Proces v operačnom systéme

Obsah práce

1.	Operačný systém
2.	Proces v operačnom systéme
3.	Porovnanie vybratých operačných systémov

Proces v operačnom systéme

Proces je program, ktorý sa práve vykonáva. Je to aktívna, dynamická entita na rozdiel od ( textu ) programu, ktorý je statickou, pasívnou entitou. Vykonávanie sa označuje ako sekvenčne - v každom časovom okamihu sa vykonáva jedna inštrukcia daného procesu a po jej ukončení sa prejde na ďalšiu, alebo sa začne vykonávať iný proces. V danom čase procesu zodpovedá presne jeden program, ale danému programu môže zodpovedať viacero vykonávaných procesov, napr. viacerí používatelia pracujú s textovým editorom, spustili jediný program ( v pamäti sa nachádza iba raz ), ale ide o desať samostatných procesov.

Proces pozostáva z:

1. kódu ( textu ) programu - tzv. kódový segment
2. hodnoty registrov ( napr. hodnota registra IP určuje, kde sa vykonávanie nachádza v texte programu )
3. dát procesu:
   • a)globálne dáta - prístupné všetkým procedúram programu
   • b)zásobník(y) - implementuje postupnosť volaní jednotlivých procedúr ( call stack )
   • c)hromada ( heap ) - implementuje dynamicky prideľované a vracané dáta
4. stavu procesu - aktivita vykonávaná procesom

Presný súhrn týchto charakteristík určuje proces v OS.

Stav procesu

Proces sa počas vykonávania nachádza v rôznych stavoch, ktoré určujú prípustné operácie s procesom a reakcie procesu na ne. Stavy môžeme popísať konečným automatom, pričom každý OS sa líši v presnej množine stavov procesov a povolených operáciách ( prechodoch ), takže nasledovné rozdelenie možných stavov je zovšeobecnené:

1. novovytvorený proces ( NEW ) - tento proces sa práve vytvoril, ale ešte nebol priradený k CPU – neprevzal riadenie . Procesy sú vytvárané inými procesmi: proces - rodič vytvorí proces - potomka. Táto činnosť sa vykonáva systémom vytvor proces ( presný mechanizmus sa líši systém od systému ). Procesy vytvárajú strom, ktorého koreň vzniká pri štarte OS. Keď sa vytvorí potomok môže rodič pokračovať v činnosti, alebo počká na ukončenie potomka. Medzi rodičom a potomkom OS umožňuje zdieľanie zdrojov, ak o to rodič požiada ( napr. potomok môže dostať prístup k otvoreným súborom rodiča ).
2. ležiaci proces ( RUNNING ) - proces, ktorý sa práve vykonáva na CPU. V modernom multiprocesovom OS býva proces po uplynutí určitého času ( časové kvantum ) násilne prevedený zo stavu bežiaci do stavu pripravený, aby aj iné procesy mohli byť vykonávané.
3. pripravený proces ( READY ) - proces, ktorý by sa mohol vykonávať, ale práve nie je priradený k CPU. OS by mal zabezpečiť naplánovanie takéhoto procesu, t.j. jeho priradenie k CPU v dohľadnom čase - toto je základná idea time sharingu.
4. čakajúci proces ( WAITING ) - proces, ktorý sa ( dočasne ) nemôže vykonávať, lebo čaká na výskyt udalosti. Udalosť sa väčšinou ohlasuje formou prerušenia alebo iným vnútorným mechanizmom OS. Príčiny čakania sú rôznorodé:
   
   • čakanie na dokončenie V/V. Proces čaká vo fronte daného V/V zariadenia, fronty sú organizované pomocou PCB. Po ukončení V/V nastane prerušenie, počas jeho spracovania proces prejde do stavu pripravený.
   • čakanie na komunikáciu s iným procesom. Toto sa môže implementovať rôzne, ale komunikáciu ( napr. príjem dát ) od druhého procesu spracuje OS, odovzdá prijaté dáta čakajúcemu procesu a prevedie ho do stavu pripravený
   • čakanie na uplynutie zadaného času ( sleep )
   • čakanie na potomka. Proces môže vytvoriť potomka a čakať na jeho ukončenie.
5. ukončený proces ( TERMINATED ) - proces, ktorý vykonal svoje inštrukcie, alebo bol inak ukončený ( systémovým volaním abort ). Po čase sa takýto proces odstráni zo systému. Po skončenom procese však zostáva určitá množina údajov, kde sú uložené napríklad výstupné údaje, o ktorých sa predpokladá, že môžu byť neskôr vyžadované inými procesmi na prečítanie. Ak tieto údaje ešte existujú, proces sa nachádza v stave tzv. zombie.
   

Životný cyklus daného procesu spočíva v prechodoch medzi rôznymi stavmi, ktoré je vidieť na obr. 3. Medzi typické prechody patria:

1. 
   pripustenie ( admit ) novovytvoreného procesu do stavu pripravený,
   
2. naplánovanie ( dispatch ) pripraveného procesu: stane sa bežiacim, doteraz bežiaci proces prešiel do stavu pripravený ( čakajúci ),
3. prerušenie bežiaceho procesu po uplynutí časového kvanta a prechod do stavu pripravený,
4. čakanie ( systémové volanie wait ) na výskyt udalosti a prechod zo stavu bežiaci do stavu čakajúci,
5. po výskyte udalosti ( systémové volanie signal ) prechod zo stavu čakajúci do stavu pripravený,
6. ukončenie bežiaceho procesu systémovým volaním exit a prechod do stavu ukončený.

Obr. 3 Životný cyklus procesu [3]

Informácie OS o procese

OS drží všetky informácie o daných procesoch v špeciálnej dátovej štruktúre - tabuľke procesov ( PCB ). PCB pozostáva z položiek, kde každý proces má takýto záznam:

• identifikátor procesu PID - celé číslo, jednoznačne určuje proces ( v danom časovom ( okamihu ),
• stav procesu ( bežiaci, pripravený, .... ),
• obsah registrov - tieto informácie sú aktuálne len pre nebežiace procesy,
• informácie pre plánovač procesov ( priorita, fronty, ... ),
• informácie o pridelenej pamäti,
• účtovnícke informácie ( čas strávený na CPU a pod. ),
• stav V/V ( napr. priradené zariadenia, otvorené súbory a pod.).

Tieto informácie sa niekedy súhrnne nazývajú kontextom procesu.

Plánovanie procesov

Pod pojmom plánovanie procesov rozumieme činnosť OS, ktorý vyberá medzi procesmi a určuje poradie ich vykonávania. Rozlišujeme tri druhy plánovania procesov [3]:

1. dlhodobé - ak je v systéme viacero úloh ( nie procesov, ale používateľom zadaných úloh, napr. výpočtových ) očakávajúcich spustenie, OS musí určiť, ktorá z nich sa má spustiť ako nasledujúca. Jedná sa vlastne o naplánovanie prechodu zo stavu novovytvorený do stavu čakajúci. V multiprocesovom OS ( interaktivita, time-sharing ) väčšinou nie je prípustné, aby zadaná úloha čakala na spustenie neurčitý čas, lebo systém je príliš zaťažený a preto OS musí oznámiť okamžite, že úloha sa spustiť nedá,
2. strednodobé - súvisí s odkladaním úloh do operačnej pamäte ( swapping ),
3. krátkodobé - určenie procesu ( spomedzi pripravených ), ktorý sa má stať bežiacim.

Pri zmene bežiaceho procesu dochádza k multitaskingu. Multitasking trvá určitý čas ( mikrosekundu až milisekundu podľa architektúry a OS ) a preto sa pri návrhu OS musí dať pozor, aby CPU nestrávilo väčšinu svojej produktívnej činnosti pri prepínaní medzi procesmi ( ak dochádza k prepínaniu 100-krát za sekundu a jedno prepnutie trvá 1ms, tak 10% času CPU sa venuje len tejto činnosti ). Poznáme päť základných možností kedy nastáva preplánovanie bežiaceho procesu [3]:

1. bežiaci proces prejde do stavu čakajúci, t.j. vzdá sa procesora, lebo chce počkať na udalosť,
2. bežiaci proces sa iniciatívne vzdá procesora a prejde do stavu pripravený v niektorých OS ( MS Windows ) na to existuje volanie systému yield - vzdaj sa CPU ( daj šancu iným ),
3. bežiaci proces sa ukončí,
4. bežiaci proces dočasne odovzdá riadenie OS počas spracovania prerušenia,
5. niektorý z čakajúcich procesov prejde do stavu pripravený.