Планирование процессов и потоков

Во  многих системах поток может обратиться к ОС с запросом на создание так  называемых потоков-потомков. В разных ОС по-разному строятся отношения  между потоками-потомками и их родителями. Например, в одних ОС выполнение родительского потока синхронизируется с его потомками, в частности после завершения родительского потока ОС может снимать с выполнения всех его потомков. В других системах потоки-потомки могут выполняться асинхронно по отношению к родительскому потоку. Потомки, как правило, наследуют многие свойства родительских потоков. Во многих системах порождение потомков является основным механизмом создания процессов и потоков.

Рассмотрим  в качестве примера создание процессов  в популярной версии операционной системы UNIX System V Release 4. В этой системе потоки не поддерживаются, в качестве единицы управления и единицы потребления ресурсов выступает процесс.

При управлении процессами операционная система  использует два основных типа информационных структур: дескриптор процесса и контекст процесса. Дескриптор процесса содержит такую информацию о процессе, которая  необходима ядру в течение всего  жизненного цикла процесса независимо от того, находится он в активном или пассивном состоянии, находится  образ процесса в оперативной  памяти или выгружен на диск. (Образом  процесса называется совокупность его  кодов и данных.)

Дескрипторы отдельных процессов объединены в список, образующий таблицу процессов. Память для таблицы процессов  отводится динамически в области  ядра. На основании информации, содержащейся в таблице процессов, операционная система осуществляет планирование и синхронизацию процессов. В  дескрипторе прямо или косвенно (через указатели, на связанные с  процессом структуры) содержится информация о состоянии процесса, о расположении образа процесса в оперативной памяти и на диске, о значении отдельных  составляющих приоритета, а также  о его итоговом значении — глобальном приоритете, об идентификаторе пользователя, создавшего процесс, о родственных  процессах, о событиях, осуществления  которых ожидает данный процесс, и некоторая другая информация.

Контекст  процесса содержит менее оперативную, но более объемную часть информации о процессе, необходимую для возобновления  выполнения процесса с прерванного  места: содержимое регистров процессора, коды ошибок выполняемых процессором  системных вызовов, информация обо  всех открытых данным процессом файлах и незавершенных операциях ввода-вывода и другие данные, характеризующие  состояние вычислительной среды  в момент прерывания. Контекст, так  же как и дескриптор процесса, доступен только программам ядра, то есть находится  в виртуальном адресном пространстве операционной системы, однако он хранится не в области ядра, а непосредственно  примыкает к образу процесса и  перемещается вместе с ним, если это  необходимо, из оперативной памяти на диск.

Порождение  процессов в системе UNIX происходит в результате выполнения системного вызова fork. ОС строит образ порожденного процесса являющийся точной копией образа породившего процесса, то есть дублируются дескриптор, контекст и образ процесса. Сегмент данных и сегмент стека родительского процесса копируются на новое место, образуя сегменты данных и стека процесса-потомка. Процедурный сегмент копируется только тогда, когда он не является разделяемым. В противном случае процесс-потомок становится еще одним процессом, разделяющим данный процедурный сегмент.

После выполнения системного вызова fork оба процесса продолжают выполнение с одной и той же точки. Чтобы процесс мог опознать, является он родительским процессом или процессом-потомком, системный вызов fork возвращает в качестве своего значения в породивший процесс идентификатор порожденного процесса, а в порожденный процесс — NULL. Типичное разветвление на языке С записывается так:

if( -fork() ) { действия родительского процесса }

else { действия порожденного процесса }

Идентификатор потомка может  быть присвоен переменной, входящей в  контекст родительского процесса. Так  как контекст процесса наследуется  его потомками, то потомки могут  узнать идентификаторы своих «старших братьев», таким образом сумма  знаний наследуется при порождении и может быть распространена между  родственными процессами. На независимости  идентификатора процесса от выполняемой  процессом программы построен механизм, позволяющий процессу перейти к  выполнению другой программы с помощью  системного вызова ехес.

Таким образом, в UNIX порождение нового процесса происходит в два  этапа — сначала создается  копия процесса-родителя, затем у  нового процесса производится замена кодового сегмента на заданный.

Вновь созданному процессу операционная система присваивает  целочисленный идентификатор, уникальный на весь период функционирования системы.

Планирование и диспетчеризация  потоков

На протяжении существования  процесса выполнение его потоков  может быть многократно прервано и продолжено. (В системе, не поддерживающей потоки, все сказанное ниже о планировании и диспетчеризации относится  к процессу в целом.)

Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации. Работа по определению того, в какой  момент необходимо прервать выполнение текущего активного потока и какому потоку предоставить возможность выполняться, называется планированием. Планирование потоков осуществляется на основе информации, хранящейся в описателях процессов  и потоков. При планировании могут  приниматься во внимание приоритет  потоков, время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения, интенсивность  обращений к вводу-выводу и другие факторы. ОС планирует выполнение потоков  независимо от того, принадлежат ли они одному или разным процессам. Так, например, после выполнения потока некоторого процесса ОС может выбрать  для выполнения другой поток того же процесса или же назначить к  выполнению поток другого процесса.

Планирование потоков, по существу, включает в себя решение  двух задач:  

• определение момента времени для смены текущего активного потока;  
• выбор для выполнения потока из очереди готовых потоков.

Существует множество  различных алгоритмов планирования потоков, по-своему решающих каждую из приведенных выше задач. Алгоритмы  планирования могут преследовать различные  цели и обеспечивать разное качество мультипрограммирования. Например, в  одном случае выбирается такой алгоритм планирования, при котором гарантируется, что ни один поток/процесс не будет  занимать процессор дольше определенного  времени, в другом случае целью является максимально быстрое выполнение «коротких» задач, а в третьем  случае — преимущественное право  занять процессор получают потоки интерактивных  приложений. Именно особенности реализации планирования потоков в наибольшей степени определяют специфику операционной системы, в частности, является ли она  системой пакетной обработки, системой разделения времени или системой реального времени.

В большинстве операционных систем универсального назначения планирование осуществляется динамически (on-line), то есть решения принимаются во время работы системы на основе анализа текущей ситуации. ОС работает в условиях неопределенности — потоки и процессы появляются в случайные моменты времени и также непредсказуемо завершаются. Динамические планировщики могут гибко приспосабливаться к изменяющейся ситуации и не используют никаких предположений о мультипрограммной смеси. Для того чтобы оперативно найти в условиях такой неопределенности оптимальный в некотором смысле порядок выполнения задач, операционная система должна затрачивать значительные усилия.

Другой тип планирования — статический — может быть использован в специализированных системах, в которых весь набор  одновременно выполняемых задач  определен заранее, например в системах реального времени. Планировщик  называется статическим (или предварительным  планировщиком), если он принимает решения  о планировании не во время работы системы, а заранее (off-line). Соотношение между динамическим и статическим планировщиками аналогично соотношению между диспетчером железной дороги, который пропускает поезда строго по предварительно составленному расписанию, и регулировщиком на перекрестке автомобильных дорог, не оснащенном светофорами, который решает, какую машину остановить, а какую пропустить, в зависимости от ситуации на перекрестке.

Результатом работы статического планировщика является таблица, называемая расписанием, в которой указывается, какому потоку/процессу, когда и  на какое время должен быть предоставлен процессор. Для построения расписания планировщику нужны как можно  более полные предварительные знания о характеристиках набора задач, например о максимальном времени  выполнения каждой задачи, ограничениях предшествования, ограничениях по взаимному  исключению, предельным срокам и т. д.

После того как расписание готово, оно может использоваться операционной системой для переключения потоков и процессов. При этом накладные расходы ОС на исполнение расписания оказываются значительно  меньшими, чем при динамическом планировании, и сводятся лишь к диспетчеризации  потоков/процессов.

Диспетчеризация заключается  в реализации найденного в результате планирования (динамического или  статистического) решения, то есть в  переключении процессора с одного потока на другой. Прежде чем прервать выполнение потока, ОС запоминает его контекст, с тем чтобы впоследствии использовать эту информацию для последующего возобновления выполнения данного  потока. Контекст отражает, во-первых, состояние аппаратуры компьютера в  момент прерывания потока: значение счетчика команд, содержимое регистров общего назначения, режим работы процессора, флаги, маски прерываний и другие параметры. Во-вторых, контекст включает параметры операционной среды, а  именно ссылки на открытые файлы, данные о незавершенных операциях ввода-вывода, коды ошибок выполняемых данным потоком  системных вызовов и т. д.

Диспетчеризация сводится к  следующему: 

• сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить; 
• загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования; 
• запуск нового потока на выполнение.

Поскольку операция переключения контекстов существенно влияет на производительность вычислительной системы, программные  модули ОС выполняют диспетчеризацию  потоков совместно с аппаратными  средствами процессора.