Управление процессами

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функ­ционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами.

Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информа­ционные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресур­сах вычислительной системы, а также о фактически выделенных ему ресурсах. Таким образом, процесс можно также определить как некоторую заявку на по­требление системных ресурсов.

Чтобы процесс мог быть выполнен, операционная система должна назначить ему область оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процес­са, а также предоставить ему необходимое количество процессорного времени. Кроме того, процессу может понадобиться доступ к таким ресурсам, как файлы и устройства ввода-вывода.

В информационные структуры процесса часто включаются вспомогательные данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе, его текущее состояние (активное или заблокированное), степень привилегированности процесса (значение приоритета). Данные такого рода мо­гут учитываться операционной системой при принятии решения о предоставле­нии ресурсов процессу.

В мультипрограммной операционной системе одновременно может существо­вать несколько процессов. Часть процессов порождается по инициативе пользо­вателей и их приложений, такие процессы обычно называют пользовательскими. Другие процессы, называемые системными, инициализируются самой операци­онной системой для выполнения своих функций.

Важной задачей операционной системы является защита ресурсов, выделенных данному процессу, от остальных процессов. Одним из наиболее тщательно защи­щаемых ресурсов процесса являются области оперативной памяти, в которой хранятся коды и данные процесса. Совокупность всех областей оперативной па­мяти, выделенных операционной системой процессу, называется его адресным пространством. Говорят, что каждый процесс работает в своем адресном про­странстве, имея в виду защиту адресных пространств, осуществляемую ОС, За­щищаются и другие типы ресурсов, такие как файлы, внешние устройства и т. д. Операционная система может не только защищать ресурсы, выделенные одному процессу, но и организовывать их совместное использование, например разре­шать доступ к некоторой области памяти нескольким процессам.

На протяжении периода существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состоя­ние операционной среды идентифицируется состоянием регистров и программного счетчика, режимов работы процессора, указателя на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т.д. Эта информация называет­ся контекстом процесса. Говорят, что при смене процесса происходит переклю­чение контекстов.

Операционная система берет на себя также функции синхронизации процессов, позволяющие процессу приостанавливать свое выполнение до наступления ка­кого-либо события в системе, например завершения операции ввода-вывода, осуществляемой по его запросу операционной системой.

В операционной системе нет однозначного соответствия между процессами и программами. Один и тот же программный файл может породить несколько па­раллельно выполняемых процессов, а процесс может в ходе своего выполнения сменить программный файл и начать выполнять другую программу. Для реализации сложных программных комплексов полезно бывает организо­вать их работу в виде нескольких параллельных процессов, которые периодиче­ски взаимодействуют друг с другом и обмениваются некоторыми данными. Так как операционная система защищает ресурсы процессов и не позволяет одному процессу писать или читать из памяти другого процесса, то для оперативного взаимодействия процессов ОС должна предоставлять особые средства, которые называют средствами межпроцессного взаимодействия.

Таким образом, подсистема управления процессами (рис.4.) планирует выполнение про­цессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновре­менно существующими в системе процессами, занимается созданием и уничто­жением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает синхронизацию процессов, а также обеспечивает взаимодействие между процессами

Управление памятью

Память является для процесса таким же важным ресурсом, как и процессор, так как процесс может выполняться процессором только в том случае, если его коды и данные (не обязательно все) находятся в оперативной памяти. Управление памятью включает распределение имеющейся физической памяти между всеми существующими в системе в данный момент процессами, загрузку кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса.

Существует большое разнообразие алгоритмов распределения памяти. Они мо­гут отличаться:

- количеством выделяемых процессу областей памяти (в одних случаях память выделяется процессу в виде одной непрерывной облас­ти, а в других — в виде нескольких несмежных областей),

- степенью свободы гра­ницы областей (она может быть жестко зафиксирована на все время существова­ния процесса или же динамически перемещаться при выделении процессу дополнительных объемов памяти),

- в некоторых системах распределение памяти выполняется страницами фиксированного размера, а в других — сегментами пе­ременной длины

Одним из наиболее популярных способов управления памятью в современных операционных системах является так называемая виртуальная память.

Защита памяти — это избирательная способность предохранять выполняемую задачу от записи или чтения памяти, назначенной другому процессу (задаче). Средства защиты памяти, реализован­ные в операционной системе, должны пресекать несанкционированный доступ процессов к чужим областям памяти.

Таким образом, функциями ОС по управлению памятью являются (рис.5) отслежива­ние свободной и занятой памяти; выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов; защита памяти; вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, ко­гда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на кон­кретную область физической памяти.

Управление файлами и внешними устройствами

Опе­рационная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе в виде файла — простой неструктурированной последова­тельности байтов, имеющей символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохра­нение содержимого.

Чтобы представить большое количество наборов данных, разбросанных случай­ным образом по цилиндрам и поверхностям дисков различных типов, в виде хо­рошо всем знакомой и удобной иерархической структуры файлов и каталогов, операционная система должна решить множество задач.

Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

При выполнении своих функций файловая система тесно взаимодействует с под­системой управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью.

Подсистема управления внешними устройствами, называемая также подсисте­мой ввода-вывода, исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключен­ным к компьютеру. Спектр этих устройств очень обширен. Номенклатура вы­пускаемых накопителей на жестких, гибких и оптических дисках, принтеров, сканеров, мониторов, плоттеров, модемов, сетевых адаптеров и более специаль­ных устройств ввода-вывода, таких как, например, аналого-цифровые преобразо­ватели, может насчитывать тысячи моделей. Эти модели могут существенно отличаться набором и последовательностью команд, с помощью которых осуще­ствляется обмен информацией с процессором и памятью компьютера, скоростью работы, кодировкой передаваемых данных, возможностью совместного исполь­зования и множеством других деталей.

Программа, управляющая конкретной моделью внешнего устройства и учиты­вающая все его особенности, обычно называется драйвером этого устройства (от английского drive — управлять, вести). Созданием драйверов устройств занимаются как разработчики конкретной ОС, так и специалисты компаний, выпускающих внешние устройства.

Поддержание высокоуровневого унифицированного интерфейса прикладного программирования к разнородным устройствам ввода-вывода является одной из наиболее важных задач ОС.

Со времени появления ОС UNIX такой унифи­цированный интерфейс в большинстве операционных систем строится на основе концепции файлового доступа. Эта концепция заключается в том, что обмен с любым внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя и представляющим собой неструктурированную последовательность байтов. В качестве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, печатающее устройство или сетевой адаптер. Здесь мы опять имеем дело со свойством операционной системы подменять реальную аппаратуру удобными для пользователя и программиста абстракциями.

Таким образом, функциями ОС по управлению файлами и внешними устройствами (рис.6) являются виртуализация отдельных наборов данных; преобразование символьных имен файлов в физические адреса данных на диске; передачу данных между внешними устройствами и оперативной памятью; управление конкретным типом периферийных внешних устройств; реализации концепции файлового доступа для обмена данными с внешними устройствами.