Операційні системи: Комплексний посібник з управління процесами

Управління процесами — це фундаментальний аспект будь-якої сучасної операційної системи. Воно включає управління виконанням процесів, розподіл ресурсів та забезпечення плавної багатозадачності. Цей посібник надає детальний огляд концепцій, технік та викликів управління процесами. Він призначений для студентів, розробників, системних адміністраторів та всіх, хто цікавиться тим, як функціонують операційні системи.

Що таке процес?

За своєю суттю, процес — це екземпляр програми, що виконується. Це більше, ніж просто програмний код; він включає поточні значення лічильника команд, регістрів та змінних. Кожен процес має власний адресний простір, що не дозволяє йому безпосередньо втручатися в роботу інших процесів.

Уявіть, що програма — це рецепт, а процес — це власне приготування страви. Ви можете мати кілька процесів, що виконують одну й ту ж програму одночасно (наприклад, кілька екземплярів текстового редактора), кожен зі своїми даними та станом.

Ключові компоненти процесу:

Програмний код (текстовий сегмент): Інструкції, що підлягають виконанню.
Сегмент даних: Глобальні змінні та динамічно виділена пам'ять.
Стек: Використовується для викликів функцій, локальних змінних та адрес повернення.
Купа (Heap): Пам'ять, що динамічно виділяється під час виконання.
Блок управління процесом (PCB): Структура даних, яку ОС підтримує для кожного процесу, що містить таку інформацію, як ідентифікатор процесу, стан, лічильник команд та значення регістрів.

Стани процесу

Протягом свого життєвого циклу процес проходить через різні стани. Розуміння цих станів є вирішальним для розуміння управління процесами.

Новий (New): Процес створюється.
Готовий (Ready): Процес очікує на призначення процесору.
Виконується (Running): Інструкції виконуються.
Очікування (Blocked): Процес очікує на якусь подію (наприклад, завершення вводу/виводу або отримання сигналу).
Завершений (Terminated): Процес закінчив виконання.

Ці стани представляють життєвий цикл процесу, і операційна система відповідає за управління переходами між ними. Наприклад, коли процесу потрібно прочитати дані з диска, він переходить зі стану Виконується у стан Очікування до завершення операції вводу/виводу. Потім він переходить назад у стан Готовий, очікуючи своєї черги на виконання.

Блок управління процесом (PCB)

PCB — це структура даних, що містить всю інформацію, необхідну операційній системі для управління процесом. Це ніби резюме процесу, що містить усе, що ОС потрібно знати, щоб стежити за ним.

Типовий вміст PCB:

Ідентифікатор процесу (PID): Унікальний ідентифікатор для процесу.
Стан процесу: Поточний стан процесу (наприклад, Готовий, Виконується, Очікування).
Лічильник команд (PC): Адреса наступної інструкції, що має бути виконана.
Регістри ЦП: Вміст регістрів ЦП (акумулятори, індексні регістри, вказівники стека, регістри загального призначення та будь-яка інформація про коди стану).
Інформація про управління пам'яттю: Інформація про пам'ять, виділену процесу, така як базові та граничні регістри, таблиці сторінок або таблиці сегментів.
Облікова інформація: Кількість використаного часу ЦП, часові ліміти, номери рахунків, обсяг використаної пам'яті тощо.
Інформація про стан вводу/виводу: Пристрої вводу/виводу, виділені процесу, список відкритих файлів тощо.

Планування процесів

Планування процесів — це діяльність з визначення того, якому процесу з черги готових процесів слід виділити ЦП. Мета планування — оптимізувати продуктивність системи відповідно до певних критеріїв, таких як максимізація використання ЦП, мінімізація часу виконання або забезпечення справедливості між процесами.

Черги планування

ОС використовує черги для управління процесами. Поширені черги включають:

Черга завдань (Job queue): Містить усі процеси в системі.
Черга готових процесів (Ready queue): Містить усі процеси, що готові до виконання та очікують на ЦП.
Черги пристроїв (Device queues): Набір черг, по одній для кожного пристрою вводу/виводу, що містять процеси, які очікують на цей пристрій.

Планувальники

Планувальники — це модулі системного програмного забезпечення, які обирають наступний процес для виконання. Існує два основних типи планувальників:

Довготривалий планувальник (планувальник завдань): Вибирає процеси з черги завдань і завантажує їх у пам'ять для виконання. Він контролює ступінь мультипрограмування (кількість процесів у пам'яті). Працює рідше, ніж короткотривалий планувальник.
Короткотривалий планувальник (планувальник ЦП): Вибирає процес із черги готових і виділяє йому ЦП. Він працює дуже часто, тому має бути швидким.

У деяких системах також існує середньотривалий планувальник, який вивантажує процеси з пам'яті (на диск) і завантажує назад, щоб зменшити ступінь мультипрограмування. Це також називається свопінгом.

Алгоритми планування

Існує безліч алгоритмів планування, кожен зі своїми сильними та слабкими сторонами. Вибір алгоритму залежить від конкретних цілей системи. Ось деякі поширені алгоритми:

Першим прийшов — першим обслужився (First-Come, First-Served, FCFS): Процеси виконуються в порядку їх надходження. Простий у реалізації, але може призвести до тривалого часу очікування для коротких процесів, якщо першим прийшов довгий процес (ефект конвою).
Найкоротше завдання першим (Shortest Job First, SJF): Спочатку виконуються процеси з найкоротшим часом виконання. Оптимальний з точки зору мінімізації середнього часу очікування, але вимагає знання часу виконання наперед, що часто неможливо.
Пріоритетне планування: Кожному процесу присвоюється пріоритет, і процес з найвищим пріоритетом виконується першим. Може призвести до "голодування" (starvation), якщо низькопріоритетні процеси постійно витісняються високопріоритетними.
Карусельний (Round Robin, RR): Кожному процесу надається фіксований відрізок часу (квант) для виконання. Якщо процес не завершується протягом цього кванта, його переміщують у кінець черги готових. Справедливий і запобігає голодуванню, але накладні витрати на перемикання контексту можуть знизити ефективність, якщо квант часу занадто малий.
Багаторівневе планування з чергами: Черга готових процесів розділена на кілька черг, кожна зі своїм алгоритмом планування. Процеси призначаються до черг на основі їхніх властивостей (наприклад, інтерактивні проти пакетних).
Багаторівневе планування зі зворотним зв'язком: Процеси можуть переміщатися між різними чергами. Це дозволяє планувальнику динамічно коригувати пріоритет процесів на основі їхньої поведінки.

Приклад: Розглянемо три процеси, P1, P2 і P3, з часом виконання 24, 3 і 3 мілісекунди відповідно. Якщо вони надходять у порядку P1, P2, P3, планування FCFS призведе до того, що P1 виконається першим, потім P2, а потім P3. Середній час очікування складе (0 + 24 + 27) / 3 = 17 мілісекунд. Однак, якби ми використовували SJF, процеси виконувались би в порядку P2, P3, P1, і середній час очікування був би (0 + 3 + 6) / 3 = 3 мілісекунди — значне покращення!

Міжпроцесна взаємодія (IPC)

Міжпроцесна взаємодія (Inter-Process Communication, IPC) дозволяє процесам спілкуватися та синхронізуватися один з одним. Це важливо для створення складних застосунків, що складаються з кількох процесів, які працюють разом.

Поширені механізми IPC:

Спільна пам'ять: Процеси спільно використовують область пам'яті, що дозволяє їм напряму отримувати доступ до даних та змінювати їх. Вимагає ретельної синхронізації для уникнення стану гонитви (race conditions).
Передача повідомлень: Процеси спілкуються, надсилаючи повідомлення один одному. Забезпечує кращу ізоляцію, ніж спільна пам'ять, але може бути повільнішою.
Канали (Pipes): Односпрямований канал зв'язку між двома процесами. Зазвичай використовується для зв'язку між пов'язаними процесами (наприклад, батьківським та дочірнім).
Іменовані канали (FIFOs): Схожі на канали, але можуть використовуватися для зв'язку між непов'язаними процесами.
Черги повідомлень: Процеси можуть надсилати та отримувати повідомлення до/з черги. Забезпечує асинхронний зв'язок.
Сокети: Універсальний механізм для зв'язку між процесами на одній машині або через мережу. Використовується для клієнт-серверних застосунків та розподілених систем.
Сигнали: Програмне переривання, яке можна надіслати процесу, щоб повідомити його про подію (наприклад, запит на завершення, помилку).

Приклад: Веб-сервер може використовувати кілька процесів для одночасної обробки вхідних запитів. Кожен процес може обробляти один запит, а процеси можуть спілкуватися за допомогою спільної пам'яті або передачі повідомлень для обміну даними про стан сервера.

Синхронізація

Коли кілька процесів отримують доступ до спільних ресурсів, вкрай важливо забезпечити синхронізацію, щоб запобігти пошкодженню даних та стану гонитви. Механізми синхронізації надають способи координації виконання процесів та захисту спільних даних.

Поширені техніки синхронізації:

М'ютекси (Mutex Locks): Бінарний семафор, який можна використовувати для захисту критичної секції коду. Тільки один процес може утримувати м'ютекс одночасно.
Семафори: Узагальнення м'ютексів, яке може використовуватися для контролю доступу до обмеженої кількості ресурсів.
Монітори: Високорівнева конструкція синхронізації, що інкапсулює спільні дані та операції, які можна над ними виконувати. Забезпечує взаємне виключення та умовні змінні для очікування та сигналізації.
Умовні змінні: Використовуються всередині моніторів, щоб дозволити процесам чекати, поки певна умова не стане істинною.
Спінлоки (Spinlocks): Тип блокування, при якому процес постійно перевіряє, чи доступний замок. Може бути ефективним для коротких критичних секцій, але витрачає час ЦП, якщо замок утримується довго.

Приклад: Розглянемо спільний лічильник, який інкрементується кількома процесами. Без синхронізації кілька процесів можуть прочитати значення лічильника, інкрементувати його та записати назад, що призведе до невірних результатів. Використання м'ютекса для захисту операції інкременту гарантує, що лише один процес може отримати доступ до лічильника одночасно, запобігаючи стану гонитви.

Взаємоблокування (Deadlock)

Взаємоблокування (Deadlock) виникає, коли два або більше процесів заблоковані на невизначений термін, кожен з яких очікує на ресурс, що утримується іншим. Це серйозна проблема, яка може зупинити роботу системи.

Умови виникнення взаємоблокування:

Для виникнення взаємоблокування мають одночасно виконуватися чотири умови (умови Коффмана):

Взаємне виключення: Принаймні один ресурс повинен утримуватися в режимі, що не розділяється; тобто, тільки один процес може використовувати ресурс у певний момент часу.
Утримування та очікування: Процес повинен утримувати принаймні один ресурс і очікувати на отримання додаткових ресурсів, які наразі утримуються іншими процесами.
Неможливість примусового звільнення: Ресурси не можна примусово відібрати у процесу; ресурс може бути звільнений тільки добровільно процесом, що його утримує.
Кільцеве очікування: Повинен існувати набір {P0, P1, ..., Pn} очікуючих процесів, такий що P0 очікує на ресурс, утримуваний P1, P1 очікує на ресурс, утримуваний P2, ..., Pn-1 очікує на ресурс, утримуваний Pn, а Pn очікує на ресурс, утримуваний P0.

Техніки обробки взаємоблокувань:

Існує кілька підходів до обробки взаємоблокувань:

Запобігання взаємоблокуванням: Забезпечення того, щоб принаймні одна з умов Коффмана не виконувалася. Наприклад, вимагати від процесів запитувати всі ресурси одночасно або дозволяти примусове звільнення ресурсів.
Уникнення взаємоблокувань: Використання інформації про розподіл ресурсів для уникнення переходу в стан взаємоблокування. Поширеним прикладом є алгоритм банкіра.
Виявлення та відновлення після взаємоблокування: Дозволити виникнення взаємоблокувань, потім виявляти їх і відновлювати роботу. Відновлення може включати завершення процесів або примусове звільнення ресурсів.
Ігнорування взаємоблокувань: Ігнорувати проблему і сподіватися, що вона не виникне. Цей підхід використовується більшістю операційних систем, включаючи Windows та Linux, оскільки запобігання та уникнення взаємоблокувань можуть бути дорогими.

Приклад: Розглянемо два процеси, P1 і P2, та два ресурси, R1 і R2. P1 утримує R1 і чекає на R2, тоді як P2 утримує R2 і чекає на R1. Це створює кільцеве очікування, що призводить до взаємоблокування. Одним зі способів запобігти цьому було б вимагати від процесів запитувати всі ресурси одночасно перед початком виконання.

Приклади з реального світу

Концепції управління процесами використовуються в різних операційних системах по всьому світу:

Linux: Використовує складний алгоритм планування під назвою Completely Fair Scheduler (CFS), який має на меті забезпечити справедливий розподіл часу ЦП для всіх процесів.
Windows: Використовує пріоритетний алгоритм планування з кількома рівнями пріоритетів.
macOS: Використовує гібридний підхід, що поєднує пріоритетне планування з квантуванням часу.
Android: Побудована на ядрі Linux, вона використовує схожі методи управління процесами, оптимізовані для мобільних пристроїв.
Операційні системи реального часу (RTOS): Використовуються у вбудованих системах та критично важливих застосунках, часто застосовують спеціалізовані алгоритми планування, що гарантують своєчасне виконання завдань. Прикладами є VxWorks та FreeRTOS.

Висновок

Управління процесами є критично важливим аспектом операційних систем, який забезпечує багатозадачність, спільне використання ресурсів та ефективне використання системи. Розуміння концепцій, обговорених у цьому посібнику, є важливим для всіх, хто працює з операційними системами, розробляє застосунки або керує системами. Опанувавши стани процесів, алгоритми планування, міжпроцесну взаємодію та обробку взаємоблокувань, ви зможете створювати більш надійні, ефективні та стабільні програмні системи. Не забувайте враховувати компроміси між різними підходами та обирати техніки, які найкраще відповідають вашим конкретним потребам.

Подальше вивчення

Щоб поглибити своє розуміння управління процесами, розгляньте наступні ресурси:

Operating System Concepts, автори: Абрахам Сільбершац, Пітер Бер Галвін та Грег Ган'є
Modern Operating Systems, автор: Ендрю С. Таненбаум
Онлайн-курси та навчальні матеріали з операційних систем на таких платформах, як Coursera, edX та Udacity.
Документація до обраної вами операційної системи (наприклад, man-сторінки Linux, документація Windows API).