1.2Понятия процессов и потоков. Основные определения
Поток – последовательность команд программы, выполняющихся одна за другой в детерминированной последовательности.
Основной принцип потока – несколько потоков могут выполняться параллельно (псевдопараллельно).
Поток (поток управления, задача, нить, thread) – одна из параллельно (асинхронно) выполняющихся ветвей процесса
Особенности потоков
В процессе присутствует единственный главный поток
Все потоки одного процесса работают в едином адресном пространстве
Общие переменные и код
Нет необходимости использовать специальные средства взаимодействия*
Каждый поток имеет собственный стек
Каждый поток имеет собственное состояние
межпоточного взаимодействия обычно нужны
Процесс – выполнение пассивных инструкций компьютерной программы на процессоре.
Процесс – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих действий, преобразующих входные данные в выходные (ISO 9000:2000).
Процесс порождается при запуске программы.
Состав процесса:
Главный поток
Дополнительные потоки – необязательно
Память данных
Память программ
Все потоки в рамках одного процесса выполняются в едином адресном пространстве, то есть используют общие переменные. Каждый поток имеет собственный стек. Поток может порождать другие потоки.
Процесс (process) – совокупность действий процессора и необходимых ресурсов для обеспечения выполнения инструкций программы
Состав процесса
Области памяти данных и программ
Стек
Отображение виртуальной памяти на физическую память
Состояние
Типичные состояния процессов:
Остановлен
Процесс не использует процессор
Терминирован
Процесс закончился, но ещё не удалён
Ожидает
Готов
Готов к выполнению, но ожидает освобождения процессора
Выполняется
Процесс выполняется процессором
На рисунке 8 представлен график состояний процесса.
Рисунок 8. График состояний процесса
Межпроцессное взаимодействие – способ передачи информации между процессами.
Виды межпроцессного взаимодействия
Разделяемая память
Семафоры
Сигналы
Почтовые ящики
Событие – оповещение процесса со стороны ОС о возникновении межпроцессного взаимодействия.
Примеры событий:
Принятие семафором требуемого значения
Поступление сигнала
Поступление сообщения в почтовый ящик
Ресурс – объект (устройство, память), необходимый процессу или потоку для выполнения заданных действий
Приоритет – целое число, определяющее важность каждого процесса или потока в ОС:
Чем больше приоритет у процесса или потока, тем больше процессорного времени ему будет выделено
Виды ресурсов по природе:
Аппаратные ресурсы
Процессор
Область памяти
Периферийные устройства
Прерывания
Программные ресурсы
Программа
Данные
Файлы
Сообщения
Виды ресурсов по характеристикам:
Активные
Способны изменять и создавать информацию (процессор)
Пассивные
Способны хранить информацию (память)
Локальные
Относятся к одному процессу
После завершения процесса автоматически удаляются
Разделяемые
Относятся к нескольким процессам
Удаляются только после окончания использования их последним процессом
Постоянные
Для работы требуют операций «захватить» и «освободить»
Временные
Для работы требуют операций «создать» и «удалить»
Виды разделяемых ресурсов:
Некритичные
Безопасно могут быть использованы одновременно несколькими процессами и потоками
Примеры: жёсткий диск в целом, сетевая карта, видеокарта
Критичные
Безопасно могут быть использованы в один момент времени только одним процессом или потоком
Примеры: разделяемая память при её модификации
Типы взаимодействия процессов:
Независимые процессы
Процессы не используют разделяемые ресурсы
Сотрудничающие процессы
Процессы разделяют канал коммуникации: один пишет, другой читает
Процессы работают по очереди: один работает, второй ожидает завершения работы первого
Конкурирующие процессы
Процессы используют совместно разделяемый ресурс
Процессы используют критические секции
Процессы используют взаимные исключения (мьютексы)
Критическая секция – участок программного кода, который допускается выполнять только единственным потоком (процессом)
Взаимное исключение (мьютекс, mutual exclusion, mutex) – способ синхронизации потоков за счёт использования захвата совместно используемого ресурса, также называемого мьютексом
Если мьютекс занят, то при попытке его захвата поток переходит в состояние ожидания
Как только мьютекс освобождается, ранее ожидавший поток высвобождается, а мьютекс вновь считается захваченным
Безопасное взаимодействие – целостность информации и неделимость действий при взаимодействии обеспечиваются операционной системой
Небезопасное взаимодействие – целостность информации и неделимость действий при взаимодействии обеспечиваются приложением
Разделяемая память – область памяти, одновременно доступная для нескольких процессов.
Это базовый вид взаимодействия процессов, к которому сводятся все остальные виды взаимодействия
Разделяемая память может отображаться на разные области виртуальной памяти, поэтому нужно преобразовывать указатели
Операции:
Создать – создаётся объект (файл), недоступный для использования
Подсоединить – созданный объект разделяемой памяти присоединяется к адресному пространству процесса, после этого разделяемой памятью можно пользоваться для обмена данными
Отсоединить – объект разделяемой памяти отсоединяется от адресного пространства процесса
Удалить – процесс сообщает ОС о том, что больше не будет использовать разделяемую память, реально объект разделяемой памяти будет удалён после окончания его использования последним процессом
Семафоры - это объект синхронизации, задающий количество процессов и/или потоков, имеющих одновременный доступ к разделяемому ресурсу
По сути это безопасный счётчик
Значение счётчика может быть меньше 0 – это значит, что несколько потоков/процессов ожидают освобождения семафора
Виды
Двоичные (булевские)
Счётные
Операции с семафорами:
Взять (Get) – уменьшает значение счётчика на k, если в счётчике значение не меньше k, иначе поток блокируется
Вернуть (Put) – увеличивает значение счётчика на k
Попробовать взять (TryGet) – то же, что и Get, но не блокирует поток
Проверить (Test) – возвращает значение счётчика
Блокировать (Lock) – «обнулить», если значение счётчика больше 0
Разблокировать (Unlock) – вернуть столько, сколько сняли при блокировке.
Mutex (mutual exclusion) – механизм синхронизации, предназначенный для устранения недостатков семафоров:
Захват семафора после его случайного разблокирования всегда удачен и может привести к повреждению данных
Семафор является объектом ОС, поэтому для доступа к нему необходимо переключать задачи
Состав мьютекса
Булевский семафор
Идентификатор потока, захватившего разделяемый ресурс
Мьютексы хранятся в памяти процесса (локальные) или в разделяемой памяти процессов (глобальные)
Операции
Захватить (Lock) – если мьютекс захвачен другим потоком, текущий поток блокируется
Освободить (Unlock) – работает только для потока, являющегося владельцем мьютекса
Попробовать захватить (TryLock) – то же, что и Lock, но текущий поток не блокируется
|
