Операційні системи

потоками, планування
Опис процесів і потоків: керуючий блок, образ, дескриптор і

контекст
Стани потоків

в якому на одному процесорі почергово виконуються кілька програм
Критерії ефективності

обчислювальної системи:
Перепускна спроможність – кількість задач, яку здатна ефективно виконувати система в одиницю часу
Зручність роботи користувачів (насамперед, можливість одночасно інтерактивно працювати з низкою прикладних програм на одній машині)
Реактивність системи – здатність системи дотримувати наперед задані (короткі) інтервали між одержанням запиту і результатом його оброблення

яка виконується в даний момент
Складові частини процесу:
Послідовність виконуваних команд процесора
Набір

адрес пам'яті (адресний простір), у якому розташовані команди процесора і дані для них
Потік (нитка, thread) – набір послідовно виконуваних команд процесора
У багатопотокових системах процес – це сукупність одного або декількох потоків і захищеного адресного простору, у якому ці потоки виконуються

(один процес), у якому може виконуватись один потік
Деякі сучасні вбудовані

системи – один адресний простір (один процес), у якому можуть виконуватись кілька потоків
Однопотокова модель процесів (традиційні системи UNIX) – багато процесів, але у кожному з них лише один потік
Багатопотоковість, або модель потоків (більшість сучасних ОС) - багато процесів, у кожному з яких може бути багато потоків

Керування потоками користувача здійснюють спеціальні системні бібліотеки (підтримка потоків POSIX)
Існують

різні схеми багатопотоковості:

– багатопроцесорних обчислень, введення-виведення, взаємодії з користувачем, розподілених застосувань
Масштабованість (особливо

із зростанням кількості процесорів)
Необхідно менше ресурсів, ніж для підтримки процесів
Ефективний обмін даними через спільну пам'ять
– (недоліки)
Складність розроблення й налагодження багатопотокових застосувань
Зниження надійності застосувань (можливі “гонки”, витоки пам'яті, втрата даних)
Можливість зниження продуктивності застосувань

потоків
Планування виконання процесів або потоків, тобто розподіл процесорного часу між

ними
Визначення моменту часу для зміни потоку, що виконується
Вибір наступного потоку для виконання
Переключення контекстів
Забезпечення процесів і потоків необхідними ресурсами
Підтримання взаємодії між процесами

TCB)
Ідентифікаційні дані потоку
Стан процесора потоку (регістри процесора, лічильник інструкцій, покажчик

на стек)
Інформація для планування потоків
Керуючий блок процесу (Process Control Block, PCB)
Ідентифікаційні дані процесу
Інформація про потоки цього процесу (наприклад, покажчики на їхні керуючі блоки)
Інформація, на основі якої можна визначити права процесу на використання ресурсів
Інформація про розподіл адресного простору процесу
Інформація про ресурси введення-виведення та файли, які використовує процес
Таблиця процесів (потоків) – зв'язний список або масив відповідних керуючих блоків

процесора,
лічильник інструкцій,
покажчик на стек
Інформація для планування потоків
Керуючий блок

процесу

Ідентифікаційні дані процесу

Інформація про потоки цього процесу

Інформація про ресурси введення-виведення та файли, які використовує процес

Інформація, що визначає права процесу на використання ресурсів

Інформація про розподіл адресного простору процесу

TCB (керуючий блок задачі)
OS/2 – Process Control Block, PCB (керуючий

блок процесу)
UNIX – proc, дескриптор процесу
Windows – object-process (об'єкт-процес)

процесу
Керуючий блок процесу
Програмний код користувача
Дані користувача
Інформація образів потоків процесу

інформацію, необхідну для планування процесів. Ця інформація необхідна протягом усього

часу життєвого циклу процесу
Ідентифікатор процесу
Стан процесу
Пріоритет процесу
Розміщення процесу в оперативній пам'яті і на диску
Ідентифікатор користувача, що створив процес
Контекст – структура, що містить інформацію, необхідну для відновлення виконання процесу (менш оперативна, але більш об'ємна частина інформації, ніж у дескрипторі)
Стан регістрів процесора
Коди помилок виконаних системних викликів
Інформація про відкриті файли і незавершені операції введення-виведення
Таблиця процесів – список дескрипторів
Контекст зв'язаний з образом процесу і переміщується разом з ним (наприклад, може бути витісненим з оперативної пам'яті на диск)

блок: дескриптор, контекст)
Виділити оперативну пам’ять
Завантажити кодовий сегмент процесу в оперативну

пам’ять
Поставити дескриптор процесу у чергу готових процесів
Створення у два етапи (POSIX)
fork() – створює точну копію поточного процесу
exec() – заміняє код поточного процесу на код іншого
Створення в один етап (Windows) – CreateProcess()
(це не системний виклик, а бібліотечна функція)
Копіювання під час запису
Під час виклику fork() дані з пам'яті предка у пам’ять нащадка не копіюють, а натомість відображають адресний простір і помічають області пам'яті як захищені від запису
У разі спроби запису виділяють пам’ять і здійснюють копіювання

дані
Ідентифікатор процесу PID – унікальний
Підтримується зв’язок предок-нащадок
Ідентифікатор процесу-предка PPID вказують

під час створення
Якщо предок завершує роботу, то PPID:=1 (процес init)
Створення процесу: fork(), exec() (Linux – execve())

task_struct, містить в собі і дескриптор, і контекст
В ядрі до

версії 2.4 керуючі блоки зберігались у масиві максимального розміру 4 кБ (“таблиця процесів системи”)
В ядрі версії 2.4 і вище – дві динамічні структури без обмеження довжини
Хеш-таблиця (дає змогу швидко знаходити процес за його PID)
Кільцевий двозв’язний список, що забезпечує виконання дій у циклі для усіх процесів системи
У UNIX SVR4 і BSD керуючий блок складається з двох структур
proc – дескриптор (утворюють таблицю процесів)
user (u) – контекст (пов'язаний з процесом)

що користуються спільними структурами даних, але мають окремі стеки
Створення потоку:

системний виклик clone()
Недоліки:
Створення потоку збільшує кількість процесів у системі
Кожний потік має власний PID (це суперечить POSIX)
Існує зв’язок предок-нащадок (чого не повинно бути)
Кожне багатопотокове застосування обов'язково створює додатковий потік-менеджер
Нова реалізація: NPTL (Native POSIX Threads Library), що спирається на нові функціональні можливості ядра
Як процес у системі реєструють лише перший потік застосування
Усі потоки процесу повертають один і той самий PID
Зв’язок предок-нащадок між потоками не підтримується
Потік-менеджер не потрібен
Зняті обмеження на кількість потоків у системі
У більшості UNIX-систем, на відміну від Linux, реалізована повна підтримка POSIX Threads

8)
Кожен потік користувача відповідає одному окремому потоку ядра (Kernel Thread,

kthread)
Фактично планування здійснюється для потоків ядра – це найголовніша відмінність від традиційної системи UNIX
Кожен потік ядра в процесі повинен мати власний “легкий” процес (Lightweight process, LWT) – віртуальне середовище виконання, що має власний стек

адрес віртуальної пам'яті, які цей процес може використовувати
Адреси можуть бути

пов'язані з оперативною пам'яттю, а можуть – з відображеними у пам’ять ресурсами
Адресний простір процесу недоступний іншим процесам
Процес володіє системними ресурсами, такими як файли, мережні з'єднання, пристрої введення-виведення, об’єкти синхронізації
Процес не має прямого доступу до процесора
Процес містить стартову інформацію для потоків, які у ньому створюються
Процес обов'язково має містити хоча б один потік

виконавчої системи – об'єкт-процес виконавчої системи (Executive Process Block, EPROCESS)
KPROCESS
Ідентифікаційна

інформація (PID, PPID, ім'я файлу)
Інформація про адресний простір процесу
Інформація про ресурси, доступні процесу
PEB
Інформація для підсистеми безпеки
Для ядра – об'єкт-процес ядра (Kernel Process Block, KPROCESS)
Покажчик на ланцюжок блоків потоків ядра
Інформація, необхідна ядру для планування
Доступна у режимі користувача:
Блок оточення процесу (Process Environment Block, PEB)
Початкова адреса ділянки пам'яті, куди завантажився програмний файл
Покажчик на динамічну ділянку пам'яті, що доступна процесу

стан процесора
Два стеки (для режиму ядра і режиму користувача), що

розміщені в адресному просторі процесу
Локальна пам’ять потоку (TLS)
Унікальний ідентифікатор потоку TID
Розрізняють потоки ядра і потоки користувача

виконавчої системи – об'єкт-потік виконавчої системи (Executive Tread Block, ETHREAD)
KTHREAD
Ідентифікаційна

інформація (PID, покажчик на EPROCESS)
Стартова адреса потоку
Інформація для підсистеми безпеки
Для ядра – об'єкт-потік ядра (Kernel Thread Block, KTHREAD)
Покажчик на стек режиму ядра
Покажчик на TEB
Інформація, необхідна ядру для планування
Інформація, необхідна для синхронізації потоку
Доступна у режимі користувача:
Блок оточення потоку (Thread Environment Block, TEB)
Ідентифікатор потоку TID
Покажчик на стек режиму користувача
Покажчик на PEB
Покажчик на локальну пам’ять потоку