Процессы и потоки, диспетчер задач windows, синхронизация потоков.
В этой статье мы поговорим на такие темы, как процессы и потоки, дискрипторы процесса, поговорим о синзронизации потоков и затронем всеми любимый диспетчер задач windows.
На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состояние операционной среды отображается состоянием регистров и программного счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т.д. Эта информация называется контекстом процесса.
Для того чтобы ОС могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится дескриптор процесса.
Дескриптор – специальная информационная структура, которая заводится на каждый процесс (описатель задачи, блок управления задачей).
В общем случае дескриптор содержит следующую информацию:
- Идентификатор процесса.
- Тип (или класс) процесса, который определяет для супервизора некоторые правила предоставления ресурсов.
- Приоритет процесса.
- Переменную состояния, которая определяет, в каком состоянии находится процесс (готов к работе, в состоянии выполнения, ожидание устройства ввода-вывода и т.д.)
- Защищенную область памяти (или адрес такой зоны), в которой хранятся текущие значения регистров процессора, если процесс прерывается, не закончив работы. Эта информация называется контекстом задачи.
- Информацию о ресурсах, которыми процесс владеет и/или имеет право пользоваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных операциях ввода/вывода и т.п.).
- Место (или его адрес) для организации общения с другими процессами.
- Параметры времени запуска (момент времени, когда процесс должен активизироваться, и периодичность этой процедуры).
- В случае отсутствия системы управления файлами – адрес задачи на диске в ее исходном состоянии и адрес на диске, куда она выгружается из оперативной памяти, если ее вытесняет другая.
Дескриптор процесса по сравнению с контекстом содержит более оперативную информацию, которая должна быть легко доступна подсистеме планирования процессов. Контекст процесса содержит менее актуальную информацию и используется операционной системой только после того, как принято решение о возобновлении прерванного процесса.
Дескрипторы, как правило, постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу супервизора, который организует их в списки (очереди) и отображает изменение состояния процесса перемещением соответствующего описателя из одного списка в другой.
Для каждого состояния (за исключением состояния выполнения для однопроцессорной системы) ОС ведет соответствующий список задач, находящийся в этом состоянии. Однако для состояния ожидания может быть не один список, а столько, сколько различных видов ресурсов могут вызывать состояние ожидания.
Например, состояний ожидания завершения операции ввода/вывода может быть столько, сколько устройств ввода/вывода содержится в системе.
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.
Диспетчер задач WINDOWS
В диспетчере задач отображаются сведения о программах и процессах, выполняемых на компьютере. Кроме того, там можно просмотреть наиболее часто используемые показатели быстродействия процессов.
Диспетчер задач служит для отображения ключевых показателей быстродействия компьютера. Для выполняемых программ можно просмотреть их состояние и завершить программы, переставшие отвечать на запросы. Имеется возможность просмотра активности выполняющихся процессов с использованием до 15 параметров, а также графиков и сведений об использовании ЦП и памяти.
Кроме того, если имеется подключение к сети, можно просматривать состояние сети и параметры ее работы. Если к компьютеру подключились несколько пользователей, можно увидеть их имена, какие задачи они выполняют, а также отправить им сообщение.
На вкладке Процессы отображаются сведения о выполняющихся на компьютере процессах: сведения об использовании ЦП и памяти, счетчике процессов и некоторые другие параметры:
Синхронизация потоков и процессов заключается в согласовании их скоростей путем приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации при наступлении этого события.
Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может привести к неправильному решению задачи или даже к краху системы.
Пример. Задача ведения базы данных клиентов некоторого предприятия.
Каждому клиенту отводится отдельная запись в базе данных, в которой имеются поля Заказ и Оплата. Программа, ведущая базу данных, оформлена как единый процесс, имеющий несколько потоков, в том числе:
- Поток А, который заносит в базу данных информацию о заказах, поступивших от клиентов.
- Поток В, который фиксирует в базе данных сведения об оплате клиентами выставленных счетов.
Оба эти потока совместно работают над общим файлом базы данных, используя однотипные алгоритмы:
- Считать из файла БД в буфер запись и клиенте с заданным идентификатором.
- Ввести новое значение в поле Заказ (для потока А) или оплата (для потока В).
- Вернуть модифицированную запись в файл БД.
Обозначим шаги 1-3 для потока А как А1-А3, а для потока В как В1-В3. Предположим, что в некоторый момент поток А обновляет поле Заказ записи о клиенте N. Для этого он считывает эту запись в свой буфер (шаг А1), модифицирует значение поля Заказ (шаг А2), но внести запись в базу данных не успевает, так как его выполнение прерывается, например, вследствие истечение кванта времени.
Предположим, что потоку В также потребовалось внести сведения об оплате относительно того же клиента N. Когда подходит очередь потока В, он успевает считать запись в свой буфер (шаг В1) и выполнить обновление поля Оплата (шаг В2), а затем прерывается. Заметим, что в буфере у потока В находится запись о клиенте N, в которой поле Заказ имеет прежнее, не измененное значение.
Важным понятием синхронизации процессов является понятие «критическая секция» программы. Критическая секция — это часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент в критической секции, связанной с этим ресурсом, находился максимум один процесс. Этот прием называют взаимным исключением.
Простейший способ обеспечить взаимное исключение — позволить процессу, находящемуся в критической секции, запрещать все прерывания. Однако этот способ непригоден, так как опасно доверять управление системой пользовательскому процессу; он может надолго занять процессор, а при крахе процесса в критической области крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.
Другим способом является использование блокирующих переменных. С каждым разделяемым ресурсом связывается двоичная переменная, которая принимает значение 1, если ресурс свободен (то есть ни один процесс не находится в данный момент в критической секции, связанной с данным процессом), и значение 0, если ресурс занят. На рисунке ниже показан фрагмент алгоритма процесса, использующего для реализации взаимного исключения доступа к разделяемому ресурсу D блокирующую переменную F(D). Перед входом в критическую секцию процесс проверяет, свободен ли ресурс D. Если он занят, то проверка циклически повторяется, если свободен, то значение переменной F(D) устанавливается в 0, и процесс входит в критическую секцию. После того, как процесс выполнит все действия с разделяемым ресурсом D, значение переменной F(D) снова устанавливается равным 1.
Если все процессы написаны с использованием вышеописанных соглашений, то взаимное исключение гарантируется. Следует заметить, что операция проверки и установки блокирующей переменной должна быть неделимой. Поясняется это следующим образом. Пусть в результате проверки переменной процесс определил, что ресурс свободен, но сразу после этого, не успев установить переменную в 0, был прерван. За время его приостановки другой процесс занял ресурс, вошел в свою критическую секцию, но также был прерван, не завершив работы с разделяемым ресурсом. Когда управление было возвращено первому процессу, он, считая ресурс свободным, установил признак занятости и начал выполнять свою критическую секцию. Таким образом, был нарушен принцип взаимного исключения, что потенциально может привести к нежелаемым последствиям. Во избежание таких ситуаций в системе команд машины желательно иметь единую команду «проверка-установка», или же реализовывать системными средствами соответствующие программные примитивы, которые бы запрещали прерывания на протяжении всей операции проверки и установки.
Реализация критических секций с использованием блокирующих переменных имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один процесс находится в критической секции, другой процесс, которому требуется тот же ресурс, будет выполнять рутинные действия по опросу блокирующей переменной, бесполезно тратя процессорное время. Для устранения таких ситуаций может быть использован так называемый аппарат событий. С помощью этого средства могут решаться не только проблемы взаимного исключения, но и более общие задачи синхронизации процессов. В разных операционных системах аппарат событий реализуется по-своему, но в любом случае используются системные функции аналогичного назначения, которые условно называются WAIT(x) и POST(x), где x — идентификатор некоторого события.
Если ресурс занят, то процесс не выполняет циклический опрос, а вызывает системную функцию WAIT(D), здесь D обозначает событие, заключающееся в освобождении ресурса D. Функция WAIT(D) переводит активный процесс в состояние ОЖИДАНИЕ и делает отметку в его дескрипторе о том, что процесс ожидает события D. Процесс, который в это время использует ресурс D, после выхода из критической секции выполняет системную функцию POST(D), в результате чего операционная система просматривает очередь ожидающих процессов и переводит процесс, ожидающий события D, в состояние ГОТОВНОСТЬ.
Обобщающее средство синхронизации процессов предложил Дейкстра, который ввел два новых примитива. В абстрактной форме эти примитивы, обозначаемые P и V, оперируют над целыми неотрицательными переменными, называемыми семафорами. Пусть S такой семафор. Операции определяются следующим образом:
V(S): переменная S увеличивается на 1 одним неделимым действием; выборка, инкремент и запоминание не могут быть прерваны, и к S нет доступа другим процессам во время выполнения этой операции.
P(S): уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0, то невозможно уменьшить S и остаться в области целых неотрицательных значений, в этом случае процесс, вызывающий P-операцию, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также является неделимой операцией.
В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную. Операция P заключает в себе потенциальную возможность перехода процесса, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как V-операция может при некоторых обстоятельствах активизировать другой процесс, приостановленный операцией P.
Взаимоблокировка процессов
При организации параллельного выполнения нескольких процессов одной из главных функций ОС является корректное распределение ресурсов между выполняющимися процессами и обеспечение процессов средствами взаимной синхронизации и обмена данными.
При параллельном исполнении процессов могут возникать ситуации, при которых два или более процесса все время находятся в заблокированном состоянии. Самый простой случай – когда каждый из двух процессов ожидает ресурс, занятый другим процессом. Из-за такого ожидания ни один из процессов не может продолжить исполнение и освободить в конечном итоге ресурс, необходимый другому процессу. Эта тупиковая ситуация называется дедлоком (dead lock), тупиком, клинчем или взаимоблокировкой.
Говорят, что в мультизадачной системе процесс находится в состоянии тупика, если он ждет события, которое никогда не произойдет.
Тупиковые ситуации надо отличать от простых очередей, хотя и те и другие возникают при совместном использовании ресурсов и внешне выглядят похоже: процесс приостанавливается и ждет освобождения ресурса. Однако очередь — это нормальное явление, неотъемлемый признак высокого коэффициента использования ресурсов при случайном поступлении запросов. Она возникает тогда, когда ресурс недоступен в данный момент, но через некоторое время он освобождается, и процесс продолжает свое выполнение. Тупик же является в некотором роде неразрешимой ситуацией.
Проблема тупиков включает в себя следующие задачи:
- предотвращение тупиков.
- распознавание тупиков.
- восстановление системы после тупиков.
Тупики могут быть предотвращены на стадии написания программ, то есть программы должны быть написаны таким образом, чтобы тупик не мог возникнуть ни при каком соотношении взаимных скоростей процессов. Так, если бы в предыдущем примере процесс А и процесс В запрашивали ресурсы в одинаковой последовательности, то тупик был бы в принципе невозможен. Второй подход к предотвращению тупиков называется динамическим и заключается в использовании определенных правил при назначении ресурсов процессам, например, ресурсы могут выделяться в определенной последовательности, общей для всех процессов.
В некоторых случаях, когда тупиковая ситуация образована многими процессами, использующими много ресурсов, распознавание тупика является нетривиальной задачей. Существуют формальные, программно-реализованные методы распознавания тупиков, основанные на ведении таблиц распределения ресурсов и таблиц запросов к занятым ресурсам. Анализ этих таблиц позволяет обнаружить взаимные блокировки.
Если же тупиковая ситуация возникла, то не обязательно снимать с выполнения все заблокированные процессы. Можно снять только часть из них, при этом освобождаются ресурсы, ожидаемые остальными процессами, можно вернуть некоторые процессы в область свопинга, можно совершить «откат» некоторых процессов до так называемой контрольной точки, в которой запоминается вся информация, необходимая для восстановления выполнения программы с данного места. Контрольные точки расставляются в программе в местах, после которых возможно возникновение тупика.
