Как уже отмечалось в время жизни процесса можно теоретически разбить на несколько состояний, описывающих процесс. Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне:

Процесс выполняется в режиме задачи.
Процесс выполняется в режиме ядра.
Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.
Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.
Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра. Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.
Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс. Об отличии этого состояния от состояния 3 (готовность к запуску) пойдет речь ниже.
Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.
Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.
 

Рассмотрим с помощью модели переходов типичное поведение процесса. Ситуации, которые будут обсуждаться, несколько искусственны и процессы не всегда имеют дело с ними, но эти ситуации вполне применимы для иллюстрации различных переходов. Начальным состоянием модели является создание процесса родительским процессом с помощью системной функции fork; из этого состояния процесс неминуемо переходит в состояние готовности к запуску (3 или 5). Для простоты предположим, что процесс перешел в состояние "готовности к запуску в памяти" (3). Планировщик процессов в конечном счете выберет процесс для выполнения и процесс перейдет в состояние "выполнения в режиме ядра", где доиграет до конца роль, отведенную ему функцией fork.

После всего этого процесс может перейти в состояние "выполнения в режиме задачи". По прохождении определенного периода времени может произойти прерывание работы процессора по таймеру и процесс снова перейдет в состояние "выполнения в режиме ядра". Как только программа обработки прерывания закончит работу, ядру может понадобиться подготовить к запуску другой процесс, поэтому первый процесс перейдет в состояние "резервирования", уступив дорогу второму процессу. Состояние "резервирования" в действительности не отличается от состояния "готовности к запуску в памяти" (пунктирная линия на рисунке, соединяющая между собой оба состояния, подчеркивает их эквивалентность), но они выделяются в отдельные состояния, чтобы подчеркнуть, что процесс, выполняющийся в режиме ядра, может быть зарезервирован только в том случае, если он собирается вернуться в режим задачи. Следовательно, ядро может при необходимости подкачивать процесс из состояния "резервирования". При известных условиях планировщик выберет процесс для исполнения и тот снова вернется в состояние "выполнения в режиме задачи".

Когда процесс выполняет вызов системной функции, он из состояния "выполнения в режиме задачи" переходит в состояние "выполнения в режиме ядра". Предположим, что системной функции требуется ввод-вывод с диска и поэтому процесс вынужден дожидаться завершения ввода-вывода. Он переходит в состояние "приостанова в памяти", в котором будет находиться до тех пор, пока не получит извещения об окончании ввода-вывода. Когда ввод-вывод завершится, произойдет аппаратное прерывание работы центрального процессора и программа обработки прерывания возобновит выполнение процесса, в результате чего он перейдет в состояние "готовности к запуску в памяти".

Предположим, что система выполняет множество процессов, которые одновременно никак не могут поместиться в оперативной памяти, и программа подкачки (нулевой процесс) выгружает один процесс, чтобы освободить место для другого процесса, находящегося в состоянии "готов к запуску, но выгружен". Первый процесс, выгруженный из оперативной памяти, переходит в то же состояние. Когда программа подкачки выбирает наиболее подходящий процесс для загрузки в оперативную память, этот процесс переходит в состояние "готовности к запуску в памяти". Планировщик выбирает процесс для исполнения и он переходит в состояние "выполнения в режиме ядра". Когда процесс завершается, он исполняет системную функцию exit, последовательно переходя в состояния "выполнения в режиме ядра" и, наконец, в состояние "прекращения существования".

Процесс может управлять некоторыми из переходов на уровне задачи. Во-первых, один процесс может создать другой процесс. Тем не менее, в какое из состояний процесс перейдет после создания (т.е. в состояние "готов к выполнению, находясь в памяти" или в состояние "готов к выполнению, но выгружен") зависит уже от ядра. Процессу эти состояния не подконтрольны. Во-вторых, процесс может обратиться к различным системным функциям, чтобы перейти из состояния "выполнения в режиме задачи" в состояние "выполнения в режиме ядра", а также перейти в режим ядра по своей собственной воле. Тем не менее, момент возвращения из режима ядра от процесса уже не зависит; в результате каких-то событий он может никогда не вернуться из этого режима и из него перейдет в состояние "прекращения существования". Наконец, процесс может завершиться с помощью функции exit по своей собственной воле, но как указывалось ранее, внешние события могут потребовать завершения процесса без явного обращения к функции exit. Все остальные переходы относятся к жестко закрепленной части модели, закодированной в ядре, и являются результатом определенных событий, реагируя на них в соответствии с правилами, сформулированными в этой и последующих главах. Некоторые из правил уже упоминались: например, то, что процесс может выгрузить другой процесс, выполняющийся в ядре.

Две принадлежащие ядру структуры данных описывают процесс: запись в таблице процессов и пространство процесса. Таблица процессов содержит поля, которые должны быть всегда доступны ядру, а пространство процесса - поля, необходимость в которых возникает только у выполняющегося процесса. Поэтому ядро выделяет место для пространства процесса только при создании процесса: в нем нет необходимости, если записи в таблице процессов не соответствует конкретный процесс.

Запись в таблице процессов состоит из следующих полей:

Поле состояния, которое идентифицирует состояние процесса.
Поля, используемые ядром при размещении процесса и его пространства в основной или внешней памяти. Ядро использует информацию этих полей для переключения контекста на процесс, когда процесс переходит из состояния "готов к выполнению, находясь в памяти" в состояние "выполнения в режиме ядра" или из состояния "резервирования" в состояние "выполнения в режиме задачи". Кроме того, ядро использует эту информацию при перекачки процессов из и в оперативную память (между двумя состояниями "в памяти" и двумя состояниями "выгружен"). Запись в таблице процессов содержит также поле, описывающее размер процесса и позволяющее ядру планировать выделение пространства для процесса.
Несколько пользовательских идентификаторов (UID), устанавливающих различные привилегии процесса. Поля UID, например, описывают совокупность процессов, могущих обмениваться сигналами (см. следующую главу).

Форма памяти ситемы

Предположим, что физическая память машины имеет адреса, начиная с 0 и кончая адресом, равным объему памяти в байтах. Как уже отмечалось в , процесс в системе UNIX состоит из трех логических секций: команд, данных и стека. (Общую память, , можно считать в данном контексте частью секции данных). В секции команд хранится набор машинных инструкций, исполняемых под управлением процесса; адресами в секции команд выступают адреса команд (для команд перехода и обращений к подпрограммам), адреса данных (для обращения к глобальным переменным) и адреса стека (для обращения к структурам данных, которые локализованы в подпрограммах). Если адреса в сгенерированном коде трактовать как адреса в физической памяти, два процесса не смогут параллельно выполняться, если их адреса перекрываются. Компилятор мог бы генерировать адреса, непересекающиеся у разных программ, но на универсальных ЭВМ такой порядок не практикуется, поскольку объем памяти машины ограничен, а количество транслируемых программы неограничено. Даже если для того, чтобы избежать излишнего пересечения адресов в процессе их генерации, машина будет использовать некоторый набор эвристических процедур, подобная реализация не будет достаточно гибкой и не сможет удовлетворять предъявляемым к ней требованиям.

Поэтому компилятор генерирует адреса для виртуального адресного пространства заданного диапазона, а устройство управления памятью, называемое диспетчером памяти, транслирует виртуальные адреса, сгенерированные компилятором, в адреса ячеек, расположенных в физической памяти. Компилятору нет необходимости знать, в какое место в памяти ядро потом загрузит выполняемую программу. На самом деле, в памяти одновременно могут существовать несколько копий программы: все они могут выполняться, используя одни и те же виртуальные адреса, фактически же ссылаясь на разные физические ячейки. Те подсистемы ядра и аппаратные средства, которые сотрудничают в трансляции виртуальных адресов в физические, образуют подсистему управления памятью.

Области

Ядро в версии V делит виртуальное адресное пространство процесса на совокупность логических областей. Область - это непрерывная зона виртуального адресного пространства процесса, рассматриваемая в качестве отдельного объекта для совместного использования и защиты. Таким образом, команды, данные и стек обычно образуют автономные области, принадлежащие процессу. Несколько процессов могут использовать одну и ту же область. Например, если несколько процессов выполняют одну и ту же программу, вполне естественно, что они используют одну и ту же область команд. Точно так же, несколько процессов могут объединиться и использовать общую область разделяемой памяти.

Ядро поддерживает таблицу областей и выделяет запись в таблице для каждой активной области в системе Каждый процесс имеет частную таблицу областей процесса. Записи этой таблицы могут располагаться, в зависимости от конкретной реализации, в таблице процессов, в адресном пространстве процесса или в отдельной области памяти; для простоты предположим, что они являются частью таблицы процессов. Каждая запись частной таблицы областей содержит указатель на соответствующую запись общей таблицы областей и первый виртуальный адрес процесса в данной области. Разделяемые области могут иметь разные виртуальные адреса в каждом процессе. Запись частной таблицы областей также содержит поле прав доступа, в котором указывается тип доступа, разрешенный процессу: только чтение, только запись или только исполнение. Частная таблица областей и структура области аналогичны таблице файлов и структуре индекса в файловой системе: несколько процессов могут совместно использовать адресное пространство через область, подобно тому, как они разделяют доступ к файлу с помощью индекса; каждый процесс имеет доступ к области благодаря использованию записи в частной таблице областей, точно так же он обращается к индексу, используя соответствующие записи в таблице пользовательских дескрипторов файла и в таблице файлов, принадлежащей ядру.

Область является понятием, не зависящим от способа реализации управления памятью в операционной системе. Управление памятью представляет собой совокупность действий, выполняемых ядром с целью повышения эффективности совместного использования оперативной памяти процессами. Понятие области также не зависит и от собственно распределения памяти: например, от того, делится ли память на страницы или на сегменты. С тем, чтобы заложить фундамент для перехода к описанию алгоритмов подкачки по обращению , все приводимые здесь рассуждения относятся, в первую очередь, к организации памяти, базирующейся на страницах, однако это не предполагает, что система управления памятью основывается на указанных алгоритмах.

Страницы и таблицы страниц

В этом разделе описывается модель организации памяти, которой мы будем пользоваться на протяжении всей книги, но которая не является особенностью системы UNIX. В организации памяти, базирующейся на страницах, физическая память разделяется на блоки одинакового размера, называемые страницами. Обычный размер страниц составляет от 512 байт до 4 Кбайт и определяется конфигурацией технических средств. Каждая адресуемая ячейка памяти содержится в некоторой странице и, следовательно, каждая ячейка памяти может адресоваться парой (номер страницы, смещение внутри страницы в байтах). Например, если объем машинной памяти составляет 2 в 32-й степени байт, а размер страницы 1 Кбайт, общее число страниц - 2 в 22-й степени; можно считать, что каждый 32-разрядный адрес состоит из 22-разрядного номера страницы и 10-разрядного смещения внутри страницы .

Когда ядро назначает области физические страницы памяти, необходимости в назначении смежных страниц и вообще в соблюдении какой-либо очередности при назначении не возникает. Целью страничной организации памяти является повышение гибкости назначения физической памяти, которое строится по аналогии с назначением дисковых блоков файлам в файловой системе. Как и при назначении блоков файлу, так и при назначении области страниц памяти, преследуется задача повышения гибкости и сокращения неиспользуемого (вследствие фрагментации) пространства памяти.

Адресация физической памяти по страницам

 Отображение логических номеров страниц на физические

Ядро устанавливает соотношение между виртуальными адресами области и машинными физическими адресами посредством отображения логических номеров страниц в области на физические номера страниц в машине. Поскольку область это непрерывное пространство виртуальных адресов программы, логический номер страницы служит указателем на элемент массива физических номеров страниц. Запись таблицы областей содержит указатель на таблицу физических номеров страниц, именуемую таблицей страниц. Записи таблицы страниц содержат машинно-зависимую информацию, такую как права доступа на чтение или запись страницы. Ядро поддерживает таблицы страниц в памяти и обращается к ним так же, как и ко всем остальным структурам данных ядра.

Пусть размер страницы составляет 1 Кбайт и пусть процессу нужно обратиться к объекту в памяти, имеющему виртуальный адрес 68432. Из таблицы областей видно, что виртуальный адрес начала области стека - 65536 (64К), если предположить, что стек растет в направлении увеличения адресов. После вычитания этого адреса из адреса 68432 получаем смещение в байтах внутри области, равное 2896. Так как каждая страница имеет размер 1 Кбайт, адрес указывает со смещением 848 на 2-ю (начиная с 0) страницу области, расположенной по физическому адресу 986К.

В современных машинах используются разнообразные аппаратные регистры и кеши, которые повышают скорость выполнения вышеописанной процедуры трансляции адресов и без которых пересылки в памяти и адресные вычисления чересчур бы замедлились. Возобновляя выполнение процесса, ядро посредством загрузки соответствующих регистров сообщает техническим средствам управления памятью о том, в каких физических адресах выполняется процесс и где располагаются таблицы страниц. Поскольку такие операции являются машинно-зависимыми и в разных версиях реализуются по-разному, здесь мы их рассматривать не будем. Часть вопросов, связанных с архитектурой вычислительных систем, затрагивается в упражнениях.

Организацию управления памятью попробуем пояснить на следующем простом примере. Пусть память разбита на страницы размером 1 Кбайт каждая, обращение к которым осуществляется через описанные ранее таблицы страниц. Регистры управления памятью в системе группируются по три; первый регистр в тройке содержит адрес таблицы страниц в физической памяти, второй регистр содержит первый виртуальный адрес, отображаемый с помощью тройки регистров, третий регистр содержит управляющую информацию, такую как номера страниц в таблице страниц и права доступа к страницам (только чтение, чтение и запись). Такая модель соответствует вышеописанной модели области. Когда ядро готовит процесс к выполнению, оно загружает тройки регистров соответствующей информацией из записей частной таблицы областей процесса.

Если процесс обращается к ячейкам памяти, расположенным за пределами принадлежащего ему виртуального пространства, создается исключительная ситуация. Например, если область команд имеет размер 16 Кбайт ,а процесс обращается к виртуальному адресу 26К, создается исключительная ситуация, обрабатываемая операционной системой. То же самое происходит, если процесс пытается обратиться к памяти, не имея соответствующих прав доступа, например, пытается записать адрес в защищенную от записи область команд. И в том, и в другом примере процесс обычно завершается.

Размещение ядра

Несмотря на то, что ядро работает в контексте процесса, отображение виртуальных адресов, связанных с ядром, осуществляется независимо от всех процессов. Программы и структуры данных ядра резидентны в системе и совместно используются всеми процессами. При запуске системы происходит загрузка программ ядра в память с установкой соответствующих таблиц и регистров для отображения виртуальных адресов ядра в физические. Таблицы страниц для ядра имеют структуру, аналогичную структуре таблицы страниц, связанной с процессом, а механизмы отображения виртуальных адресов ядра похожи на механизмы, используемые для отображения пользовательских адресов. На многих машинах виртуальное адресное пространство процесса разбивается на несколько классов, в том числе системный и пользовательский, и каждый класс имеет свои собственные таблицы страниц. При работе в режиме ядра система разрешает доступ к адресам ядра, при работе же в режиме задачи такого рода доступ запрещен. Поэтому, когда в результате прерывания или выполнения системной функции происходит переход из режима задачи в режим ядра, операционная система по договоренности с техническими средствами разрешает ссылки на адреса ядра, а при возврате в режим ядра эти ссылки уже запрещены. В других машинах можно менять преобразование виртуальных адресов, загружая специальные регистры во время работы в режиме ядра.

Имеются две группы регистров управления памятью, одна для адресов ядра и одна для адресов процесса, причем каждой группе соответствует таблица страниц, хранящая номера физических страниц со ссылкой на адреса виртуальных страниц. Адресные ссылки с использованием группы регистров ядра допускаются системой только в режиме ядра; следовательно, для перехода между режимом ядра и режимом задачи требуется только, чтобы система разрешила или запретила адресные ссылки с использованием группы регистров ядра.

В некоторых системах ядро загружается в память таким образом, что большая часть виртуальных адресов ядра совпадает с физическими адресами и функция преобразования виртуальных адресов в физические превращается в функцию тождественности. Работа с пространством процесса, тем не менее, требует, чтобы преобразование виртуальных адресов в физические производилось ядром.

Пространство процесса

Каждый процесс имеет свое собственное пространство, однако ядро обращается к пространству выполняющегося процесса так, как если бы в системе оно было единственным. Ядро подбирает для текущего процесса карту трансляции виртуальных адресов, необходимую для работы с пространством процесса. При компиляции загрузчик назначает переменной 'u' (имени пространства процесса) фиксированный виртуальный адрес. Этот адрес известен остальным компонентам ядра, в частности модулю, выполняющему переключение контекста .Ядру также известно, какие таблицы управления памятью используются при трансляции виртуальных адресов, принадлежащих пространству процесса, и благодаря этому ядро может быстро перетранслировать виртуальный адрес пространства процесса в другой физический адрес. По одному и тому же виртуальному адресу ядро может получить доступ к двум разным физическим адресам, описывающим пространства двух процессов.

Процесс имеет доступ к своему пространству, когда выполняется в режиме ядра, но не тогда, когда выполняется в режиме задачи. Поскольку ядро в каждый момент времени работает только с одним пространством процесса, используя для доступа виртуальный адрес, пространство процесса частично описывает контекст процесса, выполняющегося в системе. Когда ядро выбирает процесс для исполнения, оно ищет в физической памяти соответствующее процессу пространство и делает его доступным по виртуальному адресу.

Предположим, например, что пространство процесса имеет размер 4 Кбайта и помещается по виртуальному адресу 2М. Если ядру нужно обратиться к пространству процесса A, оно копирует связанную с этим пространством информацию из соответствующей таблицы страниц в третий регистр. В любой момент третий регистр ядра описывает пространство текущего процесса, но ядро может сослаться на пространство другого процесса, переписав записи в таблице страниц с новым адресом. Информация в регистрах 1 и 2 для ядра неизменна, поскольку все процессы совместно используют программы и данные ядра.

Контекст процесса

Контекст процесса включает в себя содержимое адресного пространства задачи, выделенного процессу, а также содержимое относящихся к процессу аппаратных регистров и структур данных ядра. С формальной точки зрения, контекст процесса объединяет в себе пользовательский контекст, регистровый контекст и системный контекст. Пользовательский контекст состоит из команд и данных процесса, стека задачи и содержимого совместно используемого пространства памяти в виртуальных адресах процесса. Те части виртуального адресного пространства процесса, которые периодически отсутствуют в оперативной памяти вследствие выгрузки или замещения страниц, также включаются в пользовательский контекст.

Используемые в данном разделе термины "пользовательский контекст" (user-level context), "регистровый контекст" (register context), "системный контекст" (system-level context) и "контекстные уровни" (context layers) введены автором.

Ядро помещает контекстный уровень в стек при возникновении прерывания, при обращении к системной функции или при переключении контекста процесса. Контекстный уровень выталкивается из стека после завершения обработки прерывания, при возврате процесса в режим задачи после выполнения системной функции, или при переключении контекста. Таким образом, переключение контекста влечет за собой как помещение контекстного уровня в стек, так и извлечение уровня из стека: ядро помещает в стек контекстный уровень старого процесса, а извлекает из стека контекстный уровень нового процесса. Информация, необходимая для восстановления текущего контекстного уровня, хранится в записи таблицы процессов.

Процесс выполняется в рамках своего контекста или, если говорить более точно, в рамках своего текущего контекстного уровня. Количество контекстных уровней ограничивается числом поддерживаемых в машине уровней прерывания. Например, если в машине поддерживаются разные уровни прерываний для программ, терминалов, дисков, всех остальных периферийных устройств и таймера, то есть 5 уровней прерывания, то, следовательно, у процесса может быть не более 7 контекстных уровней: по одному на каждый уровень прерывания, 1 для системных функций и 1 для пользовательского контекста. 7 уровней будет достаточно, даже если прерывания будут поступать в "наихудшем" из возможных порядков, поскольку прерывание данного уровня блокируется (то есть его обработка откладывается центральным процессором) до тех пор, пока ядро не обработает все прерывания этого и более высоких уровней.

Несмотря на то, что ядро всегда исполняет контекст какого-нибудь процесса, логическая функция, которую ядро реализует в каждый момент, не всегда имеет отношение к данному процессу. Например, если возвращая данные, дисковое запоминающее устройство посылает прерывание, то прерывается выполнение текущего процесса и ядро обрабатывает прерывание на новом контекстном уровне этого процесса, даже если данные относятся к другому процессу. Программы обработки прерываний обычно не обращаются к статическим составляющим контекста процесса и не видоизменяют их, так как эти части не связаны с прерываниями.

Все права защищены.

Копирование запрещено.

Дизайн:

ССтудия Onta.ru