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

33 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

26015. Классификация бесприоритетных дисциплин обслуживания 13.11 KB
  Возможны следующие бесприоритетные дисциплины обслуживания то есть правила выборки заявки из очереди при необходимости назначения на обслуживание: выбирается первая в очереди заявка дисциплина первым пришел первым вышел FIFO First Input First Output; выбирается последняя в очереди заявка дисциплина последним пришел первым вышел LIFO Last Input First Output; заявка выбирается из очереди случайным образом.
26016. Классификация приоритетных дисциплин обслуживания 13.39 KB
  В приоритетных дисциплинах обслуживания заявкам некоторых типов представляется преимущественное право на обслуживание перед заявками других типов называемое приоритетом. Относительные приоритеты учитываются только в момент назначения заявки на обслуживание. При освобождении канала обслуживания сравниваются приоритеты заявок находящихся в очереди в состоянии ожидания и обслуживание предоставляется заявке с наибольшим приоритетом после чего выбранная заявка захватывает канал обслуживания. Обслуживание...
26017. СМО с отказами и полной взаимопомощью для массовых потоков. Граф, система уравнений, расчетные соотношения 35.4 KB
  На систему обслуживания имеющую n каналов обслуживания поступает пуассоновский поток заявок с интенсивностью λ. Интенсивность обслуживания заявки каждым каналом . После окончания обслуживания все каналы освобождаются. Поведение такой системы массового обслуживания можно описать Марковским случайным процессом t представляющим собой число заявок находящихся в системе.
26018. Определение Пуассоновского потока. Свойства 60.41 KB
  Определение Пуассоновского потока. Пуассоновский поток это ординарный поток без последействия. Классической моделью трафика в информационных сетях является Пуассоновский простейший поток. Он характеризуется набором вероятностей Pk поступления k сообщений за временной интервал t: где k=01 число сообщений; λ интенсивность потока.
26019. Общее понятие СМО. Основные составляющие модели 32.32 KB
  Система массового обслуживания СМО система которая производит обслуживание поступающих в нее требований. В зависимости от наличия возможности ожидания поступающими требованиями начала обслуживания СМО подразделяются на: системы с потерями в которых требования не нашедшие в момент поступления ни одного свободного прибора теряются; системы с ожиданием в которых имеется накопитель бесконечной ёмкости для буферизации поступивших требований при этом ожидающие требования образуют очередь; системы с накопителем конечной емкости...
26020. Классификация СМО 34.33 KB
  Эти ограничения могут касаться длины очереди числа заявок одновременно находящихся в очереди времени пребывания заявки в очереди после какогото срока пребывания в очереди заявка покидает очередь и уходит общего времени пребывания заявки в СМО и т. Например для СМО с отказами одной из важнейших характеристик ее продуктивности является так называемая абсолютная пропускная способность среднее число заявок которое может обслужить система за единицу времени. Наряду с абсолютной часто рассматривается относительная пропускная способность...
26021. Понятие систем обслуживания. Классификация 15.7 KB
  При исследовании операций очень часто приходиться сталкиваться с анализом работы своеобразных систем называемых системами массового обслуживания СМО. Каждая СМО состоит из какогото числа обслуживающих единиц которые называются каналами обслуживания. Всякая СМО предназначена для обслуживания какогото потока заявок поступающих в какието случайные моменты времени. Случайный характер потока заявок и времен обслуживания приводит к тому что в какието периоды времени на входе СМО скапливается излишне большое число заявок они либо...
26022. Понятие дисциплины обслуживания. Классификация 15.64 KB
  Понятие дисциплины обслуживания. Дисциплины постановки в очередь и выбора из нее определяют порядок постановки требований в очередь если заняты устройства обслуживания и порядок выбора из очереди если освобождается обслуживающее устройство. Правила обслуживания характеризуются длительностью обслуживания распределением времени обслуживания количеством требований которые обслуживаются одновременно и дисциплиной обслуживания. Время обслуживания бывает детерминированным или заданным вероятностным законом распределения.
26023. Понятие очереди. Классификация 50.44 KB
  Понятие очереди. Очереди характеризуются правилами стояния в очереди дисциплиной обслуживания количеством мест в очереди сколько клиентов максимум может находиться в очереди структурой очереди связь между местами в очереди. Бывают ограниченные и неограниченные очереди. Это такие системы в которых на пребывание заявки в очереди накладываются некоторые ограничения.