Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

В этой главе рассматриваются вопросы: что такое процесс в представлении операционной системы, каковы связанные с ним структуры данных, позволяющие UNIX осуществлять управление процессом, а также описывается жизненный цикл процесса — от его создания до прекращения выполнения.

Процессы в UNIX неотъемлемо связаны с двумя важнейшими ресурсами системы — процессором (или процессорами) и оперативной памятью. Как правило, этих ресурсов никогда не бывает "много", и в операционной системе происходит активная конкурентная борьба за право обладания процессором и памятью. Мы рассмотрим принципы организации и управления памятью, т.к. даже при самом умеренном объеме физической памяти адресное пространство процесса составляет несколько гигабайт! Мы также подробно остановимся на том, как операционная система планирует выполнение процессов — ведь в каждый момент времени в однопроцессорной системе UNIX может выполняться не более одного процесса. UNIX является многозадачной системой общего назначения, поэтому задача справедливого распределения этого ресурса между задачами различного класса и с различными требованиями является нетривиальной.

Мы познакомимся с тем, как создаются новые процессы и запускаются новые программы (из предыдущих глав вы помните, что это не одно и то же). По существу процесс является "рамкой", в которую необходимо вставить "картину" или "фотографию" — некоторую прикладную программу. В этой главе рассматриваются важные этапы жизни процесса, такие как сон и пробуждение, переключение контекста, связанного со сменой задачи, и завершение его выполнения.

Последние разделы главы посвящены взаимодействию между процессами. Хотя основной задачей операционной системы является изоляция отдельного процесса от остальных, время от времени процессам все же требуется обмениваться данными. Для этого UNIX предлагает широкий спектр средств — от элементарного механизма сигналов до сложных подсистем межпроцессного взаимодействия — IPC UNIX System V и сокетов BSD.

Основы управления процессом

Уже говорилось, что процесс UNIX представляет собой исполняемый образ программы, включающий отображение в памяти исполняемого файла, полученного в результате компиляции, стек, код и данные библиотек, а также ряд структур данных ядра, необходимых для управления процессом. На рис. 3.1 схематически представлены компоненты, необходимые для создания и выполнения процесса.

Рис. 3.1. Инфраструктура процесса операционной системы UNIX

Процесс во время выполнения использует различные системные ресурсы — память, процессор, услуги файловой подсистемы и подсистемы ввода/вывода. Операционная система UNIX обеспечивает иллюзию одновременного выполнения нескольких процессов, эффективно распределяя системные ресурсы между активными процессами и не позволяя в то же время ни одному из них монополизировать использование этих ресурсов.

Новорожденная операционная система UNIX обеспечивала выполнение всего двух процессов, по одному на каждый подключенный к PDP-7 терминал. Спустя год, на той же PDP-7 число процессов заметно увеличилось, появился системный вызов fork(2). В Первой редакции UNIX появился вызов exec(2), но операционная система по-прежнему позволяла размещать в памяти только один процесс в каждый момент времени. После реализации аппаратной подсистемы управления памятью на операционная система была модифицирована, что позволило загружать в память сразу несколько процессов, уменьшая тем самым время на сохранение образа процесса во вторичной памяти (на диске) и считывание его, когда процесс продолжал выполнение. Однако до 1972 года UNIX нельзя было назвать действительно многозадачной системой, т.к. операции ввода/вывода оставались синхронными, и другие процессы не могли выполняться, пока их "коллега" не завершал операцию ввода/вывода достаточно продолжительную). Истинная многозадачность появилась только после того, как код UNIX был переписан на языке С в 1973 году. С тех пор основы управления процессами практически не изменились.

Выполнение процесса может происходить в двух режимах — в режиме ядра (kernel mode) или в режиме задачи (user mode). В режиме задачи процесс выполняет инструкции прикладной программы, допустимые на непривилегированном уровне защиты процессора. При этом процессу недоступны системные структуры данных. Когда процессу требуется получение каких- либо услуг ядра, он делает системный вызов, который выполняет инструкции ядра, находящиеся на привилегированном уровне. Несмотря на то что выполняются инструкции ядра, это происходит от имени процесса, сделавшего системный вызов. Выполнение процесса при этом переходит в режим ядра. Таким образом ядро системы защищает собственное адресное пространство от доступа прикладного процесса, который может нарушить целостность структур данных ядра и привести к разрушению операционной системы. Более того, часть процессорных инструкций, например, изменение регистров, связанных с управлением памятью, могут быть выполнены только в режиме ядра.

Соответственно и образ процесса состоит из двух частей: данных режима ядра и режима задачи. Образ процесса в режиме задачи состоит из сегмента кода, данных, стека, библиотек и других структур данных, к которым он может получить непосредственный доступ. Образ процесса в режиме ядра состоит из структур данных, недоступных процессу в режиме задачи, которые используются ядром для управления процессом. Сюда относятся данные, диктуемые аппаратным уровнем, например состояния регистров, таблицы для отображения памяти и т.д., а также структуры данных, необходимые ядру для обслуживания процесса. Вообще говоря, в режиме ядра процесс имеет доступ к любой области памяти.

Структуры данных процесса

Каждый процесс представлен в системе двумя основными структурами данных — proc и user, описанными, соответственно, в файлах <sys/proc.h> и <sys/user.h>. Содержимое и формат этих структур различны для разных версий UNIX. В табл. 3.1 приведены некоторые поля структуры proc в SCO UNIX, позволяющие проиллюстрировать информацию, необходимую ядру, для управления процессом.

Таблица 3.1. Структура proc

char p_stat Состояние процесса (выполнение, приостановлен, сон и т.д.) char p_pri Текущий приоритет процесса unsigned int p_flag Флаги, определяющие дополнительную информацию о состоянии процесса unsigned short p_uid UID процесса unsigned short p_suid EUID процесса int p_sid Идентификатор сеанса short p_pgrp Идентификатор группы процессов (равен идентификатору лидера группы) short p_pid Идентификатор процесса (PID) short p_ppid Идентификатор родительского процесса (PPID) sigset_t p_sig Сигналы, ожидающие доставки unsigned int p_size Размер адресного пространства процесса в страницах time_t p_utime Время выполнения в режиме задачи time_t p_stime Время выполнения в режиме ядра caddr_t p_ldt Указатель на LDT процесса struct pregion *p_region Список областей памяти процесса short p_xstat Код возврата, передаваемый родительскому процессу unsigned int p_utbl[] Массив записей таблицы страниц для u-area

В любой момент времени данные структур proc для всех процессов должны присутствовать в памяти, хотя остальные структуры данных, включая образ процесса, могут быть перемещены во вторичную память, — область свопинга. Это позволяет ядру иметь под рукой минимальную информацию, необходимую для определения местонахождения остальных данных, относящихся к процессу, даже если они отсутствуют в памяти.