Андрей Робачевский - Операционная система UNIX

Сердцем операционной системы UNIX является подсистема управления процессами. Практически все действия ядра имеют отношение к процессам, будь то обслуживание системного вызова, генерация сигнала, размещение памяти, обработка особых ситуаций, вызванных выполнением процесса или обеспечением услуг ввода/вывода по запросу прикладного процесса.

Вся функциональность операционной системы в конечном счете определяется выполнением тех или иных процессов. Даже так называемые уровни выполнения системы (run levels) представляют собой ни что иное, как удобную форму определения группы выполняющихся процессов. Возможность терминального или сетевого доступа к системе, различные сервисы, традиционные для UNIX, — система печати, удаленные архивы FTP, электронная почта и система телеконференций (news) — все это результат выполнения определенных процессов.

В этой главе рассматриваются вопросы: что такое процесс в представлении операционной системы, каковы связанные с ним структуры данных, позволяющие UNIX осуществлять управление процессом, а также описывается жизненный цикл процесса — от его создания до прекращения выполнения.

Процессы в UNIX неотъемлемо связаны с двумя важнейшими ресурсами системы — процессором (или процессорами) и оперативной памятью. Как правило, этих ресурсов никогда не бывает "много", и в операционной системе происходит активная конкурентная борьба за право обладания процессором и памятью. Мы рассмотрим принципы организации и управления памятью, т.к. даже при самом умеренном объеме физической памяти адресное пространство процесса составляет несколько гигабайт! Мы также подробно остановимся на том, как операционная система планирует выполнение процессов — ведь в каждый момент времени в однопроцессорной системе UNIX может выполняться не более одного процесса. UNIX является многозадачной системой общего назначения, поэтому задача справедливого распределения этого ресурса между задачами различного класса и с различными требованиями является нетривиальной.

Мы познакомимся с тем, как создаются новые процессы и запускаются новые программы (из предыдущих глав вы помните, что это не одно и то же). По существу процесс является "рамкой", в которую необходимо вставить "картину" или "фотографию" — некоторую прикладную программу. В этой главе рассматриваются важные этапы жизни процесса, такие как сон и пробуждение, переключение контекста, связанного со сменой задачи, и завершение его выполнения.

Последние разделы главы посвящены взаимодействию между процессами. Хотя основной задачей операционной системы является изоляция отдельного процесса от остальных, время от времени процессам все же требуется обмениваться данными. Для этого UNIX предлагает широкий спектр средств — от элементарного механизма сигналов до сложных подсистем межпроцессного взаимодействия — IPC UNIX System V и сокетов BSD.

Уже говорилось, что процесс UNIX представляет собой исполняемый образ программы, включающий отображение в памяти исполняемого файла, полученного в результате компиляции, стек, код и данные библиотек, а также ряд структур данных ядра, необходимых для управления процессом. На рис. 3.1 схематически представлены компоненты, необходимые для создания и выполнения процесса.

Рис. 3.1. Инфраструктура процесса операционной системы UNIX

Процесс во время выполнения использует различные системные ресурсы — память, процессор, услуги файловой подсистемы и подсистемы ввода/вывода. Операционная система UNIX обеспечивает иллюзию одновременного выполнения нескольких процессов, эффективно распределяя системные ресурсы между активными процессами и не позволяя в то же время ни одному из них монополизировать использование этих ресурсов.

Новорожденная операционная система UNIX обеспечивала выполнение всего двух процессов, по одному на каждый подключенный к PDP-7 терминал. Спустя год, на той же PDP-7 число процессов заметно увеличилось, появился системный вызов fork(2) . В Первой редакции UNIX появился вызов exec(2) , но операционная система по-прежнему позволяла размещать в памяти только один процесс в каждый момент времени. После реализации аппаратной подсистемы управления памятью на операционная система была модифицирована, что позволило загружать в память сразу несколько процессов, уменьшая тем самым время на сохранение образа процесса во вторичной памяти (на диске) и считывание его, когда процесс продолжал выполнение. Однако до 1972 года UNIX нельзя было назвать действительно многозадачной системой, т.к. операции ввода/вывода оставались синхронными, и другие процессы не могли выполняться, пока их "коллега" не завершал операцию ввода/вывода достаточно продолжительную). Истинная многозадачность появилась только после того, как код UNIX был переписан на языке С в 1973 году. С тех пор основы управления процессами практически не изменились.