Добавлен: 20.10.2018
Просмотров: 499
Скачиваний: 5
3. Процессы и потоки: создание и уничтожение,
используемые структуры
Под процессом в современных ОС понимается системный объект,
соответствующий запущенной на выполнение программе. Процесс создается
системой при успешном запуске программы и существует все время, пока
программа не будет завершена. В многозадачных ОС одновременно может быть
запущено несколько программ и тем самым может существовать несколько
процессов, совместно претендующих на системные ресурсы. Иногда такую
ситуацию называют внешней многозадачностью. Все процессы разделяются на
пользовательские и системные, создаваемые для поддержки нормальной работы
самой ОС.
Кроме внешней, многозадачность может быть и внутренней, когда в одном
процессе создается хотя бы два так называемых потока (thread). Поток – это
относительно самостоятельный фрагмент исполняемого кода программы,
который наравне с другими потоками претендует на время центрального
процессора. Если программа (процесс) состоит только из одного потока, то она
называется однопоточной, а иначе – многопоточной. Однопоточная программа
содержит только один поток, называемый главным. Он автоматически создается
системой при создании процесса и содержит весь исполняемый код программы.
Разработчик программы может предусмотреть внутри своего кода любое число
дополнительных потоков.
Необходимо подчеркнуть, что далеко не каждое приложение должно быть
многопоточным, выбор должен быть обоснованным и целесообразным.
Использование потоков дает целый ряд мощных возможностей, но в то же время
создает и ряд проблем. В качестве типичных примеров потоков, которые
целесообразно выделять в приложении, можно привести:
вычислительный поток, которому из всех ресурсов в основном нужен только
центральный процессор;
поток ввода данных с клавиатуры, который, наоборот, в основном пребывает в
состоянии ожидания нажатия очередной клавиши;
поток взаимодействия с внешней (дисковой) памятью;
коммуникационный поток (например, получение/отправка электронной почты).
Если приложение довольно часто выполняет перечисленные выше работы, то
выделение в нем потоков позволит более рационально загрузить основные
устройства компьютера и создать иллюзию одновременного выполнения
приложением нескольких работ. На многопроцессорных системах дополнительно
появляется возможность выполнения разных потоков на разных процессорах.
Примерами рационального использования потоков являются:
мощные современные текстовые редакторы, в которых один поток отвечает за
взаимодействие с пользователем, другой – за проверку орфографии вводимого
текста, а третий – за автоматическое сохранение текста в файле;
Web-серверы сети Интернет, обрабатывающие интенсивный поток заявок от
клиентских машин с созданием для каждого клиента своего потока в рамках
одного приложения.
Внешнюю и внутреннюю многозадачность можно проиллюстрировать
следующим схематичным примером: созданы три процесса, в первом – только
главный поток, во втором кроме главного имеется еще один дополнительный
поток, а в третьем дополнительных потоков два. Тем самым за время ЦП
максимально будут конкурировать шесть потоков.
Одно из важнейших отличий процесса от потока состоит в том, что процессу
выделяются все необходимые ему ресурсы – основная память, файлы,
процесс 1
главный
поток
процесс 2
процесс 3
главный
поток
дополнит.
поток
главный поток
дополнит. поток 1
дополнит. поток 2
центральный процессор
программные модули, внешние устройства, тогда как поток самостоятельно
использует только время ЦП, а все остальные ресурсы у всех потоков одного
процесса одни и те же. Можно сказать, что процесс – это единица распределения
всех ресурсов приложения, тогда как поток – это единица распределения только
процессорного времени. Следствием этого являются:
создание нового потока внутри уже созданного процесса требует гораздо
меньшей системной работы и выполняется значительно быстрее, чем создание
нового процесса (в несколько десятков раз);
все потоки внутри одного процесса используют одну и ту же область
оперативной памяти, выделенную процессу в целом;
взаимодействие потоков внутри процесса выполняется гораздо проще, чем
взаимодействие потоков разных процессов;
потоки внутри одного процесса практически не защищены от случайного или
преднамеренного вмешательства со стороны других «родных» потоков, и поэтому
ошибка в выполнении одного потока может нарушить работу всех остальных
потоков и процесса в целом, что приводит к необходимости очень тщательной
отладки многопоточных приложений.
Управление процессами и потоками включает в себя решение следующих
основных задач:
создание и уничтожение процессов и потоков;
планирование порядка выполнения потоков;
синхронизацию и взаимодействие потоков.
Операционная система создает объект «процесс» в ответ на запуск какой-либо
программы на выполнение. Создание процесса начинается с формирования
специальной структуры данных, содержащей информацию о запускаемой
программе. Такая структура создается для каждого процесса и часто называется
дескриптором (описателем) процесса. Набор дескрипторов образует таблицу,
которая поддерживается системой и хранится в системной области основной
памяти, недоступной для прикладных программ. Структура дескрипторов
различна для разных ОС, но в основном содержит следующие данные:
идентификатор процесса, время создания, полное имя исполняемого файла,
приоритет и права доступа процесса, используемые процессом ресурсы (память,
файлы, устройства), идентификаторы потоков процесса. Таким образом,
дескриптор процесса содержит всю информацию, необходимую системе для
полного контроля над процессом.
Если ОС поддерживает многопоточность, то после создания процесса
автоматически создается системный объект «главный поток». Его создание – это
также формирование своей структуры данных, описывающей свойства потока.
Эта структура, называемая дескриптором потока, создается для каждого потока
и содержит следующую информацию: идентификатор потока, приоритет
потока, состояние потока, параметры планирования потока, указатель на еще
одну чрезвычайно важную структуру данных – контекст потока.
Контекст предназначен для сохранения текущего состояния потока в момент
его прерывания и обычно включает в себя содержимое общих и системных
регистров процессора (включая счетчик команд с адресом очередной подлежащей
выполнению команды, регистр состояния процессора и регистр-указатель
вершины стека). Информация из этой структуры используется для корректного
возобновления работы потока. Схематично взаимосвязь описанных структур
представлена на следующем рисунке:
дескриптор
процесса 1
дескриптор
процесса 2
дескриптор
процесса 3
дескриптор
главного
потока 1
дескриптор
дополнит.
потока 1.1
контекст
главного
потока 1
контекст
дополнит
.
потока
1.1
дескриптор
главного
потока 3
контекст
главного
потока 3
дескриптор
дополнит.
потока 3.1
контекст
дополнит
. потока
3.1
дескриптор
главного
потока 2
контекст
главного
потока 2
Системная таблица дескрипторов процессов
Дескрипторы и контексты дополнительных потоков создаются динамически в
процессе работы приложения в ответ на соответствующие системные вызовы.
Например, Win32 API для создания процессов и потоков предоставляет
системные вызовы CreateProcess и CreateThread.
После создания дескрипторов процесса и главного потока выполняется
загрузка в основную память кода и данных запускаемой программы. Если все
описанные выше этапы проходят успешно (необходимая память выделена,
загружаемые файлы найдены и т.д.), то главный поток включается в очередь
готовых к исполнению потоков и начинает конкурировать за время ЦП.
Момент непосредственного начала работы главного потока зависит от
реализованной
в
ОС
стратегии
планирования,
текущего
состояния
вычислительной системы и параметров потока.
В целом видно, что создание нового процесса требует использования
системных модулей управления памятью (выделение памяти для системных
структур и запускаемой программы), а также взаимодействия с файловой
подсистемой, что требует относительно больших затрат времени. Для ускорения и
упрощения этих действий, в системах семейства Unix часто используется
создание процессов и потоков на основе уже существующих, которые в данном
случае называются родительскими. Дочерние процессы (потоки) наследуют все
свойства своих родителей и при необходимости лишь изменяют некоторые из
них. После этого дочерние процессы (потоки) могут существовать как зависимо,
так и независимо от своих родителей. Зависимость процессов (потоков),
например, может означать то, что завершение родительского процесса (потока)
автоматически завершает все дочерние процессы (потоки). Подобная схема
создания процессов реализуется в системах Unix с помощью вызова fork.
Возможные причины завершения работы потоков:
нормальное завершение, т.е. выполнение последней команды потока;
аварийное завершение, когда процессор не может далее выполнять команды
потока в силу каких-либо ошибок;