Операционная система UNIX

Напротив, особые ситуации вызваны самим процессом, и связаны с выполнением тех или иных инструкций, например, деление на ноль или обращение к несуществующей странице памяти. Таким образом, обработка особых ситуаций производится в контексте процесса, при этом может использоваться его адресное пространство, а сам процесс — при необходимости блокироваться (перемещаться в состояние сна).

Системные вызовы позволяют процессам воспользоваться базовыми услугами ядра. Интерфейс системных вызовов определяет ограниченный набор точек входа в ядро системы, обращение к которым изменяет режим выполнения процесса и позволяет выполнять привилегированные инструкции ядра. Стандартная библиотека С, позволяющая использовать системные функции как обычные процедуры, на самом деле содержит заглушки, обеспечивающие фактическую реализацию вызова соответствующей точки входа ядра. Эта реализация существенным образом зависит от аппаратной архитектуры системы. Например, для систем на базе процессоров Intel используются шлюзы (gate). Имеются два типа шлюзов: шлюзы ловушек (trap gate) и шлюзы вызовов (call gate). Для осуществления вызова через шлюз ловушки процесс выполняет команду прерывания, а при работе шлюз вызова — команду межсегментного вызова.

Выполнение системного вызова происходит в режиме ядра, но в контексте процесса, сделавшего системный вызов. Таким образом, открыт доступ к адресному пространству процесса и используется стек ядра процесса.

Сон и пробуждение

Процесс обычно переводится в состояние сна при обработке системной функции. Если для завершения обработки запроса требуется недоступный ресурс, процесс снимается с процессора и переводится в состояние сна. Недоступность ресурса может быть связана с запуском операции ввода/вывода с диска, ожиданием выделения (освобождения) буфера, ожиданием ввода или вывода на терминал или ожиданием завершения дочернего процесса. К недоступным ресурсам можно также отнести отсутствующую в памяти страницу, к виртуальному адресу которой обратился процесс. В любом случае процесс переходит в состояние сна до наступления события, делающего ресурс доступным. Во время сна процесс не потребляет вычислительные ресурсы системы. При этом выполняется переключение контекста на другой, высокоприоритетный процесс для выполнения. Таким образом, процесс, ожидающий ввода с клавиатуры, не занимает процессор, циклически опрашивая терминальную линию, а процесс, считывающий данные с диска, не блокирует выполнение других задач.

Состояние сна — это логическое состояние процесса, при этом он не перемещается физически в памяти. Переход в состояние сна в первую очередь определяется занесением в системную таблицу процессов соответствующего флага состояния и события, пробуждающего процесс.

События возвещают о доступности того или иного ресурса. Как правило события связаны с работой периферийных устройств, таких как диск, терминал и принтер, поэтому об их наступлении сигнализируют соответствующие аппаратные прерывания. Наступления одного и того же события может ожидать несколько процессов. Поскольку переход из состояния в состояние акт скорее логический, то и пробуждаются все эти процессы одновременно. Однако это не означает, что какой-либо один из них сразу начнет выполняться. Это лишь приводит к тому, что их состояние меняется от "сна" к "готов к выполнению", и они помещаются в очередь на запуск. Задачу выбора процесса для запуска затем решает планировщик процессов.

События, в ожидании которых "засыпают" процессы, не являются равноценными.

Во-первых, они различаются по вероятности наступления. Например событие, связанное с завершением операции ввода с диска или освобождением буфера, имеет высокую вероятность. Как правило, подобные операции имеют конечное время выполнения, в противном случае система оказалась бы заблокированной. С другой стороны, вероятность наступления события, связанного с вводом с терминала, может быть весьма низкой. Пользователь может надолго оставить терминал, не завершив сеанса работы с системой. В длительном ожидании события нет ничего опасного — процесс не занимает ресурсы процессора, однако без специальных мер выключение терминала приведет к блокировке этого устройства. Для того чтобы избежать подобной ситуации, должна существовать возможность вывести процесс из состояния сна, несмотря на отсутствие ожидаемого события. В этом случае используется стандартное решение — отправление процессу сигнала. В противоположность этому, отправление сигнала процессу, ожидающему операции ввода с диска, может привести к ухудшению производительности системы. Поэтому все события и связанные с ними ресурсы разделяются на две категории по вероятности их наступления: на допускающие прерывание сигналом и на не допускающие таковых.

Во-вторых, процессы, разбуженные событием, должны иметь различную вероятность запуска. Это, в первую очередь, связано с тем, что несколько ресурсов могут отображаться на одно событие. Например, процесс А, ожидающий завершения операции ввода с диска, и процесс В, ожидающий освобождения буфера ввода, будут связаны с одним и тем же событием. Они оба окажутся "разбуженными" и затем "готовыми к запуску" после завершения этой операции. Если процесс В будет запущен первым, он все равно не сможет выполняться, так как буфер не освобожден процессом А. Даже в случае, когда спящие процессы связаны с различными событиями, необходимо отдавать предпочтение процессу с более ценным ресурсом. Например, освобождение буфера ввода безусловно предпочтительнее завершения ввода с терминала.

Поскольку планировщик принимает решение о запуске процесса, основываясь на приоритетах, единственным способом установить "справедливый" порядок запуска процессов является присвоение определенного приоритета каждому событию. Приоритет процесса и его влияние на планирование достаточно подробно обсуждались в разделе "Контекст процесса".

Завершение выполнения процесса

Процесс завершает свое выполнение с помощью функции exit. Эта функция может быть вызвана системным вызовом exit(2), а если завершение процесса вызвано получением сигнала, функцию exit вызывает само ядро. Функция exit выполняет следующие действия:

 Отключает все сигналы.

 Закрывает все открытые файлы.

 Сохраняет статистику использования вычислительных ресурсов и код возврата в записи proc таблицы процессов.

 Изменяет состояние процесса на "зомби".

 Делает процесс init(1M) родительским для всех потомков данного процесса.

 Освобождает адресное пространство процесса, u-area, карты отображения и области свопинга, связанные с процессом.

 Отправляет сигнал SIGCHLD родительскому процессу, уведомляя его о "смерти" потомка.

 Пробуждает родительский процесс, если тот ожидает завершения потомка.

 Запускает функцию переключения контекста, в результате чего высокоприоритетный процесс получает доступ к вычислительным ресурсам.

После завершения выполнения функции exit процесс находится в состоянии "зомби". При этом от процесса остается запись proc в таблице процессов, содержащая статистику использования вычислительных ресурсов и код возврата. Эта информация может потребоваться родительскому процессу, поэтому освобождение структуры proc производит родитель с помощью системного вызова wait(2) возвращающего статистику и код возврата потомка. Если родительский процесс заканчивает свое выполнение раньше потомка, "родительские права" переходят к процессу init(1M). В этом случае после смерти потомка init(1M) делает системный вызов wait(2) и освобождает структуру proc.

Другая ситуация возникает, если потомок заканчивает свое выполнение раньше родителя, а родительский процесс не производит вызова wait(2). В этом случае структура proc потомка не освобождается и процесс продолжает находиться в состоянии "зомби" до перезапуска операционной системы. Хотя такой процесс (которого, вообще говоря, не существует) не потребляет ресурсов системы, он занимает место в таблице процессов, тем самым уменьшая максимальное число активных задач.

Сигналы

В некотором смысле сигналы обеспечивают простейшую форму межпроцессного взаимодействия, позволяя уведомлять процесс или группу процессов о наступлении некоторого события. Мы уже рассмотрели в предыдущих главах сигналы с точки зрения пользователя и программиста. Теперь мы остановимся на обслуживании сигналов операционной системой.

Группы и сеансы

Группы процессов и сеансы уже обсуждались в главе 2. Такое представление набора процессов используется в UNIX для управления доступом к терминалу и поддержки пользовательских сеансов работы в системе. Перечислим еще раз наиболее важные понятия, связанные с группами и сеансами.

 Группа процессов. Каждый процесс принадлежит определенной группе процессов. Каждая группа имеет уникальный идентификатор. Группа может иметь в своем составе лидера группы — процесс, чей идентификатор PID равен идентификатору группы. Обычно процесс наследует группу от родителя, но может покинуть ее и организовать собственную группу.

 Управляющий терминал. Процесс может быть связан с терминалом, который называется управляющим. Все процессы группы имеют один и тот же управляющий терминал.