Операционные системы

Требования к ОС
Чередовать выполнение нескольких задач для повышения степени использования ЦП.
Распределять ресурсы между задачами в соответствие с заданной стратегией.
Обеспечивать обмен данными между задачами и запуск новых задач пользователями.

Концепции
Компьютерная система представляется набором аппаратных ресурсов.
Компьютерные приложения создаются для выполнения некоторых задач
Прямой доступ к аппаратным ресурсам со стороны приложений является неэффективным
Операционная система представляет удобный в использовании, богатый функционально, безопасный и целостный интерфейс для использования приложениями.
ОС обеспечивает единообразное, абстрактное представление ресурсов, которые могут выделятся приложениям по их запросу.

Управление выполнением приложений
Ресурсы должны быть доступны множеству приложений
Процессор распределяется среди множества приложений
Процессор и устройства ввода-вывода эффективно используются множеством приложений.

Процессы и потоки
Процесс (Process) и поток (Thread) являются единицами работы в операционной системе.
Процесс рассматривается операционной системой как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Процессор распределяется операционной системой между другими единицами выполнения – потоками.
В простейшем случае процесс состоит из одного потока. Если ОС не поддерживает потоков, то поведение потока полностью поглощается поведением процесса.

Элементы процесса
Идентификатор
Состояние
Приоритет
Счётчик команд
Таблицы распределения памяти
Контекст
Статус операций ввода-вывода
Статистические данные

Блок Управления Процессом (PCB – Process Control Block)
Содержит элементы процесса
Создаётся и управляется операционной системой
Единая структура для поддержки различными процессами.

PCB. Обобщённая схема

PCB в семействе NT систем.

EPROCESS

KPROCESS

PEB – Process Environment Block

Создание процесса
Создать процесс – это подготовить новый PCB.
Порождение нового процесса другим
Создание операционной системой процесса для работы служб
Вход в систему в интерактивном режиме
Новое пакетное задание

Создание процесса в NT системах

Завершение процессов
Обычное завершение
Превышение лимита времени
Недостаток памяти
Нарушение доступа к памяти
Ошибка доступа к ресурсу
Арифметическая ошибка
Ошибка ввода-вывода
Неверная команда
Команда с недоступными привилегиями
Неправильное использование данных
Вмешательство ОС
Завершение всех потоков (для многопоточных систем)
Запрос со стороны другого процесса.

Состояния процесса. Модель с двумя состояниями

Очередь процессов

Состояния процесса. Модель с пятью состояниями

Состояния процесса.

Схема с одной очередью блокированных процессов

Схема с множеством очередей блокированных процессов

Приостановленные процессы
Перемещение (Swap) процессов на диск для освобождения памяти под другие процессы
Блокированное состояние становится приостановленным при переносе процесса на диск
Новые состояния:
Блокирован/приостановлен
Готов/приостановлен

Диаграмма состояний процесса с одним приостановленным состоянием

Диаграмма состояний процесса с двумя приостановленным состоянием

API - Application Programming Interface управления процессами (POSIX)
POSIX 1003.1: fork(), exec(), kill()
Клонирование процесса
int pid;
switch (pid = fork())
{
case 0: /*Порождённый процесс*/
…
case -1: /*Ошибка создания процесса*/
default: /*Родительский процесс*/
}
Порождение нового процесса ls
int pid;
switch (pid = fork())
{
case 0: /*Порождённый процесс*/
ret = execl ("/bin/ls", "ls", "-1", (char *)0); case -1: /*Ошибка создания процесса*/
default: /*Родительский процесс*/
}