Понятие процесса. Подсистема операционной системы управления процессами. Состояния процесса. Контекст и дескриптор процесса

15) Управление процессами в ОС

Процесс – это выполнение программы, которая выполняет действия, указанные в этой программе. Его можно определить как исполнительный модуль, в котором выполняется программа. ОС помогает вам создавать, планировать и завершать процессы, используемые процессором. Процесс, созданный основным процессом, называется дочерним процессом.

Процессами можно легко управлять с помощью печатной платы (блок управления процессом). Вы можете рассматривать его как мозг процесса, который содержит всю важную информацию, связанную с обработкой, такую ​​как идентификатор процесса, приоритет, состояние, регистры процессора и т. Д.

Из этого руководства по операционной системе вы узнаете:

Состояния процесса (потока).

В многозадачной системе выделяют три основных состояний процесса:

1) выполнение – активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

2) ожидание – пассивное состояние процесса, процесс заблокирован и ждет осуществления некоторого события (например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса);

3) готовность – пассивное состояние процесса, при котором процесс блокируется в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: т.е. процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе.

Потоки

На центральном процессоре обрабатываются не сами процессы, а программные потоки. Каждый поток, это код загруженный программой. Программа может работать в одном потоке или создавать несколько. Если программа работает в несколько потоков, то она может выполняться на разных ядрах процессора. Посмотреть на потоки можно с помощью программы Process Explorer.

• два стека: для режима ядра и для пользовательского режима;
• локальную памятью потока (TLS, Thread-Local Storage);
• уникальный идентификатор потока (TID, Thread ID).

Приложение может создать дополнительный поток, например, когда у приложения есть графический интерфейс, который работает в одном потоке и ожидает от пользователя ввода каких-то данных, а второй поток в это время занимается обработкой других данных.

Изучение активности потока важно, если вам нужно разобраться, почему тот или иной процесс перестал реагировать, а в процессе выполняется большое число потоков. Потоков может быть много в следующих процессах:

• svchost.exe — главный процесс для служб Windows.
• dllhost.exe — отвечает за обработку приложений, использующих динамически подключаемые библиотеки. Также отвечает за COM и .NET. И ещё управляет процессами IIS.
• lsass.exe — отвечает за авторизацию локальных пользователей, попросту говоря без него вход в систему для локальных пользователей будет невозможен.

Состояние процесса

Теперь, когда у нас есть некоторое понимание, что такое процесс и как он создается, перечислим состояния процесса, в которых он может находиться. В самой простой форме процесс может находиться в одном из этих состояний:
● Running. В запущенном состоянии процесс выполняется на процессоре. Это значит, что происходит выполнение инструкций.
● Ready. В состоянии готовности процесс готов запуститься, но по каким-то причинам ОС не исполняет его в заданный момент времени.
● Blocked. В заблокированном состоянии процесс выполняет какие-то операции, которые не дают ему быть готовым к исполнению до тех пор, пока не произойдет какое-либо событие. Один из обычных примеров — когда процесс инициализирует операцию IO, он становится заблокированным и таким образом какой-то другой процесс может использовать процессор.

Представить себе эти состояния можно в виде графа. Как мы можем видеть на картинке, состояние процесса может меняться между RUNNING и READY на усмотрение ОС. Когда состояние процесса меняется с READY, на RUNNING это означает, что процесс был запланирован. В обратную сторону — снят с планировки. В момент, когда процесс становится BLOCKED, например, инициализирую операцию IO, ОС будет держать его в этом состоянии до наступления некоторого события, например завершение IO. в этот момент переход в состояние READY и возможно моментально в состояние RUNNING, если так решит ОС.
Давайте взглянем на пример того, как два процесса проходят через эти состояния. Для начала представим, что оба процесса запущены, и каждый использует только CPU. В этом случае, их состояния будут выглядеть следующим образом.

В следующем примере первый процесс через некоторое время работы запрашивает IO и переходит в состояние BLOCKED, предоставляя другому процессу возможность запуска (РИС 1.4). ОС видит, что процесс 0 не использует CPU и запускает процесс 1. Во время выполнения процесса 1 — IO завершается и статус процесса 0 меняется на READY. Наконец процесс 1 завершился, а по его окончание процесс 0 запускается, исполняется и заканчивает свою работу.

Процессы и потоки

Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить и оформить для себя те внутренне единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В настоящее время в большинстве ОС определены два типа единиц работы:

• Процесс (более крупная единица работы).
• Поток (нить или тред) – более мелкая единица работы, которую требует для своего выполнения процесс.
• Когда говорят о процессах, то тем самым хотят отметить, что ОС поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы – файлы, окна и др. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы вычислительной системы, конкурируют друг с другом.

В общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принадлежать даже различным пользователям, разделяющим одну вычислительную систему. Другими словами, в случае процессов ОС считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно ОС отвечает за конкуренцию между процессами по поводу ресурсов.

Для повышения быстродействия процессов есть возможность задействовать внутренний параллелизм в самих процессах.

Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего исполнения достаточно длительного использования ЦП. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при обработке больших изображений в графических редакторах. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (потоков), которые будут выполняться параллельно с другими «подпроцессами», то у пользователя появляется возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса).

Можно выделить следующие отличия потоков от процессов:

• ОС для потоков не должна организовывать полноценную виртуальную машину.
• Потоки не имеют своих собственных ресурсов, они развиваются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, что и данный процесс.
• Единственное, что потокам необходимо иметь, — это процессорный ресурс. В однопроцессорной системе потоки разделяют между собой процессорное время так же, как это делают обычные процессы, а в многопроцессорной системе могут выполняться одновременно, если не встречают конкуренции из-за обращения к иным ресурсам.

Главное, что обеспечивает многопоточность, — это возможность параллельно выполнять несколько видов операций в одной прикладной программе. За счет чего реализуется эффективное использование ресурсов ЦП, а суммарное время выполнения задач становится меньше.

Например, если табличный процессор или текстовый процессор были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа или слияние нескольких документов и одновременно продолжать заполнять таблицу или открывать для редактирования следующий документ.

Что такое процесс?

Процесс состоит из:

• исполняемой программы (код и данные);
• закрытого адресного пространства(address space), т.е. набора адресов виртуальной памяти, который процесс может использовать;
• системных ресурсов, выделяемых ОС процессу во время выполнения программы (семафоров, файлов и т.д.);
• по крайней мере, одного потока управления(thread of execution). Поток – это сущность внутри процесса, которую ядро NT направляет на исполнение. Без него программа процесса не может выполняться.

Адресное пространство

С помощью системы виртуальной памяти (virtual memory) программисты (и создаваемые ими процессы) получают логический образ памяти, который не совпадает с ее физической структурой (см. Рис. 1 Виртуальная и физическая память).

При всяком обращении процесса по виртуальному адресу система виртуальной памяти транслирует этот адрес в физический адрес. Она также предотвращает непосредственный доступ процесса к виртуальной памяти, занятой другими процессами или ОС. Для исполнения кода ОС или доступа к памяти ОС поток должен выполняться в режиме ядра (kernel mode). Большинство процессов – это процессы пользовательского режима (user mode).

Поток пользовательского режима получает доступ к ОС, вызывая некоторый системный сервис. Когда поток вызывает сервис, происходит переключение из пользовательского режима в режим ядра. ОС проверяет аргументы, переданные сервису, после чего исполняет сервис. Перед возвратом управления пользовательской программе ОС переключает поток обратно в пользовательский режим.

Системные ресурсы

Кроме закрытого адресного пространства, с каждым процессом связан набор системных ресурсов.

Маркер доступа (Access Token) присоединяет к процессу ОС. Это объект исполнительной системы, который содержит информацию о правах зарегистрированного в системе пользователя, которого представляет данный процесс. Если процессу требуется получить информацию о своем маркере доступа или изменить некоторые атрибуты маркера, он должен открыть описатель своего объекта-маркера. Подсистема защиты определяет, есть ли у объекта такое право.

Ниже маркера доступа расположен набор структур данных, созданный диспетчером виртуальной памяти для отслеживания виртуальных адресов, используемых процессом.

Таблица объектов показана внизу. Процесс открыл описатели потока, файла и секции совместно используемой памяти. Описание виртуального адресного пространства содержит информацию о виртуальных адресах, занятых стеком потока и объектом-секцией.

Объект-процесс

Каждый процесс в Windows NT представлен блоком процесса, создаваемым исполнительной системой (EPROCESS). В блоке EPROCESS содержатся атрибуты процесса и указатели на некоторые структуры данных. Так, у каждого процесса есть один или более потоков, представляемых блоками потоков исполнительной системы (ETHREAD). Блок EPROCESS и связанные с ним структуры данных хранятся в системном пространстве. Исключение составляет только блок переменных окружения процесса (process environment block, PEB), он находится в адресном пространстве процесса (см. Рис. 3 Блоки переменных окружения процесса (PEB) и потока (TEB)).

В исполнительной системе процессы – это объекты исполнительной системы, создаваемые и уничтожаемые диспетчером объектов. Объект-процесс, как и другие объекты, содержит заголовок, создаваемый и инициализируемый диспетчером объектов. В заголовке хранятся стандартные атрибуты объекта, такие как дескриптор защиты объекта, имя и каталог объектов, в котором хранится имя, если оно есть.

Диспетчер процессов определяет атрибуты, хранящиеся в теле объектов-процессов, а также предоставляет системные сервисы для чтения и изменения этих атрибутов. Атрибуты и сервисы для объектов-процессов показаны на Рис. 4 Блоки процесса исполнительной системы (EPROCESS) и ядра (KPROCESS). Объект процесс исполнительной системы включает объект процесс ядра (содержит указатель на объект процесс ядра). Ядро управляет объектом процесс ядра, а исполнительная система управляет объектом исполнительной системы.

Мы рассматриваем основные атрибуты этих объектов по отдельности, для того чтобы лучше понять какие задачи решаются ядром, а какие исполнительной системой. При выполнении лабораторных работ эта детализация не существенна и надо будет использовать Win32 API функции для работы с объектом процесс исполнительной системы.

Рассмотрим основные атрибуты:

• идентификатор процесса – уникальное значение, идентифицирующее процесс в ОС;
• базовый приоритет — базовый приоритет потоков процесса;
• привязка к процессорам (процессорное сродство) – набор процессоров, на которых потоки процесса могут исполняться по умолчанию;
• размеры квот – максимальный объем резидентной и нерезидентной системной памяти, пространства в файле подкачки и процессорного времени, выделяемый пользовательскому процессу;
• статус завершения – причина завершения процесса.

Некоторые атрибуты объекта-процесса налагают ограничения на потоки, исполняемые внутри процесса. Например, на многопроцессорном компьютере процессорное сродство может ограничить исполнение потоков процесса только на заданных процессорах. Аналогично, размеры квот регулируют, сколько памяти, пространства в файле подкачки и процессорного времени могут использовать все потоки процесса вместе.

Базовый приоритет процесса помогает ядру NT регулировать приоритет потоков в системе. Приоритеты потоков изменяются, но всегда остаются в диапазоне базовых приоритетов их процессов.

Большинство сервисов объекта-процесса мы будем использовать при выполнении лабораторных работ. Например, сервис завершения процесса останавливает исполнение всех его потоков, закрывает все открытые описатели объектов и уничтожает виртуальное адресное пространство процесса.

Process Explorer

Process Explorer распространятся абсолютно бесплатно. Скачать можно с официального сайта Microsoft.

С помощью этой программы можно не только отследить какой-либо процесс, но и узнать, какие файлы и папки он использует. На экране отображаются два окна. Содержимое одного окна зависит от режима, в котором работает Process Explorer: режим дескриптора или режим DLL.

Во втором отображается список активных процессов с их иерархией. Можно посмотреть подробную информацию о каждом из них: владелец, занятая память, библиотеки, которые он использует.

Программа позволяет менять приоритеты процессов и определять, какое ядро процессора будет его выполнять.

Можно управлять потоками процессов: запускать их, останавливать или ставить на паузу. Также можно «заморозить» процесс. Process Explorer поможет распознать, к какому процессу относится запущенное окно на рабочем столе, что поможет быстро обнаружить вредоносные программы.