8820

Процессы и потоки (нити)

Контрольная

Информатика, кибернетика и программирование

Процессы и потоки (нити). 2.1 Процессы 2.1.1 Понятие процесса Процесс (задача) - программа, находящаяся в режиме выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство, из которого он может читать и в которое он может писать данн...

Русский

2013-02-17

130 KB

35 чел.

Процессы и потоки (нити).

2.1 Процессы

2.1.1 Понятие процесса 

Процесс (задача) - программа, находящаяся в режиме выполнения.

С каждым процессом связывается его адресное пространство, из которого он может читать и в которое он может писать данные.

Адресное пространство содержит:

  •  саму программу
  •  данные к программе
  •  стек программы

С каждым процессом связывается набор регистров, например:

  •  счетчика команд (в процессоре) - регистр в котором содержится адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того как команда выбрана из памяти, счетчик команд корректируется и указатель переходит к следующей команде.
  •  указатель стека
  •  и д.р.

Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, дополнительная к содержимому его собственного адресного пространства, хранится в таблице процессов операционной системы.

Некоторые поля таблицы: 

Управление процессом

Управление памятью

Управление файлами

Регистры

Счетчик команд

Указатель стека

Состояние процесса

Приоритет

Параметры планирования

Идентификатор процесса

Родительский процесс

Группа процесса

Время начала процесса

Использованное процессорное время

Указатель на текстовый сегмент

Указатель на сегмент данных

Указатель на сегмент стека

Корневой каталог

Рабочий каталог

Дескрипторы файла

Идентификатор пользователя

Идентификатор группы

 

2.1.2 Модель процесса 

В многозадачной системе реальный процессор переключается с процесса на процесс, но для упрощения модели рассматривается набор процессов, идущих параллельно (псевдопараллельно).

Рассмотрим схему с четырьмя работающими программами.

В каждый момент времени активен только один процесс

 

 

С права представлены параллельно работающие процессы, каждый со своим счетчиком команд. Разумеется, на самом деле существует только один физический счетчик команд,  в который загружается логический счетчик команд текущего процесса. Когда время, отведенное текущему процессу, заканчивается, физический счетчик команд сохраняется в памяти, в логическом счетчике команд процесса.

 

2.1.3 Создание процесса 

Три основных события, приводящие к созданию процессов (вызов fork или CreateProcess):

  •  Загрузка системы
  •  Работающий процесс подает системный вызов на создание процесса
  •  Запрос пользователя на создание процесса

Во всех случаях, активный текущий процесс посылает системный вызов на создание нового процесса.

В UNIX каждому процессу присваивается идентификатор процесса ( PID - Process IDentifier)

 

2.1.4 Завершение процесса 

Четыре события, приводящие к остановке процесса (вызов exit или ExitProcess):

  •  Плановое завершение (окончание выполнения)
  •  Плановый выход по известной ошибке (например, отсутствие файла)
  •  Выход по неисправимой ошибке (ошибка в программе)
  •  Уничтожение другим процессом

Таким образом, приостановленный процесс состоит из собственного адресного пространства, обычно называемого образом памяти (core image), и компонентов таблицы процессов (в числе компонентов и его регистры).

 

2.1.5 Иерархия процессов 

В UNIX системах заложена жесткая иерархия процессов. Каждый новый процесс созданный системным вызовом fork, является дочерним к предыдущему процессу. Дочернему процессу достаются от родительского переменные, регистры и т.п. После вызова fork, как только родительские данные скопированы, последующие изменения в одном из процессов не влияют на другой, но процессы помнят о том, кто является родительским.

В таком случае в UNIX существует и прародитель всех процессов - процесс init.

 

 

 

Дерево процессов для систем UNIX

 

В Windows не существует понятия иерархии процессов. Хотя можно задать специальный маркер родительскому процессу, позволяющий контролировать дочерний процесс.

 

2.1.6 Состояние процессов 

Три состояния процесса:

  •  Выполнение (занимает процессор)
  •  Готовность (процесс временно приостановлен, чтобы позволить выполняться другому процессу)
  •  Ожидание (процесс не может быть запущен по своим внутренним причинам, например, ожидая операции ввода/вывода)

Возможные переходы между состояниями.

1. Процесс блокируется, ожидая входных данных

2. Планировщик выбирает другой процесс

3. Планировщик выбирает этот процесс

4. Поступили входные данные

 

Переходы 2 и 3 вызываются планировщиком процессов операционной системы, так что сами процессы даже не знают о этих переходах. С точки зрения самих процессов есть два состояния выполнения и ожидания.

На серверах для ускорения ответа на запрос клиента, часто загружают несколько процессов в режим ожидания, и как только сервер получит запрос, процесс переходит из "ожидания" в "выполнение". Этот переход выполняется намного быстрее, чем запуск нового процесса.

2.2 Потоки (нити, облегченный процесс) 

2.2.1 Понятие потока 

Каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный поток исполняемых команд. В многопользовательских системах, при каждом обращении к одному и тому же сервису, приходится создавать новый процесс для обслуживания клиента. Это менее выгодно, чем создать квазипараллельный поток внутри этого процесса с одним адресным пространством.

 

Сравнение многопоточной системы с однопоточной

 

2.2.2 Модель потока 

С каждым потоком связывается: 

  •  Счетчик выполнения команд
  •  Регистры для текущих переменных
  •  Стек
  •  Состояние

Потоки делят между собой элементы своего процесса:

  •  Адресное пространство
  •  Глобальные переменные
  •  Открытые файлы
  •  Таймеры
  •  Семафоры
  •  Статистическую информацию.

 

В остальном модель идентична модели процессов.

В POSIX и Windows есть поддержка потоков на уровне ядра.

В Linux есть новый системный вызов clone для создания потоков, отсутствующий во всех остальных версиях системы UNIX.

В POSIX есть новый системный вызов pthread_create для создания потоков.

В Windows есть новый системный вызов Createthread для создания потоков.

 

2.2.3 Преимущества использования потоков 

  1.  Упрощение программы в некоторых случаях, за счет использования общего адресного пространства.
  2.  Быстрота создания потока, по сравнению с процессом, примерно в 100 раз.
  3.  Повышение производительности самой программы, т.к. есть возможность одновременно выполнять вычисления на процессоре и операцию ввода/вывода. Пример: текстовый редактор с тремя потоками может одновременно взаимодействовать с пользователем, форматировать текст и записывать на диск резервную копию.

2.2.4 Реализация потоков в пространстве пользователя, ядра и смешанное 

 

А - потоки в пространстве пользователя

B - потоки в пространстве ядра

В случае А ядро о потоках ничего не знает. Каждому процессу необходима таблица потоков, аналогичная таблице процессов.

Преимущества случая А: 

  •  Такую многопоточность можно реализовать на ядре не поддерживающим многопоточность
  •  Более быстрое переключение, создание и завершение потоков
  •  Процесс может иметь собственный алгоритм планирования.

Недостатки случая А: 

  •  Отсутствие прерывания по таймеру внутри одного процесса
  •  При использовании блокирующего (процесс переводится в режим ожидания, например: чтение с клавиатуры, а данные не поступают) системного запроса все остальные потоки блокируются.
  •  Сложность реализации

Мультиплексирование потоков пользователя в потоках ядра

Поток ядра может содержать несколько несколько потоков пользователя.

 

2.2.5 Особенности реализации Windows 

Используется четыре понятия:

  •  Задание - набор процессов с общими квотами и лимитами
  •  Процесс - контейнер ресурсов (память ...), содержит как минимум один поток.
  •  Поток - именно исполняемая часть, планируемая ядром.
  •  Волокно - облегченный поток, управляемый полностью в пространстве пользователя. Один поток может содержать несколько волокон.

Потоки работают в режиме пользователя, но при системных вызовах переключаются в режим ядра. Из-за переключения в режим ядра и обратно, очень замедляется работа системы. Поэтому было введено понятие волокна. У каждого потока может быть несколько волокон.

 


PAGE  7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76640. Восточные славяне в древности 32.5 KB
  Однако историки сходятся во мнении что реальными предшественниками русских людей были восточные славяне принадлежащие к группе индоевропейских народов. В результате разгрома сарматами славяне продвигаются на север в лесную зону ассимилируя литовско-латышские и финно-угорские племена. Главными действующими лицами в нем были германцы и славяне.
76641. Особенности становления государственности в России и в мире. Киевская Русь 32.5 KB
  Центром этого государства был Киев. Название этого государства неизвестно. Иногда его называют Каганат русов поскольку глава этого государства по аналогии с соседним хазарским носил титул Кагана. На эти сведения опирается так называемая норманская теория происхождения русского государства.
76642. Крещение Руси 34.5 KB
  Оно имеет длительную историю: распространение христианства на Руси началось задолго до крещения на Днепре и продолжалось еще в течение полутора веков. Православные источники связывают проникновение христианства на территорию Киевской Руси с миссионерской деятельностью апостола Андрея Первозванного в I веке н. Владимир предпринял первую религиозную реформу суть которой состояла в попытке слияния разнородных богов всех племен Киевской Руси в единый пантеон во главе с княжеским богом Перуном.
76643. Феодальная раздробленность Руси 27 KB
  Как и в Западной Европе тенденции к политической раздробленности на Руси проявились рано. Именно с этого времени историческая наука ведет отсчет феодальной раздробленности на Руси. В первые полтора века существования Киевской Руси дружина полностью находилась на содержании у князя.
76645. Русские земли в 15 в. и европейское средневековье. Складывание централизованного государства. Возвышение Москвы 39 KB
  Возвышение Москвы Как и в Западной Европе после периода феодальной раздробленности на Руси в XIVXV вв. На Руси хотя экономические связи между отдельными княжествами без сомнения развивались но общий всероссийский рынок возник позже только в XVII в. Таким образом политические процессы на Руси опережали экономические. Усилиями нескольких поколений выдающихся деятелей на Руси складывается такое государство.
76646. Россия в 16 в. в контексте развития европейской цивилизации. Иван-4 – первый царь Всея Руси. Опричина 35 KB
  Период опричнины В 1560 г. царь вводит новый порядок управления государством получивший название опричнины. Политическим и административным центром опричнины стал особый двор со своей Боярской думой и приказами. В опричнине была особая казна и особое опричное войско: первоначально одна тысяча к концу опричнины шесть тысяч.
76647. Россия в 16 в. в контексте развития европейской цивилизации. «Смутное время». Воцарение династии Романовых 38 KB
  Главной отраслью экономики России оставалось с х а основными с х культурами были рожь и овес. За счет освоения новых земель в Поволжье в Сибири на юге России производилось больше с х продукции чем в прошлом веке хотя методы обработки земли оставались прежними с помощью сохи бороны; плуг внедрялся медленно. период в истории России названный Смутным временем.
76648. Россия и мир в 18 в. Оформление Российского абсолютизма. Петр 1 27 KB
  В России в XVIII в. При Петре I в России окончательно утвердился абсолютизм Петр был провозглашен императором что означало усиление власти самого царя он стал монархом самодержавным и неограниченным. В России была проведена реформа государственного аппарата вместо Боярской думы учреждался Сенат в состав которого входили девять сановников ближайших Петру I. В России упразднялась должность патриарха наблюдение за церковью поручалось оберпрокурору Синода.