Процесс в вычислительных системах: исполнение и управление

Введение

Особое выполнение компьютерной программы

В вычислительной технике процесс — это экземпляр компьютерной программы, выполняемый одним или несколькими потоками. Существует множество различных моделей процессов, некоторые из которых являются легковесными, но почти все процессы (даже целые виртуальные машины) основаны на процессе операционной системы (ОС), который включает в себя программный код, выделенные системные ресурсы, физические и логические права доступа и структуры данных для запуска, управления и координации выполнения. В зависимости от ОС, процесс может состоять из нескольких потоков выполнения, которые одновременно выполняют инструкции. В то время как компьютерная программа — это пассивный набор инструкций, обычно хранящихся в файле на диске, процесс — это выполнение этих инструкций после загрузки с диска в память. Несколько процессов могут быть связаны с одной и той же программой; например, открытие нескольких экземпляров одной и той же программы часто приводит к выполнению более одного процесса. Многозадачность — это метод, позволяющий нескольким процессам совместно использовать процессоры (CPU) и другие системные ресурсы. Каждый процессор (ядро) выполняет один процесс за раз. Однако многозадачность позволяет каждому процессору переключаться между выполняемыми задачами, не дожидаясь завершения каждой из них (вытеснение). В зависимости от реализации операционной системы, переключение может выполняться при запуске задач и ожидании завершения операций ввода/вывода, когда задача добровольно уступает процессор, при аппаратных прерываниях и когда планировщик операционной системы решает, что процесс исчерпал свою справедливую долю процессорного времени (например, с помощью Completely Fair Scheduler ядра Linux). Распространенная форма многозадачности обеспечивается разделением времени процессора, которое является методом чередования выполнения процессов и потоков пользователей, а также независимых задач ядра — хотя последняя возможность реализуема только в ядрах с вытеснением, таких как Linux. Вытеснение имеет важный побочный эффект для интерактивных процессов, которым присваивается более высокий приоритет по сравнению с процессами, интенсивно использующими процессор, поэтому пользователи немедленно получают вычислительные ресурсы при простом нажатии клавиши или перемещении мыши. Кроме того, приложениям, таким как воспроизведение видео и музыки, предоставляется приоритет, близкий к реальному времени, вытесняя любые другие процессы с более низким приоритетом. В системах с разделением времени контекстные переключения выполняются быстро, что создает впечатление одновременного выполнения нескольких процессов на одном процессоре. Это кажущееся одновременное выполнение нескольких процессов называется конкуренцией (конкурентным выполнением). Для обеспечения безопасности и надежности большинство современных операционных систем предотвращают прямое взаимодействие между независимыми процессами, обеспечивая строго контролируемую межпроцессную связь.

In computing, a process is the instance of a computer program that is being executed by one or many threads. There are many different process models, some of which are light weight, but almost all processes (even entire virtual machines) are rooted in an operating system (OS) process which comprises the program code, assigned system resources, physical and logical access permissions, and data structures to initiate, control and coordinate execution activity. Depending on the OS, a process may be made up of multiple threads of execution that execute instructions concurrently. While a computer program is a passive collection of instructions typically stored in a file on disk, a process is the execution of those instructions after being loaded from the disk into memory. Several processes may be associated with the same program; for example, opening up several instances of the same program often results in more than one process being executed. Multitasking is a method to allow multiple processes to share processors (CPUs) and other system resources. Each CPU (core) executes a single process at a time. However, multitasking allows each processor to switch between tasks that are being executed without having to wait for each task to finish (preemption). Depending on the operating system implementation, switches could be performed when tasks initiate and wait for completion of input/output operations, when a task voluntarily yields the CPU, on hardware interrupts, and when the operating system scheduler decides that a process has expired its fair share of CPU time (e. g, by the Completely Fair Scheduler of the Linux kernel). A common form of multitasking is provided by CPU's time sharing that is a method for interleaving the execution of users' processes and threads, and even of independent kernel tasks – although the latter feature is feasible only in preemptive kernels such as Linux. Preemption has an important side effect for interactive processes that are given higher priority with respect to CPU bound processes, therefore users are immediately assigned computing resources at the simple pressing of a key or when moving a mouse. Furthermore, applications like video and music reproduction are given some kind of real time priority, preempting any other lower priority process. In time sharing systems, context switches are performed rapidly, which makes it seem like multiple processes are being executed simultaneously on the same processor. This seemingly simultaneous execution of multiple processes is called concurrency. For security and reliability, most modern operating systems prevent direct communication between independent processes, providing strictly mediated and controlled inter process communication.

Межпроцессная связь

Когда процессам необходимо взаимодействовать друг с другом, они должны разделять части своих адресных пространств или использовать другие формы межпроцессного взаимодействия (IPC). Например, в конвейере команд оболочки, вывод первого процесса должен передаваться на вход второго и так далее. Другой пример – задача, которая была разделена на взаимодействующие, но частично независимые процессы, способные выполняться одновременно (то есть, с использованием конкурентности, или истинного параллелизма – последняя модель является частным случаем конкурентного выполнения и реализуема, когда несколько ядер ЦП доступны для процессов, готовых к запуску). Более того, возможно, что два или более процессов будут выполняться на разных машинах, которые могут использовать разные операционные системы (ОС), поэтому требуются механизмы связи и синхронизации (называемые коммуникационными протоколами для распределённых вычислений) (например, интерфейс передачи сообщений (MPI)).

История

К началу 1960-х годов программное обеспечение для управления компьютером эволюционировало от программного обеспечения для управления монитором, например IBSYS, к программному обеспечению для исполнительного управления. Со временем компьютеры становились быстрее, однако время работы компьютера оставалось недешёвым и не использовалось в полной мере; такая ситуация сделала мультипрограммирование возможным и необходимым. Мультипрограммирование означает, что несколько программ выполняются одновременно. Первоначально более одной программы работала на одном процессоре из-за лежащей в основе архитектуры однопроцессорных компьютеров, и они совместно использовали ограниченные аппаратные ресурсы; в результате конкуренция носила последовательный характер. На более поздних системах с несколькими процессорами несколько программ могут выполняться одновременно параллельно. Программы состоят из последовательностей инструкций для процессоров. Один процессор может выполнять только одну инструкцию за раз: невозможно выполнять несколько программ одновременно. Программе может потребоваться ресурс, например, устройство ввода, имеющее большую задержку, или программа может начать медленную операцию, например, отправку данных на принтер. Это приводило к тому, что процессор оказывался "в режиме ожидания" (неиспользуемым). Чтобы процессор был постоянно занят, выполнение такой программы приостанавливалось, и операционная система переключала процессор на выполнение другой программы. Для пользователя создавалось впечатление, что программы выполняются одновременно (отсюда термин "параллельное"). Вскоре после этого понятие "программа" было расширено до понятия "выполняющаяся программа и её контекст". Так возникло понятие процесса, которое также стало необходимым с изобретением реентерабельного кода. Потоки появились несколько позже. Однако с развитием таких концепций, как разделение времени, компьютерные сети и многопроцессорные компьютеры с общей памятью, старое "мультипрограммирование" уступило место настоящей многозадачности, многопроцессорности и, позднее, многопоточности.