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 в ОС UNIX состоит из нескольких частей:

• Адресное пространство процесса в пользовательском режиме 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 для управления процессом - proc и user. Сюда же входят данные, необходимые для отображения виртуального адресного пространства процесса в физическую память.

• Среда процесса Переменные среды процесса, значения которых задаются в командном интерпретаторе или в самом процессе с помощью системных вызовов, а также наследуются порожденным процессом от родительского и обычно хранятся в нижней части стека. Среду процесса можно получать или изменять с помощью функций.

• Аппаратный контекст Сюда входят значения общих и ряда системных регистров процессора, в частности, указатель текущей инструкции и указатель стека (см. в начале раздела).

Переключение между процессами, необходимое для распределения вычислительного ресурса, по существу, выражается в переключении контекста, когда контекст выполнявшегося процесса запоминается, а восстанавливается контекст процесса, выбранного планировщиком. Переключение процесса является достаточно ресурсоемкой операцией. Помимо сохранения состояния регистров процесса, ядро вынуждено выполнить множество других действий.

Контекст переключается в четырех случаях:

1. Текущий процесс переходит в состояние сна, ожидая недоступного ресурса.

2. Текущий процесс завершает свое выполнение.

3. Если после пересчета приоритетов в очереди на выполнение есть более высокоприоритетный процесс.

4. Происходит пробуждение более высокоприоритетного процесса.

Первые два случая соответствуют добровольному переключению контекста и действия ядра при этом 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.

Приоритеты процессов

Планирование процессов и UNIX основано на приоритете процесса. Планировщик всегда выбирает процесс с наивысшим приоритетом. Приоритет процесса не является фиксированным и динамически изменяется системой в зависимости от использования вычислительных ресурсов, времени ожидания запуска и текущего состояния процесса. Если процесс готов к запуску и имеет наивысший приоритет, планировщик приостановит выполнение текущего процесса (с более низким приоритетом), даже если последний не "выработал" свой временной квант.

Ядро UNIX является непрерываемым (nonpreemptive). Это означает, что процесс, находящийся в режиме ядра (в результате системного вызова или прерывания) и выполняющий системные инструкции, не может быть прерван системой, а вычислительные ресурсы переданы другому высокоприоритетному процессу. В этом состоянии выполняющийся процесс не может освободить процессор "по собственному желанию", в результате недоступности какого-либо ресурса перейдя в состояние сна. В противном случае система может прервать выполнение процесса только при переходе из режима ядра в пользовательский режим. Такой подход значительно упрощает решение задач синхронизации и поддержки целостности структур данных ядра.

Каждый процесс имеет два атрибута приоритета: текущий приоритет, на основании которого происходит планирование, и относительный приоритет, называемый также поправкой приоритета - nice number, который задается при порождении процесса и влияет на текущий приоритет.

Диапазон значений текущего приоритета различен, в зависимости от версии ОС UNIX и используемого планировщика. В любом случае, процессы, выполняющиеся в пользовательском режиме, имеют более низкий приоритет, чем работающие в режиме ядра.