆ ทั่วโลก:

Linux: ใช้อัลกอริทึมการจัดตารางเวลาที่ซับซ้อนที่เรียกว่า Completely Fair Scheduler (CFS) ซึ่งมีเป้าหมายเพื่อให้การจัดสรร CPU ที่ยุติธรรมแก่ทุกกระบวนการ
Windows: ใช้อัลกอริทึมการจัดตารางเวลาตามลำดับความสำคัญที่มีระดับลำดับความสำคัญหลายระดับ
macOS: ใช้วิธีการแบบไฮบริดที่รวมการจัดตารางเวลาตามลำดับความสำคัญเข้ากับการแบ่งเวลา
Android: สร้างขึ้นบนเคอร์เนล Linux โดยใช้เทคนิคการจัดการกระบวนการที่คล้ายกัน ซึ่งปรับให้เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์มือถือ
Real-time operating systems (RTOS): ใช้ในระบบฝังตัวและแอปพลิเคชันที่สำคัญ มักใช้อัลกอริทึมการจัดตารางเวลาเฉพาะทางที่รับประกันการดำเนินการงานอย่างทันท่วงที ตัวอย่าง ได้แก่ VxWorks และ FreeRTOS

สรุป

การจัดการกระบวนการเป็นส่วนสำคัญของระบบปฏิบัติการที่ช่วยให้สามารถทำงานแบบมัลติทาสกิ้ง การแชร์ทรัพยากร และการใช้ระบบอย่างมีประสิทธิภาพ การทำความเข้าใจแนวคิดที่กล่าวถึงในคู่มือนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับทุกคนที่ทำงานกับระบบปฏิบัติการ พัฒนาแอปพลิเคชัน หรือจัดการระบบ การเรียนรู้สถานะของกระบวนการ อัลกอริทึมการจัดตารางเวลา การสื่อสารระหว่างกระบวนการ และการจัดการภาวะชะงักงัน คุณสามารถสร้างระบบซอฟต์แวร์ที่แข็งแกร่ง มีประสิทธิภาพ และเชื่อถือได้มากขึ้น อย่าลืมพิจารณาข้อดีข้อเสียระหว่างแนวทางต่างๆ และเลือกเทคนิคที่เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะของคุณมากที่สุด

การเรียนรู้เพิ่มเติม

เพื่อเพิ่มพูนความเข้าใจเกี่ยวกับการจัดการกระบวนการ โปรดพิจารณาสำรวจแหล่งข้อมูลต่อไปนี้:

Operating System Concepts โดย Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin และ Greg Gagne
Modern Operating Systems โดย Andrew S. Tanenbaum
หลักสูตรออนไลน์และบทช่วยสอนเกี่ยวกับระบบปฏิบัติการจากแพลตฟอร์มต่างๆ เช่น Coursera, edX และ Udacity
เอกสารประกอบสำหรับระบบปฏิบัติการที่คุณเลือก (เช่น Linux man pages, Windows API documentation)