Межпроцесное взаимодействие

Процессом, по существу, называют программу в момент выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство — список адресов в памяти от некоторого минимума (обычно нуля) до некоторого максимума, которые процесс может прочесть и в которые он может писать.

Несмотря на то, что процесс является независимым объектом, со своим счетчиком команд и внутренним состоянием, существует необходимость взаимодействия с другими процессами. Например, выходные данные одного процесса могут служить входными данными для другого процесса.

Если процесс не в состоянии продолжать работу он блокируется. В первом случае приостановка выполнения является внутренней проблемой (поскольку невозможно обработать командную строку пользователя до того, как она была введена). Во втором случае проблема является технической (нехватка процессоров для каждого процесса). На рис. 2.2 представлена диаграмма состояний, показывающая три возможных состояния процесса:

1. Работающий (в этот конкретный момент использующий процессор).

2. Готовый к работе (процесс временно приостановлен, чтобы позволить выполняться другому процессу).

3. Заблокированный (процесс не может быть запущен прежде, чем произойдет некое внешнее событие).

Рис. 2.2. Процесс может находиться в рабочем, готовом и заблокированном состоянии.

Стрелками показаны возможные переходы между состояниями

С точки зрения логики первые два состояния одинаковы. В обоих случаях процесс может быть запущен, только во втором случае недоступен процессор. Третье состояние отличается тем, что запустить процесс невозможно, независимо от загруженности процессора.

Как показано на рис. 2.2, между этими тремя состояниями возможны четыре перехода. Переход 1 происходит, когда процесс обнаруживает, что продолжение работы невозможно. В некоторых системах процесс должен выполнить системный запрос, например block или pause, чтобы оказаться в заблокированном состоянии. В других системах, как в UNIX, процесс автоматически блокируется, если при считывании из канала или специального файла (предположим, терминала) входные данные не были обнаружены.

Переходы 2 и 3 вызываются частью операционной системы, называемой планировщиком процессов, так что сами процессы даже не знают о существовании этих переходов. Переход 2 происходит, если планировщик решил, что пора предоставить процессор следующему процессу. Переход 3 происходит, когда все остальные процессы уже исчерпали свое процессорное время, и процессор снова возвращается к первому процессу. Вопрос планирования (когда следует запустить очередной процесс и на какое время) сам по себе достаточно важен, и мы вернемся к нему позже в этой главе. Было разработано множество алгоритмов с целью сбалансировать требования эффективности для системы в целом и для каждого процесса в отдельности. Мы также рассмотрим некоторые из них ниже в этой главе.

Переход 4 происходит с появлением внешнего события, ожидавшегося процессом (например, прибытие входных данных). Если в этот момент не запущен какой-либо другой процесс, то срабатывает переход 3, и процесс запускается. В противном случае процессу придется некоторое время находиться в состоянии готовности, пока не освободится процессор.

Некоторые процессы запускают программы, выполняющие команды, введенные с клавиатуры пользователем. Другие процессы являются частью системы и обрабатывают такие задачи, как выполнение запросов файловой службы, управление запуском диска или магнитного накопителя. В случае дискового прерывания система останавливает текущий процесс и запускает дисковый процесс, который был заблокирован в ожидании этого прерывания. Когда событие произошло (информация прочитана с диска или клавиатуры), блокировка снимается и процесс может быть запущен.

3. Управление памятью: подкачка, виртуальная память.

Память в компьютерах имеет иерархическую структуру. Небольшая часть ее представляет собой очень быструю, дорогую, энергозависимую (то есть теряющую информацию при выключении питания) кэш-память. Кроме того, компьютеры обладают десятками мегабайт среднескоростной, имеющей среднюю цену, также энергозависимой оперативной памяти ОЗУ (RAM) и десятками или сотнями гигабайт медленного, дешевого, энергонезависимого пространства на жестком диске. Одной из задач операционной системы является координация использования всех этих составляющих памяти.

Существуют два основных подхода к управлению памятью, зависящие (отчасти) от доступного аппаратного обеспечения. Самая простая стратегия, называемая свопингом (swapping) или обычной подкачкой, заключается в том, что каждый процесс полностью переносится в память, работает некоторое время и затем целиком возвращается на диск. Другая стратегия, носящая название виртуальной памяти, позволяет программам работать даже тогда, когда они только частично находятся в оперативной памяти.

Свопинг

Работа свопинга:

На начальной стадии в памяти находится только процесс А. Затем создаются или загружаются с диска процессы В и С. На рис. 4.5, г процесс А выгружается на диск. Затем появляется процесс D, а процесс В завершается. Наконец, процесс А снова возвращается в память. Так как теперь процесс А имеет другое размещение в памяти, его адреса должны быть перенастроены или программно во время загрузки в память, или (более заманчивый вариант) аппаратно во время выполнения программы.

При такой организации памяти размещение и размер разделов изменяются динамически по мере поступления и завершения процессов, т.е. снимаются ограничения, связанные с определенным количеством разделов, а это в свою очередь, за счет того, что каждый из разделов может быть очень большим или совсем маленьким, улучшает использование памяти.

Но в свою очередь, усложняет операции размещения процессов и освобождения памяти, а также отслеживание происходящих изменений.

Когда в результате подкачки процессов с диска в памяти появляется множество неиспользованных фрагментов, их можно объединить в один большой участок, передвинув все процессы в сторону младших адресов настолько, насколько это возможно. Такая операция называется уплотнением или сжатием памяти. Обычно ее не выполняют, потому что на нее уходит много времени работы процессора. Например, на машине с 256 Мбайт оперативной памяти, которая может копировать 4 байта за 40 не, уплотнение всей памяти займет около 2,7 с.

Процесс может занять всю память, тем самым он может не позволить выполняться другим процессам, поэтому одним из вопросов управления памятью является вопрос об объеме памяти предоставляемому процессу, если он создается или скачивается с диска:

1. Если процесс имеет фиксированный никогда не изменяющийся размер, размещение происходит просто: операционная система предоставляет точно необходимое количество памяти, ни больше, ни меньше, чем нужно.

2. Если область данных процесса растет.

Например, в результате динамического распределения памяти из кучи (кучей (heap) называется область памяти, выделяемая программе для динамически размещаемых структур данных.), как происходит во многих языках программирования.

Когда участок неиспользованной памяти расположен рядом с процессом, его можно отдать в пользу процесса, таким образом, позволив процессу вырасти на размер этого участка. Если же процесс соседствует с другим процессом, для его увеличения нужно или переместить достаточно большой свободный участок памяти, или перекачать на диск один или больше процессов, чтобы создать незанятый фрагмент достаточного размера. Если процесс не может расти в памяти, а область на диске, предоставленная для подкачки, переполнена, процесс будет вынужден ждать освобождения памяти или же будет уничтожен.

Дата добавления: 2015-12-08