Процессы и потоки (нити)

Процессы и потоки (нити).

2.1 Процессы

2.1.1 Понятие процесса

Процесс (задача) - программа, находящаяся в режиме выполнения.

С каждым процессом связывается его адресное пространство, из которого он может читать и в которое он может писать данные.

Адресное пространство содержит:

• саму программу
• данные к программе
• стек программы

С каждым процессом связывается набор регистров, например:

• счетчика команд (в процессоре) - регистр в котором содержится адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того как команда выбрана из памяти, счетчик команд корректируется и указатель переходит к следующей команде.
• указатель стека
• и д.р.

Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, дополнительная к содержимому его собственного адресного пространства, хранится в таблице процессов операционной системы.

Некоторые поля таблицы:

2.1.2 Модель процесса

В многозадачной системе реальный процессор переключается с процесса на процесс, но для упрощения модели рассматривается набор процессов, идущих параллельно (псевдопараллельно).

Рассмотрим схему с четырьмя работающими программами.

В каждый момент времени активен только один процесс

С права представлены параллельно работающие процессы, каждый со своим счетчиком команд. Разумеется, на самом деле существует только один физический счетчик команд,  в который загружается логический счетчик команд текущего процесса. Когда время, отведенное текущему процессу, заканчивается, физический счетчик команд сохраняется в памяти, в логическом счетчике команд процесса.

2.1.3 Создание процесса

Три основных события, приводящие к созданию процессов (вызов fork или CreateProcess):

• Загрузка системы
• Работающий процесс подает системный вызов на создание процесса
• Запрос пользователя на создание процесса

Во всех случаях, активный текущий процесс посылает системный вызов на создание нового процесса.

В UNIX каждому процессу присваивается идентификатор процесса ( PID - Process IDentifier)

2.1.4 Завершение процесса

Четыре события, приводящие к остановке процесса (вызов exit или ExitProcess):

• Плановое завершение (окончание выполнения)
• Плановый выход по известной ошибке (например, отсутствие файла)
• Выход по неисправимой ошибке (ошибка в программе)
• Уничтожение другим процессом

Таким образом, приостановленный процесс состоит из собственного адресного пространства, обычно называемого образом памяти (core image), и компонентов таблицы процессов (в числе компонентов и его регистры).

2.1.5 Иерархия процессов

В UNIX системах заложена жесткая иерархия процессов. Каждый новый процесс созданный системным вызовом fork, является дочерним к предыдущему процессу. Дочернему процессу достаются от родительского переменные, регистры и т.п. После вызова fork, как только родительские данные скопированы, последующие изменения в одном из процессов не влияют на другой, но процессы помнят о том, кто является родительским.

В таком случае в UNIX существует и прародитель всех процессов - процесс init.

Дерево процессов для систем UNIX

В Windows не существует понятия иерархии процессов. Хотя можно задать специальный маркер родительскому процессу, позволяющий контролировать дочерний процесс.

2.1.6 Состояние процессов

Три состояния процесса:

• Выполнение (занимает процессор)
• Готовность (процесс временно приостановлен, чтобы позволить выполняться другому процессу)
• Ожидание (процесс не может быть запущен по своим внутренним причинам, например, ожидая операции ввода/вывода)

Возможные переходы между состояниями.

1. Процесс блокируется, ожидая входных данных

2. Планировщик выбирает другой процесс

3. Планировщик выбирает этот процесс

4. Поступили входные данные

Переходы 2 и 3 вызываются планировщиком процессов операционной системы, так что сами процессы даже не знают о этих переходах. С точки зрения самих процессов есть два состояния выполнения и ожидания.

На серверах для ускорения ответа на запрос клиента, часто загружают несколько процессов в режим ожидания, и как только сервер получит запрос, процесс переходит из "ожидания" в "выполнение". Этот переход выполняется намного быстрее, чем запуск нового процесса.

2.2 Потоки (нити, облегченный процесс)

2.2.1 Понятие потока

Каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный поток исполняемых команд. В многопользовательских системах, при каждом обращении к одному и тому же сервису, приходится создавать новый процесс для обслуживания клиента. Это менее выгодно, чем создать квазипараллельный поток внутри этого процесса с одним адресным пространством.

Сравнение многопоточной системы с однопоточной

2.2.2 Модель потока

С каждым потоком связывается:

• Счетчик выполнения команд
• Регистры для текущих переменных
• Стек
• Состояние

Потоки делят между собой элементы своего процесса:

• Адресное пространство
• Глобальные переменные
• Открытые файлы
• Таймеры
• Семафоры
• Статистическую информацию.

В остальном модель идентична модели процессов.

В POSIX и Windows есть поддержка потоков на уровне ядра.

В Linux есть новый системный вызов clone для создания потоков, отсутствующий во всех остальных версиях системы UNIX.

В POSIX есть новый системный вызов pthread_create для создания потоков.

В Windows есть новый системный вызов Createthread для создания потоков.

2.2.3 Преимущества использования потоков

1. Упрощение программы в некоторых случаях, за счет использования общего адресного пространства.
2. Быстрота создания потока, по сравнению с процессом, примерно в 100 раз.
3. Повышение производительности самой программы, т.к. есть возможность одновременно выполнять вычисления на процессоре и операцию ввода/вывода. Пример: текстовый редактор с тремя потоками может одновременно взаимодействовать с пользователем, форматировать текст и записывать на диск резервную копию.

2.2.4 Реализация потоков в пространстве пользователя, ядра и смешанное

А - потоки в пространстве пользователя

B - потоки в пространстве ядра

В случае А ядро о потоках ничего не знает. Каждому процессу необходима таблица потоков, аналогичная таблице процессов.

Преимущества случая А:

• Такую многопоточность можно реализовать на ядре не поддерживающим многопоточность
• Более быстрое переключение, создание и завершение потоков
• Процесс может иметь собственный алгоритм планирования.

Недостатки случая А:

• Отсутствие прерывания по таймеру внутри одного процесса
• При использовании блокирующего (процесс переводится в режим ожидания, например: чтение с клавиатуры, а данные не поступают) системного запроса все остальные потоки блокируются.
• Сложность реализации

Мультиплексирование потоков пользователя в потоках ядра

Поток ядра может содержать несколько несколько потоков пользователя.

2.2.5 Особенности реализации Windows

Используется четыре понятия:

• Задание - набор процессов с общими квотами и лимитами
• Процесс - контейнер ресурсов (память ...), содержит как минимум один поток.
• Поток - именно исполняемая часть, планируемая ядром.
• Волокно - облегченный поток, управляемый полностью в пространстве пользователя. Один поток может содержать несколько волокон.

Потоки работают в режиме пользователя, но при системных вызовах переключаются в режим ядра. Из-за переключения в режим ядра и обратно, очень замедляется работа системы. Поэтому было введено понятие волокна. У каждого потока может быть несколько волокон.