Курс лекций Операционным системам и среды (стр. 9 из 21)

Это очень грубая модель, она не учитывает, в частности, то, что процесс, выбранный для исполнения, может все еще ждать события, из-за которого он был приостановлен, и реально к выполнению не готов. Для того чтобы избежать такой ситуации, разобьем состояние процесс не исполняется на два новых состояния: готовность и ожидание (рис. 7).

Рис. 7. Более подробная диаграмма состояний процесса

Всякий новый процесс, появляющийся в системе, попадает в состояние готовность. Операционная система, пользуясь каким-либо алгоритмом планирования, выбирает один из готовых процессов и переводит его в состояние исполнение. В состоянии исполнение происходит непосредственное выполнение программного кода процесса. Выйти из этого состояния процесс может по трем причинам:

· операционная система прекращает его деятельность;

· он не может продолжать свою работу, пока не произойдет некоторое событие, и операционная система переводит его в состояние ожидание;

· в результате возникновения прерывания в вычислительной системе (например, прерывания от таймера по истечении предусмотренного времени выполнения) его возвращают в состояние готовность.

Из состояния ожидание процесс попадает в состояние готовность после того, как ожидаемое событие произошло, и он снова может быть выбран для исполнения.

Наша новая модель хорошо описывает поведение процессов во время их существования, но она не акцентирует внимания на появлении процесса в системе и его исчезновении. Для полноты картины нам необходимо ввести еще два состояния процессов: рождение и закончил исполнение (рис. 8).

Рис. 8. Диаграмма состояний процесса, принятая в курсе

Теперь для появления в вычислительной системе процесс должен пройти через состояние рождение. При рождении процесс получает в свое распоряжение адресное пространство, в которое загружается программный код процесса; ему выделяются стек и системные ресурсы; устанавливается начальное значение программного счетчика этого процесса и т. д. Родившийся процесс переводится в состояние готовность. При завершении своей деятельности процесс из состояния исполнение попадает в состояние закончил исполнение.

В конкретных операционных системах состояния процесса могут быть еще более детализированы, могут появиться некоторые новые варианты переходов из одного состояния в другое. Так, например, модель состояний процессов для операционной системы Windows NT содержит 7 различных состояний, а для операционной системы Unix — 9. Тем не менее, все операционные системы подчиняются изложенной выше модели.

Итак, выделим 5 состояний процесса:

1. Рождение.

2. Готовность.

3. Ожидание.

4. Исполнение.

5. Закончил исполнение.

При рождении процесс получает в свое распоряжение адресное пространство, в которое загружается программный код процесса; ему выделяются стек и системные ресурсы; устанавливается начальное значение программного счетчика этого процесса и т. д

Родившийся процесс переводится в состояние готовность.

Операционная система, пользуясь каким-либо алгоритмом планирования, выбирает один из готовых процессов и переводит его в состояние исполнение. В этом состоянии происходит непосредственное выполнение программного кода процесса. Выйти из этого состояния процесс может по трем причинам:

· операционная система прекращает его деятельность;

При завершении своей деятельности процесс из состояния исполнение попадает в состояние закончил исполнение.

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.

Изменяя состояния процессов, ОС выполняет следующие операции:

1) создание процесса;

2) завершение процесса;

3) приостановка процесса (перевод из состояния исполнение в состояние готовность);

4) запуск процесса (перевод из состояния готовность в состояние исполнение);

5) блокирование процесса (перевод из состояния исполнение в состояние ожидание);

6) разблокирование процесса (перевод из состояния ожидание в состояние готовность);

7) изменение приоритета процесса.

Операции создания и завершения процесса являются одноразовыми, так как применяются к процессу не более одного раза (некоторые системные процессы при работе вычислительной системы не завершаются никогда). Все остальные операции, связанные с изменением состояния процессов, будь то запуск или блокировка, как правило, являются многоразовыми.

Планирование процессов

Когда компьютер работает в многозадачном режиме, на нем зачастую запускается сразу несколько процессов или потоков, претендующих на использование центрального процессора. Такая ситуация складывается в том случае, если в состоянии готовности одновременно находятся два или более процесса или потока. Если доступен только один центральный процессор, необходимо выбрать, какой из этих процессов будет выполняться следующим.

Планирование- обеспечение поочередного доступа процессов к одному процессору. Та часть операционной системы, на которую возложено планирование, называется планировщиком, а алгоритм, который ею используется, называется алгоритмом планирования.

Планировщик может принимать решения о выборе для исполнения нового процесса из числа находящихся в состоянии готовность в следующих четырех случаях.

1. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние закончилисполнение. Процесс больше не может выполняться (поскольку он уже не существует), поэтому нужно выбрать какой-нибудь процесс из числа готовых к выполнению. Если готовые к выполнению процессы отсутствуют, обычно запускается предоставляемый системой холостой процесс.

2. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние ожидание. Процесс больше не может выполняться (т. к. ждет какое-то событие), поэтому надо выбрать на выполнение некоторый готовый процесс.

3. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние готовность (например, после прерывания от таймера). Планировщик должен решить, какой процесс ему запускать: тот, что только что перешел в состояние готовности, тот, который был запущен за время прерывания, или какой-нибудь третий процесс.

4. Когда процесс переводится из состояния ожидание в состояние готовность (завершилась операция ввода-вывода или произошло другое событие). Планировщик должен решить, какой процесс ему запускать: тот, что только что перешел в состояние готовности, тот, который был запущен за время ожидания, или какой-нибудь третий процесс.

В случаях 1 и 2 процесс, находившийся в состоянии исполнение, не может дальше исполняться, и операционная система вынуждена осуществлять планирование, выбирая новый процесс для выполнения.

В случаях 3 и 4 планирование может как проводиться, так и не проводиться, планировщик не вынужден обязательно принимать решение о выборе процесса для выполнения, процесс, находившийся в состоянии исполнение может просто продолжить свою работу.

Если в операционной системе планирование осуществляется только в вынужденных ситуациях, говорят, что имеет место невытесняющее планирование (неприоритетный алгоритм). При таком режиме планирования процесс занимает столько процессорного времени, сколько ему необходимо. При этом переключение процессов возникает только при желании самого исполняющегося процесса передать управление (для ожидания завершения операции ввода-вывода или по окончании работы). Этот метод планирования относительно просто реализуем и достаточно эффективен, так как позволяет выделить большую часть процессорного времени для работы самих процессов и до минимума сократить затраты на переключение контекста. Однако при невытесняющем планировании возникает проблема возможности полного захвата процессора одним процессом, который вследствие каких-либо причин (например, из-за ошибки в программе) зацикливается и не может передать управление другому процессу. В такой ситуации спасает только перезагрузка всей вычислительной системы.