Что такое контекст процесса
Что такое 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.
На Рисунке 6.8 изображены компоненты контекста процесса. Слева на рисунке изображена статическая часть контекста. В нее входят: пользовательский контекст, состоящий из программ процесса (машинных инструкций), данных, стека и разделяемой памяти (если она имеется), а также статическая часть системного контекста, состоящая из записи таблицы процессов, пространства процесса и записей частной таблицы областей (информации, необходимой для трансляции виртуальных адресов пользовательского контекста). Справа на рисунке изображена динамическая часть контекста. Она имеет вид стека и включает в себя несколько элементов, хранящих регистровый контекст предыдущего уровня и стек ядра для текущего уровня. Нулевой контекстный уровень представляет собой пустой уровень, относящийся к пользовательскому контексту; увеличение стека здесь идет в адресном пространстве задачи, стек ядра недействителен. Стрелка, соединяющая между собой статическую часть системного контекста и верхний уровень динамической части контекста, означает то, что в таблице процессов хранится информация, позволяющая ядру восстанавливать текущий контекстный уровень процесса.
Рисунок 6.8. Компоненты контекста процесса
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.
Контекст процесса
Каждому процессу соответствует контекст, в котором он выполняется. Этот контекст включает пользовательский контекст (т. е. содержимое виртуального адресного пространства, сегментов программного кода, данных, стека, разделяемых сегментов и сегментов файлов, отображаемых в виртуальную память), содержимое аппаратных регистров — регистровый контекст (регистр счетчика команд, регистр состояния процессора, регистр указателя стека и регистры общего назначения), а также структуры данных ядра (контекст системного уровня), связанные с этим процессом. Контекст процесса системного уровня в ОС UNIX состоит из «статической» и «динамических» частей. Для каждого процесса имеется одна статическая часть контекста системного уровня и переменное число динамических частей.
Статическая часть контекста процесса системного уровня включает следующее:
Идентификатор процесса (PID)
Уникальный номер, идентифицирующий процесс. По сути, это номер строки в таблице процессов — специальной внутренней структуре ядра операционной системы, хранящей информацию о процессах.
В любой момент времени ни у каких двух процессов номера не могут совпадать, однако после завершения процесса его номер освобождается и может быть в дальнейшем использован для идентификации любого вновь запущенного процесса.
Идентификатор родительского процесса (PPID)
В операционнной системе UNIX процессы выстраиваются в иерархию — новый процесс может быть создан только одним из уже существующих процессов, который выступает для него родительским.
Очевидно, что в такой схеме должен присутствовать один процесс с особым статусом: он должен быть порожден ядром операционной системы и будет являться родительским для всех остальных процессов в системе. В UNIX такой процесс имеет собственное имя — init. Подробнее об этом процессе сказано в разделе «Процесс init».
Каждый процесс в любой момент времени находится в одном из нескольких определенных состояний: инициализация, исполнение, приостановка, ожидание ввода-вывода, завершение и т. п. (см. Рисунок 1.39, «Состояния процесса в UNIX»).
Рисунок 1.39. Состояния процесса в UNIX
Большинство этих состояний совпадает с классическим набором состояний процессов в многозадачных операционных системах. Для операционной системы UNIX характерно особое состояние процесса — зомби. Процесс получает это состояние, если он завершился раньше, чем этого ожидал его родительский процесс. В UNIX перевод процессов в состояние зомби служит для корректного завершения группы процессов, освобождения ресурсов и т. п.
Идентификатор пользователя и группы, от имени которых исполняется процесс, используются операционной системой для определения границ доступа для процесса. Подробнее о правах доступа будет сказано в лекции «Введение в безопасность UNIX».
Число, используемое при планировании (см. «Планирование процессов») исполнения процесса в операционной системе. Традиционное решение операционной системы UNIX состоит в использовании динамически изменяющихся приоритетов. При образовании каждого процесса ему приписывается некоторый устанавливаемый системой статический приоритет, который в дальнейшем может быть изменен с помощью системного вызова nice. Реальным критерием планирования выступает динамический приоритет, статический приоритет составляет основу начального значения динамического приоритета процесса. Все процессы с динамическим приоритетом не ниже порогового участвуют в конкуренции за процессор.
Таблица дескрипторов открытых файлов
Список структур ядра, описывающий все файлы, открытые этим процессом для ввода-вывода.
Другая информация, связанная с процессом
Динамическая часть контекста процесса — это один или несколько стеков, которые используются процессом при выполнении в режиме пользователя и в режиме ядра (в процессе прерываний и системных вызовов).
Планирование процессов
Основной проблемой организации многопользовательского (правильнее сказать, мультипрограммного) режима в любой операционной системе является организация планирования«параллельного» выполнения нескольких процессов. Операционная система должна обладать четкими критериями для определения того, какому готовому к выполнению процессу и когда предоставить ресурс процессора.
Наиболее распространенным алгоритмом планирования в системах разделения времени является кольцевой режим (Round Robin). Основной смысл алгоритма состоит в том, что время процессора делится на кванты фиксированного размера, а процессы, готовые к выполнению, выстраиваются в кольцевую очередь (см. Рисунок 1.40, «Схема планирования с кольцевой очередью»). У этой очереди имеются два указателя — начала и конца. Когда процесс, выполняющийся на процессоре, исчерпывает свой квант процессорного времени, он снимается с процессора, ставится в конец очереди, а ресурсы процессора отдаются процессу, находящемуся в начале очереди. Если выполняющийся на процессоре процесс откладывается (например, по причине обмена с некоторым внешним устройством) до того, как он исчерпает свой квант, то после повторной активизации он становится в конец очереди (не смог доработать — не вина системы). Это прекрасная схема разделения времени в случае, когда все процессы одновременно помещаются в оперативной памяти.
Рисунок 1.40. Схема планирования с кольцевой очередью
Однако операционная система UNIX всегда была рассчитана на то, чтобы обслуживать больше процессов, чем можно одновременно разместить в основной памяти. Другими словами, часть процессов, потенциально готовых выполняться, размещалась во внешней памяти (куда образ памяти процесса попадал в результате откачки). Для оптимизации работы в этом случае требуется несколько более гибкая схема планирования при разделении ресурсов процессора. В результате было введено понятие приоритета (см. Рисунок 1.41, «Схема планирования с кольцевой очередью и приоритетами»). В операционной системе UNIX на основании значения приоритета процесса определяется, во-первых, возможность процесса пребывать в основной памяти и на равных конкурировать за процессор. Во-вторых, от значения приоритета процесса зависит размер временного кванта, который предоставляется процессу для работы на процессоре при достижении своей очереди. В-третьих, значение приоритета влияет на место процесса в общей очереди процессов.
Рисунок 1.41. Схема планирования с кольцевой очередью и приоритетами
Контекст процесса
Каждый процесс UNIX имеет контекст, под которым понимается вся информация, требуемая для описания процесса. Эта информация сохраняется, когда выполнение процесса приостанавливается, и восстанавливается, когда планировщик предоставляет процессу вычислительные ресурсы. Контекст процесса состоит из нескольких частей:
? Адресное пространство процесса в режиме задачи. Сюда входят код, данные и стек процесса, а также другие области, например, разделяемая память или код и данные динамических библиотек.
? Управляющая информация. Ядро использует две основные структуры данных для управления процессом — proc и user. Сюда же входят данные, необходимые для отображения виртуального адресного пространства процесса в физическое.
? Окружение процесса. Переменные окружения процесса представляют собой строки пар вида:
которые наследуются дочерним процессом от родительского и обычно хранятся в нижней части стека. Окружение процесса упоминалось в предыдущих главах, там же были показаны функции, позволяющие получить или изменить переменные окружения.
? Аппаратный контекст. Сюда входят значения общих и ряда системных регистров процессора. К системным регистрам, в частности, относятся:
• указатель инструкций, содержащий адрес следующей инструкции, которую необходимо выполнить;
• указатель стека, содержащий адрес последнего элемента стека;
• регистры плавающей точки;
• регистры управления памятью, отвечающие за трансляцию виртуального адреса процесса в физический.
Переключение между процессами, необходимое для справедливого распределения вычислительного ресурса, по существу выражается в переключении контекста, когда контекст выполнявшегося процесса запоминается, и восстанавливается контекст процесса, выбранного планировщиком. Переключение контекста является достаточно ресурсоемкой операцией. Помимо сохранения состояния регистров процесса, ядро вынуждено выполнить множество других действий. Например, для некоторых систем ядру необходимо очистить кэш данных, инструкций или адресных трансляций, чтобы предотвратить некорректные обращения нового процесса. Поэтому запущенный процесс сначала вынужден работать по существу без кэша, что также сказывается на производительности.
Существуют четыре ситуации, при которых производится переключение контекста:
1. Текущий процесс переходит в состояние сна, ожидая недоступного ресурса.
2. Текущий процесс завершает свое выполнение.
3. После пересчета приоритетов в очереди на выполнение находится более высокоприоритетный процесс.
4. Происходит пробуждение более высокоприоритетного процесса.
Первые два случая соответствуют добровольному переключению контекста и действия ядра в этом случае достаточно просты. Ядро вызывает процедуру переключения контекста из функций sleep() или exit(). Третий и четвертый случаи переключения контекста происходят не по воле процесса, который в это время выполняется в режиме ядра и поэтому не может быть немедленно приостановлен. В этой ситуации ядро устанавливает специальный флаг runrun, который указывает, что в очереди находится более высокоприоритетный процесс, требующий предоставления вычислительных ресурсов. Перед переходом процесса из режима ядра в режим задачи ядро проверяет этот флаг и, если он установлен, вызывает функцию переключения контекста.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Контекст процесса
Контекст процесса Одна из наиболее важных частей процесса— это исполняемый программный код. Этот код считывается из выполняемого файла (executable) и выполняется в адресном пространстве процесса. Обычно выполнение программы осуществляется в пространстве пользователя.
Контекст прерывания
Контекст прерывания При выполнении обработчика прерывания или обработчика нижней половины, ядро находится в контексте прерывания. Вспомним, что контекст процесса — это режим, в котором работает ядро, выполняя работу от имени процесса, например выполнение системного
Контекст рисования
Контекст рисования Рисование на канве выполняется с помощью особых свойств и методов объекта… нет, не HTMLCanvasElement, а CanvasRenderingContext2D. Этот объект представляет так называемый контекст рисования, который можно рассматривать как набор инструментов, используемый для рисования
2.2.2.1 Контекст процесса
2.2.2.1 Контекст процесса Контекстом процесса является его состояние, определяемое текстом, значениями глобальных переменных пользователя и информационными структурами, значениями используемых машинных регистров, значениями, хранимыми в позиции таблицы процессов и в
6.3 КОНТЕКСТ ПРОЦЕССА
6.3 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
Поисковый контекст
Поисковый контекст В случае с запросами из нескольких слов «Яндекс» умеет определять, каким должно быть максимальное расстояние между словами, чтобы страница наиболее точно отвечала запросу. Вы можете задать расстояние явным образом.Слова идут подрядТакой порядок слов
Контекст рисования
Контекст рисования Рисование на канве выполняется с помощью особых свойств и методов объекта… нет, не HTMLCanvasElement, а CanvasRenderingContext2D. Этот объект представляет так называемый контекст рисования, который можно рассматривать как набор инструментов, используемый для рисования
1.2 Процесс, контекст процесса и потоки
1.2 Процесс, контекст процесса и потоки Процесс – это образ выполняемой программы в памяти. Процессу назначается область памяти до окончания его работы. Процесс может совместно использовать код (динамически подключаемые библиотеки) или данные (области совместно
Контекст откровения
Контекст откровения Главное событие, решившее судьбу проекта, случилось 31 июля 2001 г., когда «Яндекс» запустил «Яндекс. Директ» — систему автоматического (в режиме онлайн) размещения контекстной рекламы с оплатой по кликам. Контекстная реклама по сей день остается
Контекст устройства
Контекст транзакции
Контекст транзакции Завершенное общение между клиентом и сервером называется транзакцией. Каждая транзакция имеет уникальный контекст, что приводит к тому, что транзакция будет изолирована от всех других транзакций указанным способом. Правила для контекста транзакции
6.3. Контекст устройства
6.3. Контекст устройства Контекст устройства – структура, определяющая набор графических объектов и связанных с ними атрибутов и графических режимов, которые воздействуют на вывод. Графические объекты включают карандаши для рисования линий, кисти для закрашивания и
1.2.1 Графический контекст
1.2.1 Графический контекст Прежде чем начать работу с графикой, программа должна выделить себе специальную структуру данных и получить указатель на нее. Эта структура называется графическим контекстом (Graphic Context (GC)). Указатель на GC используется в качестве одного из
Контекст преобразования
Контекст преобразования При выполнении преобразования каждая из его инструкций, каждый из элементов обрабатывается в некотором контексте. Контекст преобразования состоит из двух частей: из текущего множества узлов и из текущего узла, которые показывают, что именно
1.2 Процесс, контекст процесса и потоки
1.2 Процесс, контекст процесса и потоки
Процесс – это образ выполняемой программы в памяти. Процессу назначается область памяти до окончания его работы. Процесс может совместно использовать код (динамически подключаемые библиотеки) или данные (области совместно используемой памяти) с другим процессом. Процесс описывается объектом процесса, который поддерживается диспетчером объектов. В объекте процесса содержится информация о виртуальном адресном пространстве процесса, приоритете процесса, а также дескрипторы файлов и информация о выделении памяти. В объекте процесса хранятся и другие параметры, которые здесь не рассматриваются.
В Windows NT несколько процессов могут существовать одновременно; но только один процесс выполняется центральным процессором в определенный момент времени. Обратите внимание: драйверы вообще и драйверы систем хранения данных в частности не создают собственных процессов. Операционная система создает несколько процессов для своих нужд, а также определенные процессы в ответ на пользовательские команды, например когда пользователь запускает приложение, такое, как Microsoft Word или Microsoft Excel. Если драйвер вызывается во время работы процесса, считается, что он работает в контексте вызывающего процесса.
Контекст процесса можно обозначить как всю служебную информацию, необходимую для отслеживания работы процесса. К этой информации относятся виртуальная память процесса, значения регистров центрального процессора, различные дескрипторы файлов и объектов, а также различные маркеры безопасности, связанные с процессом. Контекст процесса исключительно важен, так как множество структур данных и ресурсов, таких, как дескрипторы файлов и указатели памяти, действительны только для данного процесса. Например, дескриптор файла, созданный в одном процессе, недействителен в другом процессе.
Поток – это структурная единица процесса; процесс может содержать один или несколько потоков. Поток совместно использует глобальные структуры данных и адресное пространство процесса, но при этом имеет собственные данные. Переключение между процессами – задача весьма трудоемкая, которая включает в себя сохранение состояния процессора в специальной структуре данных, зависящей от процесса, и-изменение регистров управления памятью и процессором. Переключение между потоками осуществляется намного быстрее, поскольку требует сохранения гораздо меньшего объема данных.
Каждый поток связан с объектом потока, поддерживаемым диспетчером объектов. Информация, которая содержится в объекте, включает в себя данные о первичном центральном процессоре в многопроцессорных системах, состояние потока (т.е. выполняется ли поток, или готов к выполнению, или заблокирован в процессе ввода-вывода), а также другие параметры потока.
Поток может работать в пользовательском режиме и в режиме ядра. Потоки в режиме ядра могут создаваться только структурами, работающими в этом режиме, например драйверами устройств, и они всегда выполняются в режиме ядра. Потоки пользовательского режима обычно выполняются именно в этом режиме, кроме тех случаев, когда это происходит в режиме ядра после запроса к службе Windows NT, как уже отмечалось в разделе 1.1.
Читайте также
Контекст процесса
Контекст процесса Одна из наиболее важных частей процесса— это исполняемый программный код. Этот код считывается из выполняемого файла (executable) и выполняется в адресном пространстве процесса. Обычно выполнение программы осуществляется в пространстве пользователя.
Контекст прерывания
Контекст прерывания При выполнении обработчика прерывания или обработчика нижней половины, ядро находится в контексте прерывания. Вспомним, что контекст процесса — это режим, в котором работает ядро, выполняя работу от имени процесса, например выполнение системного
Контекст рисования
Контекст рисования Рисование на канве выполняется с помощью особых свойств и методов объекта… нет, не HTMLCanvasElement, а CanvasRenderingContext2D. Этот объект представляет так называемый контекст рисования, который можно рассматривать как набор инструментов, используемый для рисования
Контекст процесса
Контекст процесса Каждый процесс UNIX имеет контекст, под которым понимается вся информация, требуемая для описания процесса. Эта информация сохраняется, когда выполнение процесса приостанавливается, и восстанавливается, когда планировщик предоставляет процессу
2.2.2.1 Контекст процесса
2.2.2.1 Контекст процесса Контекстом процесса является его состояние, определяемое текстом, значениями глобальных переменных пользователя и информационными структурами, значениями используемых машинных регистров, значениями, хранимыми в позиции таблицы процессов и в
6.3 КОНТЕКСТ ПРОЦЕССА
6.3 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
Поисковый контекст
Поисковый контекст В случае с запросами из нескольких слов «Яндекс» умеет определять, каким должно быть максимальное расстояние между словами, чтобы страница наиболее точно отвечала запросу. Вы можете задать расстояние явным образом.Слова идут подрядТакой порядок слов
Контекст откровения
Контекст откровения Главное событие, решившее судьбу проекта, случилось 31 июля 2001 г., когда «Яндекс» запустил «Яндекс. Директ» — систему автоматического (в режиме онлайн) размещения контекстной рекламы с оплатой по кликам. Контекстная реклама по сей день остается
Контекст устройства
Контекст транзакции
Контекст транзакции Завершенное общение между клиентом и сервером называется транзакцией. Каждая транзакция имеет уникальный контекст, что приводит к тому, что транзакция будет изолирована от всех других транзакций указанным способом. Правила для контекста транзакции
Логический контекст
1.2.1 Графический контекст
1.2.1 Графический контекст Прежде чем начать работу с графикой, программа должна выделить себе специальную структуру данных и получить указатель на нее. Эта структура называется графическим контекстом (Graphic Context (GC)). Указатель на GC используется в качестве одного из
Контекст преобразования
Контекст преобразования При выполнении преобразования каждая из его инструкций, каждый из элементов обрабатывается в некотором контексте. Контекст преобразования состоит из двух частей: из текущего множества узлов и из текущего узла, которые показывают, что именно