itmo_conspects
Лекция 8. Управление процессами
Важно понимать, что так как количество потоков у процессора ограничен десятками, а процессов в операционной системе может тысячи, то в ожидании находится их большинство, а исполняются только малое количество процессов.
Тогда можем сразу выделить два состояния процесса: “ожидание” и “исполнение”
В ожидание процесс может попасть из-за вытеснения или для ожидания потока ввода/вывода. Чтобы выйти из ожидания, процесс стоят в очереди, пока их не выберет диспетчер. Тогда конечный автомат может выглядеть так:
Такая модель получила название двухуровневой (Two-State Process Model)
Однако, если процесс ждет какого-то ввода и стал первым в очереди, то в состоянии исполнения он не сможет выполняться и уйдет опять в ожидание
Поэтому состояние ожидание разделилось на “готовность” (Ready или Runnable) и “ожидание ввода/вывода” (Wait)
В переходе из “готовности” в исполнение есть одна очередь, а из “ожидания ввода/вывода” несколько очередей для разных устройств ввода/вывода. Из “ожидания ввода/вывода” процесс переходит в готовность
Такая трехуровневая система (Three-State Process Model) реализована в каждой операционной системе. Заметим, что операционная система не может инициализировать дальнейшую работу процесса, который ждет ввод/вывод, иначе сломается поток управления. Поэтому “ожидание ввода/вывода” называет непрерываемым сном (Disk Sleep или Uninterruptable Sleep)
Со временем появились процессы-демоны, такие как веб-приложения. Веб-приложение обычно ничего полезного не делают, пока к ним не придет запрос от пользователя. Поэтому они могут находится в отдельном состоянии, чтобы каждый раз не дергаться между “готовностью” и “исполнением”
Для этого сделали новое состояние - “сон” (или прерываемый сон, Interruptable Sleep)
Когда создавался процесс с веб-сервером, операционная система дала ему сокет с сетевым портом. Когда приходит пакет, операционная система вначале обрабатывает заголовок пакет, спрашивает брандмауер, а после этого узнает, какому процессу принадлежит порт, по которому пришел пакет, посылает сигнал процессу, который выводит его из сна. После обработки процессом пакета он уходит обратно в сон
После этого появилось состояние “остановлен”. В него попадают процессы, которые получили сигнал SIGSTOP (этот сигнал, наряду с SIGKILL, является сигналом, для которого нельзя переопределить обработчик)
Из состояния “остановлен” можно выйти только при сигнале SIGCONT в готовность. Запущенный в терминале процесс можно перевести в остановленное состояние, если нажать Ctrl+Z
Зачем он нужен? Например, если транзакции (создающие процессы), заблокирующие некоторые данные, вошли в кольцевую зависимость, то другие транзакции могут из-за них тоже заблокироваться. В этом случае можно остановить процесс с транзакцией, чтобы другие начали работать
Также нам нужно состояние для завершения процесса. В Unix и Unix-like любой процесс перед завершением переходит в “зомби-состояния” (Zombie). В Windows он переходит в состояние “завершение” (Terminated), в ходе которого операционная система высвобождает ресурсы процесса
Также появилось состояние “исключение”. В состояние исключение попадает процесс при поимки исключения. Из него процесс может перейти в готовность - операционная система дает ему второй шанс. Если после нескольких переходов процесс не исправился, то он завершается.
Все выше указанные состояния используются для диспетчеризации процессов
Для планирования процессов в операционных системах используют 4 уровня планирования:
- Краткосрочное
- Среднесрочное
- Долгосрочное
- Планирование очередей ввода и вывода
Краткосрочный уровень используется прямо в диспетчеризации процессов. В нем задача выбрать следующий для исполнений процесс (то есть определить, что делать в следующую ~1 мс)
Уровень очередей ввода и вывода используется для планирования процессов внутри состояния ожидания ввода/вывода
Для среднесрочного уровня добавляются два состояния “готовность вне RAM” и “ожидание ввода/вывода вне RAM” (также их называют Suspended and Ready, Suspended and Waiting, Swapped out and Ready, Swapped out and Waiting)
Если у процесс низкий приоритет и из “готовности” он доберется в “исполнение” через долгое время (порядка минут), то его целесообразнее перенести в файл подкачки. Таким образом, освобождается память для более быстрых процессов. Также до и после состояний “готовность вне RAM” и “ожидание ввода/вывода вне RAM” стоят синхронизированные очереди процессов
Для долгосрочного планирования добавляется состояние “рождение” (New или Initialized). В переходе из состояния “рождение” в состояние “готовность” есть очередь из процессов. Состояние “рождение” играет роль очереди перед прибором - оно делает поток поступающих процессов разреженный, таким образом, делая нагрузку более равномерной
Пятерку “готовность”, “исполнение”, “ожидание”, “рождение”, “завершение” называют пятиуровневой моделью (Five-State Process Model)
Помимо них, в Windows используются состояния Standby (в нем процессы непосредственно перед исполнением) и Transition (в нем процессы, стек ядра которых были выгружены из памяти), а состояние Wait является более обширным понятием
Теперь нужно разобраться, какие процессы пропускать вперед по очереди, а какие нет. Для того, чтобы мерять эффективность процесса, введем три показателя:
- Полное время исполнения (от рождения до завершения) в среднем
- Среднее время ожидания (сколько времени процесс не является продуктивным)
- Время отклика (за какой промежуток времени можно получить результат операции)