Гордеев А.В. Операционные системы

Подождите немного. Документ загружается.

Понятия вычислительного процесса и ресурса

лением и управлением ресурсов, от всех других процессов: задач пользователей и

системных обрабатывающих процессов. Последние, хоть и относятся к операци-

онной системе, но не входят в ядро операционной системы и требуют общих ре-

сурсов для своей работы, которые получают от супервизора. Для системных управ-

ляющих процессов, в отличие от обрабатывающих, в большинстве операционных

систем ресурсы распределяются изначально и однозначно. Эти вычислительные

процессы сами управляют ресурсами системы, в борьбе за которые конкурируют

все остальные процессы. Поэтому исполнение системных управляющих программ

не принято называть процессами, и термин «задача» следует употреблять только

по отношению к процессам пользователей и к системным обрабатывающим про-

цессам. Однако это справедливо не для всех операционных систем. Например, в так

называемых «микроядерных» операционных системах (см. главу 9) большинство

управляющих программных модулей самой операционной системы и даже драй-

веры имеют статус высокоприоритетных процессов, для выполнения которых

необходимо выделить соответствующие ресурсы. В качестве примера можно

привести хорошо известную операционную систему реального времени QNX

фирмы Quantum Software Systems. Аналогично и в UNIX-системах, которые хоть

и не относятся к микроядерным, выполнение системных программных модулей

тоже имеет статус системных процессов, получающих ресурсы для своего испол-

нения.

Очевидно, что если некий вычислительный процесс (назовем его первым) в дан-

ный конкретный момент времени не исполняется, поскольку процессор занят ис-

полнением какого-то другого процесса, то операционная система должна знать,

что вычисления в первом процессе приостановлены. Информация об этом зано-

сится в специальную информационную структуру, сопровождающую каждый вы-

числительный процесс. Таких приостановленных процессов может быть несколь-

ко. Они могут образовывать очередь задач, которые возобновят свои вычисления,

как только им будет предоставлен процессор. Некоторые процессы, при своем вы-

полнении требующие ввода или вывода данных, на время выполнения этих запро-

сов могут освобождать процессор. Такие события тоже должны для операционной

системы помечаться соответствующим образом. Говорят, что процесс может нахо-

диться в одном из нескольких состояний. Информация о состоянии процесса со-

держится в упомянутой выше информационной структуре, доступной супервизору.

Если обобщать и рассматривать не только традиционные системы общего назна-

чения и привычные всем нам современные мультизадачные операционные систе-

мы для персональных компьютеров, но и операционные системы реального време-

ни, то можно сказать, что процесс может находиться в активном и пассивном

(не активном) состоянии. В активном состоянии процесс может конкурировать за

ресурсы вычислительной системы, а в пассивном состоянии он известен системе,

но за ресурсы не конкурирует (хотя его существование в системе и сопряжено с пре-

доставлением ему оперативной и/или внешней памяти). В свою очередь, актив-

ный процесс может быть в одном из следующих состояний:

Q выполнения — все затребованные процессом ресурсы выделены (в этом состоя-

нии в каждый момент времени может находиться только один процесс, если

речь идет об однопроцессорной вычислительной системе);

Глава 1. Основные понятия

Q готовности к выполнению — ресурсы могут быть предоставлены, тогда процесс

перейдет в состояние выполнения;

Q блокирования, или ожидания, — затребованные ресурсы не могут быть предо-

ставлены, или не завершена операция ввода-вывода.

В большинстве операционных систем последнее состояние, в свою очередь, под-

разделяется на множество состояний ожидания, соответствующих определенно-

му виду ресурса, из-за отсутствия которого процесс переходит в заблокированное

состояние.

В обычных операционных системах, как правило, процесс появляется при запуске

какой-нибудь программы. Операционная система организует (порождает, или

выделяет) для нового процесса уже упомянутую выше информационную структу-

ру — так называемый дескриптор процесса, и процесс (задача) начинает выпол-

няться. Поэтому пассивного состояния в большинстве систем не существует. В опе-

рационных системах реального времени (ОСРВ) ситуация иная. Обычно при

проектировании системы реального времени состав выполняемых ею программ

(задач) известен заранее. Известны и многие их параметры, которые необходимо

учитывать при распределении ресурсов (например, объем памяти, приоритет, сред-

няя длительность выполнения, открываемые файлы, используемые устройства и

проч.). Поэтому для них заранее заводят дескрипторы задач с тем, чтобы впослед-

ствии не тратить драгоценное время на организацию дескриптора и поиски для

него необходимых ресурсов. Таким образом, в ОСРВ многие процессы (задачи)

могут находиться в состоянии бездействия, что мы и отобразили на рис. 1.7, отде-

лив это состояние от остальных состояний пунктиром.

Бездействие

(пассивное

состояние)

Ч У

Готовность

к выполнению

Ожидание

(состояние

блокирования)

Рис. 1.7. Граф состояний процесса

За время своего существования процесс может неоднократно совершать переходы

из одного состояния в другое, обусловленные обращениями к операционной сис-

теме с запросами ресурсов и выполнения системных функций, которые предо-

ставляет операционная система, взаимодействием с другими процессами, появле-

Понятия вычислительного процесса и ресурса

1ем сигналов прерывания от таймера, каналов и устройств ввода-вывода, других

стройств. Возможные переходы процесса из одного состояния в другое отобра-

жены на рисунке в виде графа состояний. Рассмотрим эти переходы из одного со-

тряния в другое более подробно.

роцесс из состояния бездействия может перейти в состояние готовности в следу-

щих случаях.

По команде оператора (пользователя). Имеет место в тех диалоговых операци-

онных системах, где программа может иметь статус задачи, даже оставаясь пас-

сивной, а не просто быть исполняемым файлом и получать статус задачи толь-

ко на время исполнения (как это имеет место в большинстве современных

операционных систем, в том числе и для персональных компьютеров).

Q При выборе из очереди планировщиком (характерно для операционных сис-

тем, работающих в пакетном режиме).

При вызове из другой задачи (посредством обращения к супервизору один про-

цесс может создать, инициировать, приостановить, остановить, уничтожить

другой процесс).

По прерыванию от внешнего инициативного устройства

(сигнал о свершении

некоторого события может запускать соответствующую задачу).

При наступлении запланированного времени запуска программы.

[оследние два способа запуска задачи, при которых процесс из состояния бездей-

ствия переходит в состояние готовности, наиболее характерны для операционных

истем реального времени.

Процесс, который может исполняться, как только ему будет предоставлен процес-

сор (а для диск-резидентных задач в некоторых системах и оперативная память),

находится в состоянии готовности. Считается, что такому процессу уже выделены

все необходимые ресурсы за исключением процессора.

Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих при-

чин.

• Процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору пере-

дает управление операционной системе и сообщает о своем завершении. В ре-

зультате этих действий супервизор либо переводит его в список бездействую-

щих процессов (процесс переходит в пассивное состояние), либо уничтожает.

Уничтожается, естественно, не сама программа, а именно задача, которая соот-

ветствовала исполнению этой программы. В состояние бездействия процесс

может быть переведен принудительно: по команде оператора или путем обра-

щения к супервизору операционной системы из другой задачи с требованием

остановить данный процесс. Само собой, что действие по команде оператора

реализуется системным процессом, который «транслирует» эту команду в за-

прос к супервизору с требованием перевести указанный процесс в состояние

бездействия.

Устройство называется инициативным, если по сигналу запроса на прерывание от него должна за-

пускаться некоторая задача.

Глава 1. Основные понятия

О Процесс переводится супервизором операционной системы в состояние готов-

ности к исполнению в связй-с появлением более приоритетной задачи или в свя-

зи с окончанием выделенного ему кванта времени.

• Процесс блокируется (переводится в состояние ожидания) либо вследствие

запроса операции ввода-вывода (которая должна быть выполнена прежде, чем

он сможет продолжить исполнение), либо в силу невозможности предоставить

ему ресурс, запрошенный в настоящий момент (причиной перевода в состоя-

ние ожидания может быть отсутствие сегмента или страницы в случае органи-

зации механизмов виртуальной памяти — см. раздел «Сегментная, страничная

и сегментно-страничная организация памяти» в главе 3), либо по команде опе-

ратора на приостанов задачи, либо по требованию через супервизор от другой

задачи.

При наступлении соответствующего события (завершилась операция ввода-вы-

вода, освободился затребованный ресурс, в оперативную память загружена необ-

ходимая страница виртуальной памяти и т. д.) процесс деблокируется и перево-

дится в состояние готовности к исполнению.

Таким образом, движущей силой, меняющей состояния процессов, являются со-

бытия. Одним из основных видов событий являются уже рассмотренные нами

прерывания.

Реализация понятия последовательного

процесса в операционных системах

Для того чтобы операционная система могла управлять процессами, она должна

располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый

процесс заводится специальная информационная структура, называемая дескрип-

тором процесса (описателем задачи, блоком управления задачей). В общем случае

дескриптор процесса, как правило, содержит следующую информацию:

Q идентификатор процесса (Process Identifier, PID);

Q тип (или класс) процесса, который определяет для супервизора некоторые пра-

вила предоставления ресурсов;

• приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ре-

сурсы (в рамках одного класса процессов в первую очередь обслуживаются бо-

лее приоритетные процессы);

О переменную состояния, которая определяет, в каком состоянии находится про-

цесс (готов к работе, выполняется, ожидает устройства ввода-вывода и т. д.);

Q контекст задачи, то есть защищенную область памяти (или адрес такой обла-

сти), в которой хранятся текущие значения регистров процессора, когда про-

цесс прерывается, не закончив работы;

• информацию о ресурсах, которыми процесс владеет и/или имеет право пользо-

ваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных опера-

циях ввода-вывода и др.);

О место (или его адрес) для организации общения с другими процессами;

Понятия вычислительного процесса и ресурса

• параметры времени запуска (момент времени, когда процесс должен активизи-

роваться, и периодичность этой процедуры);

р в случае отсутствия системы управления файлами адрес задачи на диске в ее

исходном состоянии и адрес на диске, куда она выгружается из оперативной па-

мяти, если ее вытесняет другая задача (последнее справедливо для диск-резидент-

ных задач, которые постоянно находятся во внешней памяти на системном маг-

нитном диске и загружаются в оперативную память только на время выполнения).

Описатели задач, как правило, постоянно располагаются в оперативной памяти

с целью ускорить работу супервизора, который организует их в списки (очереди)

и отображает изменение состояния процесса перемещением соответствующего опи-

сателя из одного списка в другой. Для каждого состояния (за исключением состо-

яния выполнения для однопроцессорной системы) операционная система ведет

соответствующий список задач, находящихся в этом состоянии. Однако для со-

стояния ожидания обычно имеется не один список, а столько, сколько различных

видов ресурсов могут вызывать состояние ожидания. Например, состояний ожи-

дания завершения операции ввода-вывода может быть столько, сколько устройств

ввода-вывода имеется в системе.

В некоторых операционных системах количество описателей определяется жест-

ко и заранее (на этапе генерации варианта операционной системы или в конфигу-

рационном файле, который используется при загрузке ОС), в других по мере

необходимости система может выделять участки памяти под новые описатели. На-

пример, в уже мало кому известной системе OS/2, которая несколько лет тому

назад многими специалистами считалась одной из лучших ОС для персональных

компьютеров, максимально возможное количество описателей задач указывается

в конфигурационном файле CONFIG.SYS. Например, строка THREADS=1024 в файле

CONFIG.SYS означает, что всего в системе может параллельно существовать и вы-

полняться до 1024 задач, включая вычислительные процессы и их потоки.

В ныне широко распространенных системах Windows NT/2000/XP количество

описателей нигде в явном виде не задается. Это переменная величина, и она опре-

деляется самой операционной системой. Однако посмотреть на текущее количе-

ство таких описателей можно. Если, работая в Windows NT/2000/XP, нажать од-

новременно комбинацию клавиш Ctrl+Shift+Esc, появится окно Диспетчера задач.

На вкладке Быстродействие этой программы мы увидим поле с названием Всего де-

скрипторов и соответствующее число. Тут же указывается количество дескрипто-

ров для управления потоками (задачами) и число полноценных вычислительных

процессов. Более подробно о процессах и потоках см. далее.

В операционных системах реального времени чаще всего количество процессов

фиксируется, и, следовательно, целесообразно заранее определять (на этапе гене-

рации или конфигурирования ОС) количество дескрипторов. Для использования

таких операционных систем в качестве систем общего назначения (что нынче уже

нехарактерно)

обычно количество дескрипторов бралось с некоторым запасом,

В недалеком прошлом достаточно часто в качестве вычислительных систем общего назначения при-

обретались мини-ЭВМ и устанавливали на них ОС реального времени.

Глава 1. Основные понятия

и появление новой задачи связывалось с заполнением этой информационной струк-

туры. Поскольку дескрипторы процессов постоянно располагаются в оперативной

памяти (с целью ускорить работу диспетчера), то их количество не должно быть

очень большим.

Для более эффективной обработки данных в системах реального времени целесо-

образно иметь постоянные задачи, полностью или частично всегда существующие

в системе независимо от того, поступило на них требование или нет. Каждая по-

стоянная задача обладает некоторой собственной областью оперативной памяти

(ОЗУ-резидентная задача, или просто резидентная задача) независимо от того,

выполняется задача в данный момент или нет. Эта область, в частности, может

использоваться для хранения данных, полученных задачей ранее. Данные могут

храниться в ней и тогда, когда задача находится в состоянии ожидания или даже в

состоянии бездействия.

Для аппаратной поддержки работы операционных систем с этими информацион-

ными структурами (дескрипторами задач) в процессорах могут быть реализованы

соответствующие механизмы. Так, например, в микропроцессорах Intel 80x86

(см. главу 4) имеется специальный регистр TR (Task Register), указывающий мес-

тонахождение специальной информационной структуры — сегмента состояния

задачи (Task State Segment, TSS), в котором при переключении с задачи на задачу

автоматически сохраняется содержимое регистров процессора [1,8, 48].

Поскольку между терминами «процесс» и «задача» со временем появилось суще-

ственное различие, мы сейчас подробно рассмотрим этот вопрос.

Процессы и задачи

Хотя понятия мультипрограммного и мультизадачного режимов работы достаточ-

но близки, это все-таки не одно и то же. К сожалению, здесь до сих пор имеется

некоторая путаница. Основные причины тому — не только то, что терминология

еще не устоялась и что многие фирмы-разработчики по-разному предпочитали

называть одни и те же сущности, но и сложность, неоднозначность ситуации.

Мультипрограммный режим предполагает, что операционная система организует

параллельное выполнение нескольких вычислительных процессов на одном ком-

пьютере. И каждый вычислительный процесс может, в принципе, никак не зави-

сеть от другого вычислительного процесса. Разве что они могут задержать выпол-

нение друг друга из-за необходимости поочередно разделять ресурсы или сильно

задерживать выполнение друг друга при владении неразделяемым ресурсом. У них

может не быть ни общих файлов, ни общих переменных. Они вообще могут при-

надлежать разным пользователям. Просто эти процессы, с позиций внешнего на-

блюдателя, выполняются на одном и том же компьютере в одно и то же время.

Хотя могут выполняться и в разное время, и на разных компьютерах. Главное —

это то, что мультипрограммный режим обеспечивает для этих процессов их неза-

висимость. Каждому процессу операционная система выделяет затребованные ре-

сурсы, он выполняется как бы на отдельной виртуальной машине. Средства защиты

системы должны обеспечить невмешательство одного вычислительного процесса

в другой вычислительный процесс. И если такую защиту обеспечить невозможно,

Понятия вычислительного процесса и ресурса

то система не может считаться надежной. Немало методов и конкретных способов

было придумано разработчиками для обеспечения надежных вычислений и пре-

дотвращения возможности намеренно или по ошибке повлиять на результаты вы-

числений в другом процессе.

Однако существует и другая потребность: не разделить вычислительные процес-

сы друг от друга, а наоборот совместить их, обеспечить возможность тесного взаи-

модействия между осуществляемыми вычислениями. Например, результаты вы-

числений одного вычислительного процесса могут требоваться для начала или

продолжения работы другого. Существует огромное количество ситуаций, когда

необходимо обеспечить активное взаимодействие между выполняющимися вычис-

лительными процессами. Если нет возможности получить доступ к переменным

другого процесса, ибо операционная система построена надежно и защищает ад-

ресные пространства одного вычислительного процесса от вмешательства другого

вычислительного процесса, то возникают очень серьезные препятствия на пути

передачи каких бы то ни было данных между процессами.

Термин мультизадачный режим работы стали применять как раз для тех случаев,

когда необходимо обеспечить взаимодействие между вычислениями. Мультиза-

дачный режим означает, что операционная система позволяет организовать парал-

лельное выполнение вычислений, и имеются специальные механизмы для передачи

данных, синхросигналов, каких-либо сообщений между этими взаимодействую-

щими вычислениями. Это можно сделать за счет того, что такие вычисления не

должны системой изолироваться друг от друга. Операционная система не должна

для них в обязательном порядке задействовать все механизмы защиты вычисле-

ний от невмешательства друг в друга. При мультизадачном режиме разработчик

программы должен позаботиться о разделении ресурсов между его задачами. Опера-

ционная система будет всего лишь разделять процессорное время между задачами.

Понятие процесса было введено для реализации идей мультипрограммирования.

Термин задача тоже, к сожалению, в большинстве случаев применялся для того

же. В свое время различали термины «мультизадачность» и «мультипрограмми-

рование», но потом они стали заменять друг друга, и это вносило немалую путани-

цу. Таким образом, для реализации мультизадачности в ее исходном толковании

необходимо было ввести соответствующую сущность. Такой сущностью стали лег-

ковесные (thin) процессы, или, как их теперь преимущественно называют, потоки

выполнения

, нити, или треды (threads).

Когда говорят о процессах (process), то тем самым хотят отметить, что операцион-

ная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое

виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресур-

сы — файлы, окна, семафоры и т. д. Такая обособленность нужна для того, чтобы

защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресур-

сы вычислительной системы, конкурируют друг с другом за доступ к ресурсам.

о общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принад-

лежать даже разным пользователям, разделяющим одну вычислительную систему.

Поток выполнения (thread) не следует путать с потоком данных (stream).

Глава 1. Основные понятия

Другими словами, в случае процессов операционная система считает их совершенно

несвязанными и независимыми. При этом именно операционная система берет на

себя роль арбитра в спорах конкурирующих процессов за ресурсы. Она же и обес-

печивает защиту выполняющихся вычислений.

Однако желательно иметь еще и возможность задействовать внутренний паралле-

лизм, который может быть в самих процессах. Такой внутренний параллелизм

встречается достаточно часто и позволяет ускорить вычисления. Например, неко-

торые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего испол-

нения достаточно длительное использование центрального процессора. В этом

случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго

ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до

тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встреча-

ются достаточно часто, например, при работе с графическими редакторами при

обработке больших изображений с высокой степенью детализации. Если же про-

граммные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде

самостоятельных «подпроцессов» (легковесных процессов, потоков выполнения,

или задач), которые могут выполняться параллельно с другими подпроцессами

(потоками, задачами), то у пользователя появляется возможность параллельно

выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса). Легко-

весными эти процессы называют потому, что операционная система не должна для

них организовывать полноценную виртуальную машину, то есть эти задачи, преж-

де всего, не имеют своих собственных ресурсов, а развиваются в том же виртуаль-

ном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными

устройствами и иными ресурсами, выделенными ОС данному процессу. Единствен-

ное, что они имеют свое — это процессорный ресурс. В однопроцессорной системе

потоки выполнения (задачи) разделяют между собой процессорное время так же,

как это делают обычные процессы, а в мультипроцессорной системе они могут

выполняться одновременно, если не встречают конкуренции из-за обращения

к иным ресурсам.

Главное, что обеспечивает многопоточность — это возможность параллельно вы-

полнять несколько видов операций в одной прикладной программе. Параллель-

ные вычисления (а следовательно, и более эффективное использование ресурсов

центрального процессора, и меньшее суммарное время выполнения задач) гораздо

удобнее реализовать не на уровне процессов, но на уровне задач (потоков, тредов).

И программа, разработанная с использованием механизма потоков, представляе-

мая как некоторое множество задач в рамках одного процесса, может быть выпол-

нена быстрее за счет параллельного функционирования ее отдельных частей. Осо-

бенно это выгодно при наличии нескольких процессоров, ибо каждая задача может

выполняться на отдельном процессоре. Например, если электронная таблица, тек-

стовый процессор или графический редактор были разработаны с учетом возмож-

ностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего

рабочего листа, слияние нескольких документов или преобразование изображе-

ния и одновременно продолжать заполнять таблицу, открывать для редактирова-

ния следующий документ, изменять другое изображение.

Понятия вычислительного процесса и ресурса

Особенно эффективно можно использовать многопоточнослъ для выполнения рас-

пределенных приложений. Например, многопоточный сервер может параллельно

выполнять запросы сразу нескольких клиентов. Как известно, операционная сис-

тема OS/2 была одной из первых систем, используемых в персональных компью-

терах, которая поддерживала многопоточность. В середине 90-х годов для этой опе-

рационной системы было создано большое количество приложений, в которых

наличие механизмов многопоточной обработки реально приводило к существен-

ному повышению скорости вычислений. Для систем Windows, с которыми мы все

имеем дело, ярко выраженной многопоточностыо обладают такие продукты, как

SQL Server, Oracle. И хотя те же Word, Excel, Internet Explorer также при своей

работе образуют потоки, явного параллелизма в этих программах почти не под-

держивается. Поэтому при увеличении числа процессоров в компьютере такие

программы не начинают выполняться быстрее.

Итак, сущность «поток выполнения» была введена для того, чтобы именно с помо-

щью этих единиц распределять процессорное время между возможными работа-

ми. Сущность «процесс» предполагает, что при диспетчеризации нужно учиты-

вать все ресурсы, закрепленные за ним. При манипулировании задачами-потоками

можно менять только контекст задачи, если мы переключаемся с одной задачи на

другую в рамках одного процесса. Все остальные вычислительные ресурсы при

этом не затрагиваются. Каждый процесс всегда состоит, по крайней мере, из одно-

го потока выполнения, и только если имеется внутренний параллелизм, програм-

мист может «расщепить» один поток на несколько параллельных. Потребность в

потоках возникла еще в однопроцессорных вычислительных системах, поскольку

они позволяли организовать вычисления более эффективно. Для использования

достоинств многопроцессорных систем с общей памятью потоки уже просто необ-

ходимы, так как позволяют не только реально ускорить выполнение тех задач, ко-

торые допускают их естественное распараллеливание, но и загрузить процессор-

ные элементы работой, с тем чтобы они не простаивали. Заметим, однако, что

желательно, чтобы можно было свести к минимуму взаимодействие потоков меж-

ду собой, ибо ускорение от одновременного выполнения параллельных потоков

может быть сведено к минимуму из-за задержек синхронизации и обмена данными.

Каждый поток выполняется строго последовательно и имеет свой собственный

программный счетчик и стек. Потоки, как и процессы, могут порождать потоки-

потомки, поскольку любой процесс состоит по крайней мере из одного потока.

Подобно традиционным процессам (то есть процессам, состоящим из одного по-

тока), каждый поток может находиться в одном из активных состояний. Пока один

поток заблокирован (или просто находится в очереди готовых к исполнению за-

дач), другой поток того же процесса может выполняться. Потоки разделяют про-

цессорное время так же, как это делают обычные процессы, в соответствии с раз-

личными вариантами диспетчеризации.

Как уже упоминалось, иногда потоки выполнения называют легковесными про-

цессами. Как мы уже знаем, все потоки имеют одно и то же виртуальное адресное

пространство своего процесса. Это означает, что они разделяют одни и те же гло-

бальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к каждому

Глава 1. Основные понятия

виртуальному адресу, один поток может использовать стек другого потока. Между

потоками нет полной защиты, потому что, во-первых, это невозможно, а во-вто-

рых, не нужно. Все потоки одного процесса всегда решают общую задачу одного

пользователя, и механизм потоков используется здесь для более быстрого реше-

ния задачи путем ее распараллеливания. При этом программисту очень важно по-

лучить в свое распоряжение удобные средства организации взаимодействия час-

тей одной программы. Повторим, что кроме разделения адресного пространства,

все потоки разделяют также набор открытых файлов, устройства, выделенные про-

цессу, имеют одни и те же наборы сигналов, семафоры и т. п. А что у потоков явля-

ется их собственным? Собственными являются программный счетчик, стек, рабо-

чие регистры процессора, потоки-потомки, состояние.

Вследствие того, что потоки, относящиеся к одному процессу, выполняются в од-

ном и том же виртуальном адресном пространстве, между ними легко организо-

вать тесное взаимодействие, в отличие от процессов, для которых нужны специ-

альные механизмы обмена сообщениями и данными. Более того, программист,

создающий многопоточное приложение, может заранее продумать работу множе-

ства потоков процесса таким образом, чтобы они могли взаимодействовать наибо-

лее выгодным способом, а не конкурировать за ресурсы тогда, когда этого можно

избежать.

Для того чтобы можно было эффективно организовать параллельное выполнение

рассмотренных сущностей (процессов и потоков), в архитектуру современных про-

цессоров включены средства для работы со специальной информационной струк-

турой, описывающей ту или иную сущность. Для этого уже на уровне архитектуры

микропроцессора используется понятие задача (task). Оно как бы объединяет в себе

и обычный процесс, и поток выполнения (тред). Это понятие и поддерживаемая

для него на уровне аппаратуры информационная структура позволяют в дальней-

шем при разработке операционной системы строить соответствующие дескрипто-

ры как для задач, так и для процессов. И отличаться эти дескрипторы будут прежде

всего тем, что дескриптор задачи может хранить только контекст приостановлен-

ного вычислительного процесса, тогда как дескриптор процесса должен содержать

поля, описывающие тем или иным способом ресурсы, выделенные этому процес-

су. Для хранения контекста задачи в микропроцессорах с архитектурой i32 имеет-

ся специальный сегмент состояния задачи (Task State Segment, TSS). А для отобра-

жения информации о процессе используется уже иная информационная структура,

однако она включает в себя TSS. Другими словами, сегмент состояния задачи, по-

дробно рассматриваемый в разделе «Адресация в 32-разрядных микропроцессо-

рах i80x86 при работе в защищенном режиме» главы 4, используется как основа

для дескриптора процесса. Таким образом, дескриптор процесса больше по разме-

ру, чем TSS, и включает в себя такие традиционные поля, как идентификатор про-

цесса, его имя, тип, приоритет и проч.

Каждый поток (в случае использования так называемой «плоской» модели памя-

ти — см. раздел «Сегментная, страничная и сегментно-страничная организация

памяти» в главе 3) может быть оформлен в виде самостоятельного сегмента, что

приводит к тому, что простая (не многопоточная) программа будет иметь всего

один сегмент кода в виртуальном адресном пространстве.