Понятие процесс(process) введено разработчиками ОС с 60-х годов, как программа во время выполнения. Заметим, что программа - это всего лишь файл в формате загрузки, сохраняемый на диске, а процесс расположен в памяти на этапе выполнения.

Состояния процесса

Для процесса характерен ряд дискретных состояний, причем смену этих состояний могут вызывать различные события. Первоначально ограничимся рассмотрением трех основных состояний процесса.

Процесс находится в состоянии выполнения, если в данный момент ему выделен центральный процессор (ЦП).

Процесс находится в состоянии готовности, если он мог бы сразу использовать центральный процессор, предоставленный в его распоряжение.

Процесс находится в состоянии блокировки, если он ожидает некоторого события, чтобы получить возможность продолжать выполнение.

Заметим, что в однопроцессорной машине в состоянии выполнения может в каждый конкретный момент времени находится только один процесс. В состояниях же готовности и блокировки могут находиться несколько процессов, т.е. есть возможность создать список готовых и список заблокированных процессов.

Список готовых процессов упорядочен по приоритету, первым в распоряжение получает ЦП первый процесс из списка. При создании списка готовых процессов, каждый новый процесс помещается в конец списка, а по мере завершения выполнения предыдущих процессов продвигается в головную часть списка. Список же заблокированных процессов не упорядочен, т.к. разблокировка процессов осуществляется в том порядке, в котором происходят ожидаемые ими события.

Запуск, или выбор процесса для выполнения - это предоставление ЦП первому процессу из списка готовых процессов. Запуск осуществляется с помощью программы - диспетчер. Обозначим такую смену состояний следующим образом: операционная система linux

Для предотвращения монопольного захвата ресурсов ЦП одним процессом, ОС устанавливает в специальном таймере прерываний определенный временной интервал, который отводится для данного процесса, по истечении кванта времени, таймер вырабатывает сигнал прерывания, по которому управление передается ОС и процесс переводится из состояния выполнения в состояние готовности, а первый процесс из списка готовых - в состояние выполнения.

Блокирование процесса - это освобождение ЦП процессом до истечения отведенного ему кванта времени, т.е. когда выполняющийся процесс инициирует, например, операцию ввода-вывода, и, таким образом, добровольно освобождает ЦП в ожидании завершения указанной операции.

Пробуждение процесса осуществляется тогда, когда происходит какое-либо событие, ожидаемое процессом, и он переходит из состояния блокировки в состояние готовности. Так в выше описанном случае, после завершения операции ввода-вывода.

Итак, мы определили четыре возможные смены состояния процесса.

Отметим, что единственная смена состояния, инициируемая самим процессом - это блокирование, остальные инициируются объектами, внешними по отношению к данному процессу.

Операции над процессами

Системы, управляющие процессами, должны иметь возможность выполнять над ними ряд операций.

Создание процесса. операционная система linux

Создание процесса включает присвоение имени процессу; включение его имени в список имен процессов; определение начального приоритета процесса; формирование блока управления процессом РСВ; выделение процессу начальных ресурсов.

Процесс может породить новый процесс и в этом случае, первый будет называться родительским, а второй дочерним процессом, причем у одного родительского процесса может быть несколько дочерних, а у дочернего только один родительский. Таким образом, создается иерархическая структура процессов.

ОС UNIX, являясь в своей основе средством управления процессами, сама по себе может рассматриваться как система параллельных взаимодействий процессов с древовидной структурой. Общий прародитель всех процессов в ОС UNIX - процесс init, находится в вершине генеалогического дерева, этот процесс постоянно присутствует в системе, все другие процессы порождаются по унифицированной схеме с помощью системного вызова fork().

Каждому созданному процессу UNIX назначает уникальный идентификатор процесса - PID , который идентифицирует процесс для ОС. Кроме того, каждый процесс имеет еще PPID (parent process), который представляет собой не что иное как PID его родителя.

Используя в UNIX команду ps можно видеть идентификаторы текущих процессов в системе.

Уничтожение процесса.

При уничтожении процесса, ресурсы ему выделенные передаются системе, имя из любых списков и таблиц удаляется, а блок управления процессом освобождается.

Приостановка процесса.

Приостановленный процесс может продолжить свое выполнение тогда, когда его активизирует какой-либо другой процесс.

Возобновление процесса.

Операция подготовки процесса к повторному запуску с той точки, в которой он был приостановлен, называется - возобновлением.

Изменение приоритета процесса.

Эта операция означает модификацию значения приоритета процесса в РСВ.

Кроме того, используются операции блокирования, пробуждения и запуска процесса.

С учетом введенных понятий приостановки и возобновления процесса картина смены состояний процесса, приведенная на рис.1 может быть несколько дополнена.

Техническое состояние - это состояние, характеризующееся значениями параметров в данный промежуток времени, при конкретных условиях окружающей среды, которые установлены при этом технической документацией на данный объект. Факторов, способствующих изменениям технического состояния строительного объекта, множество, сюда относятся воздействия климатических условий, замена отказавших элементов конструкции объекта, старение с течением времени и так далее. При этом по значениям контролируемых (диагностических) параметров можно судить об изменении технического состояния объекта, а также определить такие изменения без применения разрушающих методов обследования. Много о строительном объекте и его техническом состоянии, а также характеристиках работоспособности отдельных элементов объекта, скажут конструктивные особенности сооружения. Проявляется это в их реагировании на воздействия различных факторов среды в процессе эксплуатации объекта. Так, например, качество выполнения строительно-монтажных работ влияет как на рассеивание начальных значений в характеристиках работоспособности объекта и его конструкций, так и на интенсивность перемены их значений в процессе эксплуатации здания.

Техническое состояние зданий и сооружений ухудшается постоянно - это неизбежно, так как в процессе их эксплуатации количественные значения показатели их работоспособности, такие как, например, надежность, неуклонно снижаются. Это происходит, в первую очередь, из-за изменений физических свойств материалов конструктивных элементов объекта, которые, кроме того, имеют различные характеристики сопряжения между собой, размеры и формы. Хотя и ухудшение технического состояния объекта закономерно иногда оно может носить и случайный характер. В этом случае утрата работоспособности элементов конструкции объекта происходит в течение долгого времени и с малой интенсивностью действия. Снижения показательных характеристик технического состояния объекта может произойти и внезапно. Такие процессы случайны, но имеют место быть в строительной практике. При этом работоспособность объекта снижается независимо, хотя и все протекающие процессы при этом взаимодействуют между собой при этом, что значительно затрудняет математический анализ отмеченного ухудшения технического состояния на поднадзорном объекте. Модель для рассмотрения процесса снижения работоспособности здания или сооружения не может быть единой и однозначной для всех, так для одного и того же объекта можно выбрать несколько моделей рассмотрения.

Существует две группы факторов, которые вызывают ухудшение работоспособности объекта, как в целом, так и в отдельных его элементах. Рассматривая их с точки зрения механизма воздействия, можно выделить причины внутреннего и внешнего характера. В случае внутренних причин могут быть физико-химические процессы, которые могут протекать в материалах, нагрузки на элементы объекта, дефекты производства и конструктивные факторы. К внешним причинам стоит относить климатические факторы, факторы внешней среды, воздействующей на объект, качество его эксплуатации, а также различные воздействия, которые предусматриваются системой технического ремонта и обслуживания строительного объекта. Строительная организация , обеспечивающая требуемую нормами работоспособность всех конструкций и элементов здания за конкретную длительность эксплуатации их, должна учитывать рациональные конструктивные решения, которые снизят до минимума затраты труда и финансовых средств.

Объекты процессов и потоков

Объектно-ориентированная структура операционной системы W2K облегча­ет разработку подсистемы для работы с процессами. Разработчики W2K вос­пользовались двумя типами связанных с процессами объектов: процессами и по­токами. Процесс - это объект, соответствующий заданию или приложению пользователя, который владеет своими собственными ресурсами, такими, как память и открытые файлы. Поток - это диспетчеризуемая единица работы, ко­торая выполняется последовательно и является прерываемой, что позволяет процессору переключиться на выполнение другого потока.

Каждый процесс в операционной системе W2K представлен объектом, об­щая структура которого показана на рис. 4.13,а. Каждый процесс определяется некоторым числом атрибутов и может предоставлять определенные сервисы, ко­торые он выполняет после получения соответствующего сообщения-запроса. Единственный способ вызвать такой сервис - отправка сообщения процессу, ко­торый его предоставляет. При создании нового процесса операционная система W2K использует класс или тип объектов, определенный как шаблон процесса для генерации новых экземпляров объектов. Во время создания объекта его ат­рибутам присваиваются конкретные значения. В табл. 4.3 приводится краткое описание каждого атрибута процессов.

Таблица 4.3. Атрибуты процесса в операционной системе Windows 2000

В операционной системе W2K процесс перед выполнением должен содер­жать хотя бы один поток, который затем может создавать другие потоки. В мно­гопроцессорной системе несколько потоков одного и того же процесса могут вы­полняться параллельно. На рис. 4.13,6 изображена структура объекта потока, а в табл. 4.4 определены его атрибуты. Заметим, что некоторые атрибуты потока подобны атрибутам процесса. Значения таких атрибутов потока извлекаются из значений соответствующих атрибутов процесса. Например, в многопроцессорной системе сродные потоку процессоры - это множество процессоров, на которых может выполняться данный поток; это множество совпадает с множеством про­цессоров, сродных процессу, или является его подмножеством.

Заметим, что одним из атрибутов процесса является его контекст. Содер­жащаяся в контексте информация позволяет операционной системе приостанав­ливать и возобновлять потоки. Более того, приостановив поток и изменив его контекст, можно изменить его поведение.

Многопоточность

Операционная система W2K поддерживает параллельное выполнение процессов, потому что потоки различных процессов могут выполняться одно­временно. Более того, нескольким потокам одного и того же процесса могут быть выделены различные процессоры, и эти потоки также могут выпол­няться одновременно. Параллелизм достигается в многопоточном процессе без накладных расходов на использование нескольких процессов. Потоки од­ного и того же процесса могут обмениваться между собой информацией с по­мощью общего адресного пространства и имеют доступ к совместным ресур­сам процесса. Потоки, принадлежащие разным процессам, могут обменивать­ся между собой информацией с помощью общей области памяти, установленной для этих двух процессов.

Объектно-ориентированный многопоточный процесс является эффективным средством реализации серверных приложений. Например, один обслуживающий процесс может обслуживать несколько клиентов. Каждый запрос клиента приво­дит к созданию в сервере нового потока.

Состояния потоков

Поток, созданный в операционной системе W2K, может находиться в одном из шести состояний (см. рис. 4.14). Перечислим эти состояния.

Готовый к выполнению. Поток, который может быть направлен на выпол­нение. Диспетчер микроядра отслеживает все готовые к выполнению потоки и осуществляет их планирование в соответствии с приоритетом.

Резервный. Поток, который будет запущен следующим на данном процес­соре. Поток находится в этом состоянии до тех пор, пока процессор не осво­бодится. Если приоритет резервного потока достаточно высок, то он может вытеснить выполняющийся в данный момент поток. В противном случае резервный поток ждет, пока не произойдет блокировка выполняющегося потока или пока не истечет выделенный ему промежуток времени.

Выполняющийся. Как только микроядро переключит поток или процесс, резервный поток перейдет в состояние выполнения и будет пребывать в этом состоянии до тех пор, пока не произойдет одно из следующих событий: поток будет вытеснен, закончится отведенный ему интервал времени, поток будет блокирован или завершен. В первых двух случаях поток снова переходит в состояние готовности.

Ожидающий. Поток входит в состояние ожидания, если (1) он блокирован каким-то событием (например, операцией ввода-вывода), (2) он добровольно ждет синхронизации или (3) среда подсистемы предписывает потоку, чтобы он сам себя приостановил. После того как условия ожидания будут удовлетворены, поток переходит в состояние готовности, если все его ресурсы бу­дут доступны.

Переходный. Поток переходит в это состояние, если он готов к выполне­нию, но ресурсы недоступны (например, страницы стека потока могут нахо­диться на диске). После того как необходимые ресурсы станут доступны, процесс переходит в состояние готовности.

Завершающийся. Завершение потока может быть инициировано самим по­током, другим потоком или может произойти вместе с завершением роди­тельского процесса. После завершения необходимых операций освобожде­ния ресурсов и т.п. поток удаляется из системы (или может быть сохранен исполнительной системой для дальнейшей повторной инициализации).

Состояние объекта и переход объекта в различные состояния

Безотказность характеризуется техническим состоянием объекта: исправностью, неисправностью, работоспособностью, неработоспособностью, дефектом, повреждением и отказом. Каждое из этих состояний характеризуется совокупностью значений параметров, описывающих состояние объекта, и качественных признаков. Номенклатура этих параметров и признаков, а также пределы допустимых их изменений устанавливаются нормативной документацией на объект.

Исправное состояние объекта - это такое состояние, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. В противоположность этому, неисправное состояние объекта – это состояние, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и конструкторской документации. При работоспособном состоянии объекта значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. Если значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность элемента ЯЭУ выполнять заданные функции, не соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации, то такое состояние называется неработоспособным. А событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта, называется отказом. Событие, состоящее в нарушении исправного состояния объекта, но сохраняющего его работоспособность, носит название повреждения (дефекта).

Границы между исправным и неисправным, между работоспособным и неработоспособным состояниями обычно условны и представляют собой, в основном, совокупность определенных значений параметров объектов. Эти значения одновременно являются границами соответствующих допусков. Работоспособность и неработоспособность могут быть как полными, так и частичными. Если объект полностью работоспособен, то в определенных условиях эксплуатации возможно достижение максимальной эффективности его применения. Эффективность применения в тех же условиях частично работоспособного объекта меньше максимально возможной, но значения ее показателей еще находятся в пределах, установленных для такого функционирования, которое считается нормальным для данного объекта.

Работоспособность должна рассматриваться применительно к определенным внешним условиям эксплуатации объекта. Элемент, работоспособный в одних условиях, может, оставаясь исправным, оказаться неработоспособным в других.

Переход объектов из одного состояния в другое обычно происходит вследствие повреждения или отказа. Общая схема состояний и событий приведена на рисунок 6.

1 - повреждение; 2 - отказ; 3 - переход объекта в предельное состояние;

4 - восстановление; 5 - ремонт

Рисунок 6 – Схема постоянных состояний и событий объектов

Работоспособный объект в отличие от исправного должен удовлетворять лишь тем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации, выполнение которых обеспечивает нормальное его применение по назначению. Очевидно, что работоспособный элемент может быть неисправным, например, не удовлетворяющим эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида не препятствует его применению по назначению. Переход элемента из исправного в неисправное состояние происходит вследствие дефектов. Термин «дефект» применяют, в основном, на этапах изготовления и ремонта. В этих случаях требуется учитывать отдельно каждое конкретное несоответствие объекта требованиям, установленным нормативной документацией. Термин «неисправность» применяется при эксплуатации объектов, когда требуется учитывать изменения технического состояния элементов, независимо от числа обнаруженных дефектов. Находясь в неисправном состоянии, объект имеет один или несколько определенных дефектов. В этом плане возможно представление состояний в виде, показанном на рисунок 7.

Рисунок 7 – Состояния и события объекта

Ремонтопригодность - это свойство объекта, заключающееся в при­способленности к предупреждению и обнаружению причин отказов, повреждений и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодность представляет собой совокупность технологичности при техническом обслуживании и ремонтной технологичности объектов. Свойство ремонтопригодности полностью определяется его конструкцией, т. е. предусматривается и обеспечивается при разработке, изготовлении и монтаже объектов, с учетом будущего целесообразного уровня их восстановления, который определяется соотношением ремонтопригодности и внешних условий для выполнения ремонта, в том числе устанавливаемых для этого пределов соответствующих затрат. Отсюда происходит относительность деления объектов на восстанавливаемые и невосстанавливаемые применительно к определенным внешним условиям (точнее, на подлежащие и не подлежащие восстановлению). Один и тот же элемент в зависимости от окружающих условий и этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым. Например, доступность для выполнения ремонта ряда элементов активной зоны и внутриреакторных элементов корпусных ядерных реакторов во время работы практически ограничена, эти элементы при работе реактора на мощности относят к невосста­навливаемым.

Таким образом, деление объектов на восстанавливаемые и невосстанавливаемые зависит от рассматриваемой ситуации и в значительной степени условно. Однако необходимо и безусловное деление этих же элементов на вообще доступные для ремонта и не подлежащие ему применительно ко всему времени их существования, т. е. на ремонтируемые и неремонтируемые. Деление по обоим признакам для многих объектов совпадает: ремонтируемый элемент может быть восстанавливаемым на протяжении всего срока службы, а неремонтируемый элемент остается невосстанавливаемым в течение всего времени существования. Однако имеются ремонтируемые объекты, которые в определенных ситуациях в случае возникновения отказа в течение данного интервала времени (например, времени компании) не подлежат восстановлению. С другой стороны, есть не ремонтируемые элементы, обладающие самовосстанавливаемостью работоспособности в случае возникновения некоторых отказов, в частности, при наличии резервных элементов и соответствующих автоматических устройств, осуществляющих в таких случаях переход на использование резерва.

Следовательно, при формулировании и решении задач обеспечения, прогнозирования и оценивания надежности существенное практиче­ское значение имеет решение, которое должно приниматься в случае отказа объекта – восстанавливать его или нет. Отнесение объекта к восстанавливаемым или невосстанавливаемым влечет за собой выбор определенных показателей надежности. Например, очевидно, что для невосстанавливаемого объекта не имеет смысла такой показатель надежности как среднее время восстановления.

Долговечность - это свойство объектов сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние объекта характеризуется таким состоянием, при котором дальнейшее его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление исправного или работоспособного состояний невозможно или нецелесообразно. Критерием предельного состояния служит признак или совокупность признаков предельного состояния объекта, установленных в нормативно-технической и конструкторской документации. Объект может перейти в предельное состояние, оставаясь работоспособным, если его дальнейшее применение по назначению станет недопустимым по требованиям безопасности, экономичности или эффективности.

Переход объекта в предельное состояние влечет за собой временное или окончательное прекращение его эксплуатации. Для неремонтируемых объектов имеет место предельное состояние двух видов. Первый совпадает с неработоспособным состоянием. Второй вид предельного состояния обусловлен тем обстоятельством, что, начиная с некоторого момента времени, дальнейшая эксплуатация пока еще работоспособного элемента согласно определенным критериям оказывается недопустимой в связи с безопасностью. Переход ремонтируемого объекта в предельное состояние второго вида происходит раньше момента возникновения отказа. Для ремонтируемых объектов можно выделить три вида предельных состояний. Для двух видов требуется капитальный или средний ремонт, т. е. временное прекращение эксплуатации. Третий вид предельного состояния предполагает окончательное прекращение эксплуатации объекта.

В многозадачной компьютерной системе процессы могут принимать различные состояния. Эти состояния в действительности могут не различаться ядром операционной системы, они удобная абстракция для понимания процессов.

Различные состояния процесса показано на диаграмме состояний, на которой стрелками показано переходы между состояниями. Как видно, некоторые процессы сохраняются в основной памяти, а другие во вторичной (виртуальной) памяти.

Основные состояния процесса

Во всех типах компьютерных систем процессы имеют следующие состояния:

1. Созданный (новый)
2. Ожидающий (готов)
3. Запущенный
4. Блокированный
5. Завершенный

Созданный

(Другое название - новый ). Когда процесс создается впервые, он попадает в положение «создан» или «новый». В этом состоянии он ожидает входа в состояние «готов». В этом состоянии процесс может быть воспринят или отложен долгосрочным планировщиком.
В большинстве настольных компьютерных систем выбор выполняется автоматически, однако в операционных системах реального времени выбор может быть отложен. В системах реального времени перевод слишком большого числа процессов в состояние «готов» может привести к переконкуренции за системные ресурсы, что ведет к невозможности завершения процесса до заданного срока.

Готов

(Другое название - ожидающий). «Готов» процесс уже загружен в основную память и ожидает выполнения центральным процессором (контекстное переключение будет осуществлено диспетчером или краткосрочным планировщиком). В компьютерной системе может быть много «готовых» процессов. В однопроцессорной системе только один процесс будет выполняться в конкретный момент времени, все остальные «одновременно выполняемые» процессы будут ожидать выполнения.

Запущенный

(Другие названия - активный или исполняемый). «Запущенным» является тот процесс, который в данный момент выполняется центральным процессором. Если процесс исчерпает отведенный ему интервал времени, операционная система переключит контекст процесса снова в состояние «готов». Переключение контекста также может произойти, когда процесс завершится или когда он будет блокирован, нуждаясь в некотором ресурсе (например, ввода / вывода) и тогда он будет перемещен в положение «блокирован».

Блокированный

Если процесс «заблокируется» на ресурсе, он будет отстранен от процессора (ибо процесс не может продолжать исполнение) и переведен в блокированное состояние. Процесс будет оставаться "заблокированным" пока соответствующий ресурс не станет доступен. О разблокировании ресурса заблокированному процессу сообщает операционная система (о доступности ресурса сама операционная система сообщается с помощью прерывания). Как только операционная система узнает, что процесс разблокирован, он переводится в состояние "готов", с которого он может быть переведен в состояние «исполняемый», в котором он сможет использовать заново доступный ресурс.

Завершенный

Процесс может завершиться либо когда он в состоянии «исполняемый» и завершит свое выполнение, или когда его будет явно «снято» по команде оператора. В обоих случаях процесс переходит в состояние «завершенный». Если процесс не будет отстранен от памяти после вхождения в это состояние, то это состояние называется "зомби".

Дополнительные состояния процесса :

В системах, поддерживающих виртуальную память, возможны еще два дополнительных состояния. В обоих этих состояниях процесс «находится» во вторичной памяти (преимущественно - жесткий диск).

Выгруженный и ожидающий

(Другое название - приостановленный и ожидающий). В системах, которые поддерживают виртуальную память, процесс может быть выгружен из основной памяти и помещен в виртуальную память среднесрочным планировщиком. Оттуда, процесс может быть выгружен в состояние «ожидающий».

Выгруженный и заблокированный

(Другое название - приостановлен и блокирован). Процессы, которые являются заблокированными, могут также быть выгружены. В этом случае процесс является «выгружен и ожидающий» и может быть выгружен в тех же случаях, что и «выгружен и ожидающий процесс» (хотя в этом случае процесс будет в блокированном состоянии и может все еще ожидать пока ресурс станет доступным).