Организация процессов в UNIX

С практической точки зрения процесс в системе UNIX является объектом, создаваемым в результате выполнения системной операции fork. Каждый процесс, за исключением нулевого, порождается в результате запуска другим процессом операции fork. Процесс, запустивший операцию fork, называется родительским, а вновь созданный процесс - порожденным. Каждый процесс имеет одного родителя, но может породить много процессов. Ядро системы идентифицирует каждый процесс по его номеру, который называется идентификатором процесса (PID). Нулевой процесс является особенным процессом, который создается "вручную" в результате загрузки системы; после порождения нового процесса нулевой процесс становится процессом подкачки.

Выполнение процессов в системе UNIX осуществляется на двух уровнях: уровне пользователя и уровне ядра. Когда процесс производит обращение к операционной системе, режим выполнения процесса переключается с режима задачи (пользовательского) на режим ядра: операционная система пытается обслужить запрос пользователя, возвращая код ошибки в случае неудачного завершения операции. Даже если пользователь не нуждается в каких-либо определенных услугах операционной системы и не обращается к ней с запросами, система еще выполняет учетные операции, связанные с пользовательским процессом, обрабатывает прерывания, планирует процессы, управляет распределением памяти и т.д. Основные различия между этими двумя режимами:

1. В режиме задачи процессы имеют доступ только к своим собственным инструкциям и данным, но не к инструкциям и данным ядра (либо других процессов). Однако в режиме ядра процессам уже доступны адресные пространства ядра и пользователей. Например, виртуальное адресное пространство процесса может быть поделено на адреса, доступные только в режиме ядра, и на адреса, доступные в любом режиме.
2. Некоторые машинные команды являются привилегированными и вызывают возникновение ошибок при попытке их использования в режиме задачи. Например, в машинном языке может быть команда, управляющая регистром состояния процессора; процессам, выполняющимся в режиме задачи, она недоступна.

Процессы в системе UNIX могут находиться в различных логических состояниях и переходить из состояния в состояние в соответствии с установленными правилами перехода, при этом информация о состоянии сохраняется в таблице процессов и в адресном пространстве процесса.

Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне:

1. Процесс выполняется в режиме задачи.

2. Процесс выполняется в режиме ядра.

3. Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.

4. Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.

5. Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра.

6. Процесс приостановлен, и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.

7. Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс.

8. Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого

9. Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.

Поскольку процессор в каждый момент времени выполняет только один процесс, в состояниях 1 и 2 может находиться самое большее один процесс. Эти два состояния соответствуют двум режимам выполнения, режиму задачи и режиму ядра.

В ядре находится таблица процессов, каждая запись которой описывает состояние одного из активных процессов в системе. В пространстве процесса хранится дополнительная информация, используемая в управлении протеканием процесса. Запись в таблице процессов и пространство процесса составляют в совокупности контекст процесса.

Структуры данных, описывающие процесс.

Две принадлежащие ядру структуры данных описывают процесс: запись в таблице процессов и пространство процесса.

Таблица процессов.

Таблица процессов содержит поля, которые должны быть всегда доступны ядру, а пространство процесса - поля, необходимость в которых возникает только у выполняющегося процесса. Поэтому ядро выделяет место для пространства процесса только при создании процесса: в нем нет необходимости, если записи в таблице процессов не соответствует конкретный процесс.

Запись в таблице процессов состоит из следующих полей:

· Поле состояния, которое идентифицирует состояние процесса.

· Поля, используемые ядром при размещении процесса и его пространства в основной или внешней памяти. Ядро использует информацию этих полей для переключения контекста на процесс, когда процесс переходит из состояния "готов к выполнению, находясь в памяти" в состояние "выполнения в режиме ядра" или из состояния "резервирования" в состояние "выполнения в режиме задачи". Запись в таблице процессов содержит также поле, описывающее размер процесса и позволяющее ядру планировать выделение пространства для процесса.

· Идентификаторы процесса (PID), указывающие взаимосвязь между процессами. Значения полей PID задаются при переходе процесса в состояние "создан" во время выполнения функции fork.

· Дескриптор события (устанавливается тогда, когда процесс приостановлен).

· Параметры планирования, позволяющие ядру устанавливать порядок перехода процессов из состояния "выполнения в режиме ядра" в состояние "выполнения в режиме задачи".

· Поле сигналов, в котором перечисляются сигналы, посланные процессу, но еще не обработанные.

· Различные таймеры, описывающие время выполнения процесса и использование ресурсов ядра и позволяющие осуществлять слежение за выполнением и вычислять приоритет планирования процесса.

· Параметры ввода-вывода: объем передаваемых данных, адрес источника (или приемника) данных в пространстве задачи, смещения в файле (которыми пользуются операции ввода-вывода) и т.д.

· Имена текущего каталога и текущего корня, описывающие файловую систему, в которой выполняется процесс.

· Таблица пользовательских дескрипторов файла, которая описывает файлы, открытые процессом.

· Поля границ, накладывающие ограничения на размерные характеристики процесса и на размер файла, в который процесс может вести запись.

· Поле прав доступа, хранящее двоичную маску установок прав доступа к файлам, которые создаются процессом

Пространство процесса.

Каждый процесс имеет свое собственное пространство, однако ядро обращается к пространству выполняющегося процесса так, как если бы в системе оно было единственным.

Процесс имеет доступ к своему пространству, когда выполняется в режиме ядра, но не тогда, когда выполняется в режиме задачи. Поскольку ядро в каждый момент времени работает только с одним пространством процесса, используя для доступа виртуальный адрес, пространство процесса частично описывает контекст процесса, выполняющегося в системе. Когда ядро выбирает процесс для исполнения, оно ищет в физической памяти соответствующее процессу пространство и делает его доступным по виртуальному адресу.

Контекст процесса.

Контекстом процесса является его состояние, определяемое текстом, значениями глобальных переменных пользователя и информационными структурами, значениями используемых машинных регистров, значениями, хранимыми в позиции таблицы процессов и в адресном пространстве задачи, а также содержимым стеков задачи и ядра, относящихся к данному процессу. Текст операций системы и ее глобальные информационные структуры совместно используются всеми процессами, но не являются составной частью контекста процесса.

Говорят, что при запуске процесса система исполняется в контексте процесса. Когда ядро системы решает запустить другой процесс, оно выполняет переключение контекста с тем, чтобы система исполнялась в контексте другого процесса. Выполняя переключение контекста, ядро сохраняет информацию, достаточную для того, чтобы позднее переключиться вновь на первый процесс и возобновить его выполнение. Аналогичным образом, при переходе из режима задачи в режим ядра, ядро системы сохраняет информацию, достаточную для того, чтобы позднее вернуться в режим задачи и продолжить выполнение с прерванного места. Однако, переход из режима задачи в режим ядра является сменой режима, но не переключением контекста.

Структура контекста.

Контекст процесса объединяет в себе пользовательский контекст, регистровый контекст и системный контекст.

Пользовательский контекст состоит из команд и данных процесса, стека задачи и содержимого совместно используемого пространства памяти в виртуальных адресах процесса. Пользовательский контекст процесса распадается на отдельные области, которые представляют собой непрерывные участки виртуального адресного пространства и трактуются как самостоятельные объекты использования и защиты.

Регистровый контекст состоит из следующих компонент:

• Счетчика команд, указывающего адрес следующей команды, которую будет выполнять центральный процессор; этот адрес является виртуальным адресом внутри пространства ядра или пространства задачи.
• Регистра состояния процессора (PS), который указывает аппаратный статус машины по отношению к процессу. Регистр PS, например, обычно содержит подполя, которые указывают, является ли результат последних вычислений нулевым, положительным или отрицательным. В других имеющих важное значение подполях регистра PS указывается текущий уровень прерывания процессора, а также текущий и предыдущий режимы выполнения процесса (режим ядра/задачи).
• Указателя вершины стека, в котором содержится адрес следующего элемента стека ядра или стека задачи, в соответствии с режимом выполнения процесса. В зависимости от архитектуры машины указатель вершины стека показывает на следующий свободный элемент стека или на последний используемый элемент. От архитектуры машины также зависит направление увеличения стека (к старшим или младшим адресам).
• Регистров общего назначения, в которых содержится информация, сгенерированная процессом во время его выполнения.

Системный контекст состоит из статической части (запись в таблице процессов, адресное пространство процесса и информация, необходимая для отображения адресного пространства) и динамической части (стек ядра и сохраненное состояние регистров предыдущего контекстного уровня системы), которые запоминаются в стеке и выбираются из стека при выполнении процессом обращений к системным функциям, при обработке прерываний и при переключениях контекста.

Динамическую часть системного контекста можно представить в виде стека, элементами которого являются контекстные уровни, которые помещаются в стек ядром или выталкиваются из стека при наступлении различных событий. Системный контекст включает в себя следующие компоненты:

• Запись в таблице процессов, описывающая состояние процесса и содержащая различную управляющую информацию, к которой ядро всегда может обратиться.
• Часть адресного пространства задачи, выделенная процессу, где хранится управляющая информация о процессе, доступная только в контексте процесса. Общие управляющие параметры, такие как приоритет процесса, хранятся в таблице процессов, поскольку обращение к ним должно производиться за пределами контекста процесса.
• Записи частной таблицы областей процесса, общие таблицы областей и таблицы страниц, необходимые для преобразования виртуальных адресов в физические, в связи с чем в них описываются области команд, данных, стека и другие области, принадлежащие процессу. Если несколько процессов совместно используют общие области, эти области входят составной частью в контекст каждого процесса, поскольку каждый процесс работает с этими областями независимо от других процессов. В задачи управления памятью входит идентификация участков виртуального адресного пространства процесса, не являющихся резидентными в памяти.
• Стек ядра, в котором хранятся записи процедур ядра, если процесс выполняется в режиме ядра. Несмотря на то, что все процессы пользуются одними и теми же программами ядра, каждый из них имеет свою собственную копию стека ядра для хранения индивидуальных обращений к функциям ядра.
• Динамическая часть системного контекста процесса, состоящая из нескольких уровней и имеющая вид стека, который освобождается от элементов в порядке, обратном порядку их поступления. На каждом уровне системного контекста содержится информация, необходимая для восстановления предыдущего уровня и включающая в себя регистровый контекст предыдущего уровня.

Ядро помещает контекстный уровень в стек при возникновении прерывания, при обращении к системной функции или при переключении контекста процесса. Контекстный уровень выталкивается из стека после завершения обработки прерывания, при возврате процесса в режим задачи после выполнения системной функции, или при переключении контекста. Таким образом, переключение контекста влечет за собой как помещение контекстного уровня в стек, так и извлечение уровня из стека: ядро помещает в стек контекстный уровень старого процесса, а извлекает из стека контекстный уровень нового процесса. Информация, необходимая для восстановления текущего контекстного уровня, хранится в записи таблицы процессов.

На рисунке изображены компоненты контекста процесса. Слева на рисунке изображена статическая часть контекста. В нее входят: пользовательский контекст, состоящий из программ процесса (машинных инструкций), данных, стека и разделяемой памяти (если она имеется), а также статическая часть системного контекста, состоящая из записи таблицы процессов, пространства процесса и записей частной таблицы областей (информации, необходимой для трансляции виртуальных адресов пользовательского контекста). Справа на рисунке изображена динамическая часть контекста. Она имеет вид стека и включает в себя несколько элементов, хранящих регистровый контекст предыдущего уровня и стек ядра для текущего уровня. Стрелка, соединяющая между собой статическую часть системного контекста и верхний уровень динамической части контекста, означает то, что в таблице процессов хранится информация, позволяющая ядру восстанавливать текущий контекстный уровень процесса.

Переключение контекстов

Процедура переключения контекста похожа на процедуры обработки прерываний и обращения к системным функциям, если не считать того, что ядро вместо предыдущего контекстного уровня текущего процесса восстанавливает контекстный уровень другого процесса. Причины, вызвавшие переключение контекста, при этом не имеют значения. На механизм переключения контекста не влияет и метод выбора следующего процесса для исполнения.

1. Принять решение относительно необходимости переключения контекста и его допустимости в данный момент.

2. Сохранить контекст "прежнего" процесса.

3. Выбрать процесс, наиболее подходящий для исполнения, используя алгоритм диспетчеризации процессов

4. Восстановить его контекст.

Области процесса.

Область - это непрерывная зона виртуального адресного пространства процесса, рассматриваемая в качестве отдельного объекта для совместного использования и защиты. Таким образом, команды, данные и стек обычно образуют автономные области, принадлежащие процессу. Несколько процессов могут использовать одну и ту же область. Например, если несколько процессов выполняют одну и ту же программу, вполне естественно, что они используют одну и ту же область команд. Точно так же, несколько процессов могут объединиться и использовать общую область разделяемой памяти.

Каждый процесс имеет частную таблицу областей процесса. Записи этой таблицы могут располагаться, в зависимости от конкретной реализации, в таблице процессов, в адресном пространстве процесса или в отдельной области памяти; для простоты предположим, что они являются частью таблицы процессов. Каждая запись частной таблицы областей содержит указатель на соответствующую запись общей таблицы областей и первый виртуальный адрес процесса в данной области. Запись частной таблицы областей также содержит поле прав доступа, в котором указывается тип доступа, разрешенный процессу: только чтение, только запись или только исполнение.

Управление процессом.

Системная функция fork создает новый процесс, функция exit завершает выполнение процесса.

Создание процесса.

Единственным способом создания пользователем нового процесса в операционной системе UNIX является выполнение системной функции fork. Процесс, вызывающий функцию fork, называется родительским (процесс-родитель), вновь создаваемый процесс называется порожденным (процесс-потомок). Синтаксис вызова функции fork:

pid = fork();

В результате выполнения функции fork пользовательский контекст и того, и другого процессов совпадает во всем, кроме возвращаемого значения переменной pid. Для родительского процесса в pid возвращается идентификатор порожденного процесса, для порожденного - pid имеет нулевое значение. Нулевой процесс, возникающий внутри ядра при загрузке системы, является единственным процессом, не создаваемым с помощью функции fork. В ходе выполнения функции ядро производит следующую последовательность действий:

1. Отводит место в таблице процессов под новый процесс.

2. Присваивает порождаемому процессу уникальный код идентификации.

3. Делает логическую копию контекста родительского процесса. Поскольку те или иные составляющие процесса, такие как область команд, могут разделяться другими процессами, ядро может иногда вместо копирования области в новый физический участок памяти просто увеличить значение счетчика ссылок на область.

4. Увеличивает значения счетчика числа файлов, связанных с процессом, как в таблице файлов, так и в таблице индексов.

5. Возвращает родительскому процессу код идентификации порожденного процесса, а порожденному процессу - нулевое значение.

Алгоритм создания процесса.

Сначала ядро должно удостовериться в том, что для успешного выполнения алгоритма fork есть все необходимые ресурсы. В системе с подкачкой процессов для размещения порождаемого процесса требуется место либо в памяти, либо на диске; в системе с замещением страниц следует выделить память для вспомогательных таблиц (в частности, таблиц страниц). Если свободных ресурсов нет, алгоритм fork завершается неудачно. Ядро ищет место в таблице процессов для конструирования контекста порождаемого процесса и проверяет, не превысил ли пользователь, выполняющий fork, ограничение на максимально-допустимое количество параллельно запущенных процессов. Ядро также подбирает для нового процесса уникальный идентификатор, значение которого превышает на единицу максимальный из существующих идентификаторов. Если предлагаемый идентификатор уже присвоен другому процессу, ядро берет идентификатор, следующий по порядку. Как только будет достигнуто максимально-допустимое значение, отсчет идентификаторов опять начнется с 0. Поскольку большинство процессов имеет короткое время жизни, при переходе к началу отсчета значительная часть идентификаторов оказывается свободной. На количество одновременно выполняющихся процессов накладывается ограничение, отсюда ни один из пользователей не может занимать в таблице процессов слишком много места, мешая тем самым другим пользователям создавать новые процессы.

Затем ядро присваивает начальные значения различным полям записи таблицы процессов, соответствующей порожденному процессу, копируя в них значения полей из записи родительского процесса. Ядро передает значение поля идентификатора родительского процесса в запись порожденного, включая последний в древовидную структуру процессов, и присваивает начальные значения различным параметрам планирования, таким как приоритет планирования, использование ресурсов центрального процессора и другие значения полей синхронизации. Начальным состоянием процесса является состояние "создания".

После того ядро устанавливает значения счетчиков ссылок на файлы, с которыми автоматически связывается порождаемый процесс. Порожденный процесс размещается в текущем каталоге родительского процесса. Число процессов, обращающихся в данный момент к каталогу, увеличивается на 1 и, соответственно, увеличивается значение счетчика ссылок на его индекс. Если родительский процесс или один из его предков уже выполнял смену корневого каталога с помощью функции chroot, порожденный процесс наследует и новый корень с соответствующим увеличением значения счетчика ссылок на индекс корня. Наконец, ядро просматривает таблицу пользовательских дескрипторов для родительского процесса в поисках открытых файлов, известных процессу, и увеличивает значение счетчика ссылок, ассоциированного с каждым из открытых файлов, в глобальной таблице файлов. Порожденный процесс не просто наследует права доступа к открытым файлам, но и разделяет доступ к файлам с родительским процессом, так как оба процесса обращаются в таблице файлов к одним и тем же записям.

После завершения всех этих действий ядро готово к созданию для порожденного процесса пользовательского контекста. Ядро выделяет память для адресного пространства процесса, его областей и таблиц страниц, создает копии всех областей родительского процесса и присоединяет каждую область к порожденному процессу.

Итак, ядро завершило создание статической части контекста порожденного процесса; теперь оно приступает к созданию динамической части. Ядро копирует в нее первый контекстный уровень родительского процесса, включающий в себя сохраненный регистровый контекст задачи и стек ядра в момент вызова функции fork. Стек ядра для порожденного процесса совпадает с системным стеком его родителя. Далее ядро создает для порожденного процесса фиктивный контекстный уровень, в котором содержится сохраненный регистровый контекст из первого контекстного уровня.

Если контекст порожденного процесса готов, родительский процесс завершает свою роль в выполнении алгоритма fork, переводя порожденный процесс в состояние "готовности к запуску, находясь в памяти" и возвращая пользователю его идентификатор. Затем ядро выбирает порожденный процесс для исполнения и тот "доигрывает" свою роль в алгоритме fork. Контекст порожденного процесса был задан родительским процессом; с точки зрения ядра кажется, что порожденный процесс возобновляется после приостанова в ожидании ресурса. Порожденный процесс при выполнении функции fork реализует ту часть программы, на которую указывает счетчик команд, восстанавливаемый ядром из сохраненного на уровне 2 регистрового контекста, и по выходе из функции возвращает нулевое значение.

Завершение выполнения процесса.

В системе UNIX процесс завершает свое выполнение, запуская системную функцию exit. После этого процесс переходит в состояние "прекращения существования", освобождает ресурсы и ликвидирует свой контекст. Синтаксис вызова функции:

exit(status);

где status - значение, возвращаемое функцией родительскому процессу. Процессы могут вызывать функцию exit как в явном, так и в неявном виде (по окончании выполнения программы: начальная процедура (startup), компонуемая со всеми программами на языке Си, вызывает функцию exit на выходе программы из функции main, являющейся общей точкой входа для всех программ). С другой стороны, ядро может вызывать функцию exit по своей инициативе, если процесс не принял посланный ему сигнал (об этом мы уже говорили выше). В этом случае значение параметра status равно номеру сигнала. Система не накладывает никакого ограничения на продолжительность выполнения процесса, и зачастую процессы существуют в течение довольно длительного времени. Нулевой процесс (программа подкачки) и процесс 1 (init), к примеру, существуют на протяжении всего времени жизни системы. Ядро освобождает всю выделенную задаче память вместе с соответствующими областями и переводит процесс в состояние прекращения существования. Ядро сохраняет в таблице процессов код возврата функции exit (status), а также суммарное время исполнения процесса и его потомков в режиме ядра и режиме задачи.