Что такое потоки в диспетчере задач

Sysadminium

База знаний системного администратора

Процессы, потоки и задания Windows

Работа операционной системы Windows основана на работе процессов. В этой статье разберём что такое Windows процессы, их свойства, состояния и другое.

Процессы

Процесс стоит воспринимать как контейнер с набором ресурсов для выполнения программы. То есть запускаем мы программу, для неё выделяется часть ресурсов компьютера и эта программа работает с этими ресурсами.

Процессы нужны операционной системе для многозадачности, так как программы работают в своих процессах и не мешают друг другу, при этом по очереди обрабатываются процессором.

Windows процессы состоят из следующего:

У процессов есть еще очень много свойств которые вы можете посмотреть в “Диспетчере задач” или “Process Explorer“.

Процесс может быть в различных состояниях:

В Windows существуют процессы трёх типов:

Дерево процессов

В Windows процессы знают только своих родителей, а более древних предков не знают.

Например у нас есть такое дерево процессов:

Если мы завершим дерево процессов “Процесс_1“, то завершатся все процессы. Потому что “Процесс_1” знает про “Процесс_2“, а “Процесс_2” знает про “Процесс_3“.

Если мы вначале завершим “Процесс_2“, а затем завершаем дерево процессов “Процесс_1“, то завершится только “Процесс_1“, так как между “Процесс_1” и “Процесс_3” не останется связи.

Например, запустите командную строку и выполните команду title parrent чтобы изменить заголовок окна и start cmd чтобы запустить второе окно командной строки:

Измените заголовок второго окна на child и из него запустите программу paint:

В окне командной строке child введите команду exit, окно закроется а paint продолжит работать:

После этого на рабочем столе останутся два приложения, командная строка parrent и paint. При этом parrent будет являться как бы дедом для paint.

Запустите “Диспетчер задач”, на вкладке “Процессы” найдите процесс “Обработчик команд Windows”, разверните список и найдите “parrent“. Затем нажмите на нём правой копкой мыши и выберите “Подробно”:

Вы переключитесь на вкладку “Подробно” с выделенным процессом “cmd.exe“. Нажмите правой кнопкой по этому процессу и выберите «Завершить дерево процессов»:

Окно командной строки Parrent завершится а Paint останется работать. Так мы убедились что связи между первым процессом и его внуком нет, если у внука нет непосредственного родителя.

Потоки

На центральном процессоре обрабатываются не сами процессы, а программные потоки. Каждый поток, это код загруженный программой. Программа может работать в одном потоке или создавать несколько. Если программа работает в несколько потоков, то она может выполняться на разных ядрах процессора. Посмотреть на потоки можно с помощью программы Process Explorer.

Приложение может создать дополнительный поток, например, когда у приложения есть графический интерфейс, который работает в одном потоке и ожидает от пользователя ввода каких-то данных, а второй поток в это время занимается обработкой других данных.

Изучение активности потока важно, если вам нужно разобраться, почему тот или иной процесс перестал реагировать, а в процессе выполняется большое число потоков. Потоков может быть много в следующих процессах:

Волокна и планирование пользовательского режима

Потоки выполняются на центральном процессоре, а за их переключение отвечает планировщик ядра. В связи с тем что такое переключение это затратная операция. В Windows придумали два механизма для сокращения таких затрат: волокна (fibers) и планирование пользовательского режима (UMS, User Mode Scheduling).

Во-первых, поток с помощью специальной функции может превратится в волокно, затем это волокно может породить другие волокна, таким образом образуется группа волокон. Волокна не видимы для ядра и не обращаются к планировщику. Вместо этого они сами договариваются в какой последовательности они будут обращаться к процессору. Но волокна плохо реализованы в Windows, большинство библиотек ничего не знает о существовании волокон. Поэтому волокна могут обрабатываться как потоки и начнутся различные сбои в программе если она использует такие библиотеки.

Потоки UMS (User Mode Scheduling), доступные только в 64-разрядных версиях Windows, предоставляют все основные преимущества волокон при минимуме их недостатков. Потоки UMS обладают собственным состоянием ядра, поэтому они «видимы» для ядра, что позволяет нескольким потокам UMS совместно использовать процессор и конкурировать за него. Работает это следующим образом:

Задания

Задания Windows (Job) позволяют объединить несколько процессов в одну группу. Затем можно этой группой управлять:

Посмотреть на задания можно с помощью Process Explorer.

Диспетчер задач

Чаще всего для получения информации о процессе мы используем «Диспетчер задач». Запустить его можно разными способами:

При первом запуске диспетчера задач он запускается в кратком режиме, при этом видны только процессы имеющие видимое окно. При нажатие на кнопку «Подробнее» откроется полный режим:

В полном режиме на вкладке «Процессы» виден список процессов и информация по ним. Чтобы получить больше информации можно нажать правой кнопкой мышки на заголовке и добавить столбцы:

Чтобы получить еще больше информации можно нажать правой кнопкой мышки на процессе и выбрать «Подробно». При этом вы переключитесь на вкладку «Подробности» и этот процесс выделится.

На вкладке «Подробности» можно получить ещё больше информации о процессе. А также здесь также можно добавить колонки с дополнительной информацией, для этого нужно щелкнуть правой кнопкой мыши по заголовку и нажать «Выбрать столбцы»:

Process Explorer

Установка и подготовка к работе

Более подробную информацию о процессах и потоках можно получить с помощью программы Process Explorer из пакета Sysinternals. Его нужно скачать и запустить.

Некоторые возможности Process Explorer:

Запустите Process Explorer:

Далее нужно настроить сервер символических имен. Если это не сделать, при двойном щелчке на процессе, на вкладке Threads (потоки) вы получите сообщение о том, что символические имена не настроены:

Для начала скачиваем установщик «Пакет SDK для Windows 10».

Устанавливать все не нужно, достаточно при установки выбрать “Debugging Tools for Windows“:

Для настройки символических имен перейдите в меню Options / Configure / Symbols. Введите путь к библиотеке Dbghelp.dll, которая находится внутри установленного «Пакета SDK для Windows 10» по умолчанию:

И путь к серверу символической информации:

Некоторые основные настройки Process Explorer:

Потоки в Process Explorer

Потоки отдельного процесса можно увидеть в программе Process Explorer. Для этого нужно дважды кликнуть по процессу и в открывшемся окне перейти на вкладку «Threads»:

В колонках видна информация по каждому потоку:

При выделении потока, снизу показана следующую информация:

Задания в Process Explorer

Process Explorer может выделить процессы, управляемые заданиями. Чтобы включить такое выделение откройте меню «Options» и выберите команду «Configure Colors», далее поставьте галочку «Jobs»:

Более того, страницы свойств таких процессов содержат дополнительную вкладку Job с информацией о самом объекте задания. Например приложение Skype работает со своими процессами как за заданием:

Запустите командную строку и введите команду:

Таким образом вы запустите еще одну командную строку от имени этого пользователя. Служба Windows, которая выполняет команды runas, создает безымянное задание, чтобы во время выхода из системы завершить процессы из задания.

В новой командной строке запустите блокнот:

Далее запускаем Process Explorer и находим такое дерево процессов:

Как видим, процесс cmd и notepad это процессы связанные с каким-то заданием. Если дважды кликнуть по любому из этих процессов и перейти на вкладку Job, то мы увидим следующее:

Тут видно что эти два процесса работают в рамках одного задания.

Источник

Процессы, потоки и задания. Продолжение

Эксперимент: просмотр информации о процессах с помощью Диспетчера задач

Встроенный в Windows «Диспетчер задач» предоставляет краткий список процессов, идущих в системе. Запустить этот диспетчер можно одним из четырех способов: 1) нажатием клавиш Ctrl+Shift+Esc, 2) щелчком правой кнопки мыши на панели задач с последующим выбором пункта «Запустить диспетчер задач», 3) нажатием клавиш Ctrl+Alt+Delete с последующим щелчком на кнопке «Запустить диспетчер задач», или 4) запуском исполняемой программы Taskmgr.exe.

Чтобы увидеть перечень процессов, нужно после запуска Диспетчера задач щелкнуть на вкладке «Процессы». Обратите внимание на то, что процессы идентифицируются по именам тех образов, экземплярами которых они являются. В отличие от некоторых объектов Windows, процессам нельзя давать глобальные имена. Чтобы посмотреть дополнительную информацию, выберите в меню «Вид» пункт «Выбрать столбцы» и отметьте те столбцы, которые нужно добавить.

Вполне очевидно, что на вкладке «Процессы» «Диспетчера задач» показывается список процессов, а вот о содержимом вкладки «Приложения» с такой же долей очевидности судить нельзя. Там показывается список видимых окон верхнего уровня на всех Рабочих столах интерактивного оконного терминала, к которому вы подключены. (По умолчанию есть только один интерактивный Рабочий стол, но приложение может создать и больше, если воспользуется функцией Windows «CreateDesktop», как это сделано в средстве Sysinternals Desktops.) В столбце Состояние показывается, находится ли поток, являющийся владельцем окна, в состоянии ожидания сообщения от этого окна. Состояние «Работает» означает, что поток ожидает поступления в это окно какого-нибудь ввода, а состояние «Не отвечает» означает, что поток не ждет поступления ввода в окно (например, поток может быть запущен или же находиться в ожидании ввода-вывода или в ожидании изменения состояния какого-нибудь объекта синхронизации Windows).

На вкладке Приложения можно сопоставить задачу тому процессу, который является владельцем потока, являющегося владельцем окна задачи. Для этого нужно щелкнуть правой кнопкой мыши на имени задачи и выбрать пункт Перейти к процессу, как показано в предыдущем эксперименте со средством tlist.

Инструментальное средство Process Explorer из арсенала Sysinternals предоставляет больше подробностей о процессах и потоках, чем другие доступные средства, поэтому вы увидите его в ряде рассматриваемых экспериментов. Можно упомянуть следующие, допускаемые Process Explorer уникальные возможности показа той или иной информации или выполнения действий:

Process Explorer также обеспечивает легкий доступ к информации, собранной в одном месте. Вы можете просмотреть:

А теперь проведем начальный эксперимент с использованием средства Process Explorer.

Эксперимент: просмотр подробностей процесса с помощью Process Explorer.

Загрузите самую последнюю версию Process Explorer ссайта Sysinternals изапуститеее. При первом запуске вы получите сообщение о неправильной настройке символов. При правильной настройке Process Explorer может получить доступ к информации о символах для вывода символического имени стартовой функции потока и функций в стеке вызовов потока (доступном после двойного щелчка на имени процесса и щелчка на вкладке Threads (Потоки)). Это поможет определить, что делают потоки внутри процесса. Для доступа к символам у вас должен быть установлен пакет средств для отладки Debugging Tools для Windows. После его установки щелкните на пункте Options (Дополнительные параметры), выберите пункт Configure Symbols (Настройка символов) и заполните поле пути к библиотеке Dbghelp.dll в папке Debugging Tools, а также укажите правильный путь к символам. Например, для 64-разрядной системы вполне подойдет следующая настройка.

В предыдущем примере для доступа к символам и копирования файлов символов с целью хранения этих файлов на локальной машине в каталоге c:\symbols используется сервер востребованных символов. Более подробная информация по настройкам использования сервера символов дана на сайте http://msdn.microsoft.com/en-us/windows/hardware/gg462988.aspx.

При запуске средства Process Explorer оно по умолчанию показывает дерево процессов. У него также имеется дополнительная нижняя панель, в которой могут быть показаны открытые дескрипторы или отображенные на память DLL-библиотеки и другие, отображенные на память файлы. Также это средство дает подсказки для некоторых видов хост-процессов (hosting processes):

Оценить некоторые основные возможности Process Explorer вам помогут следующие действия:

И наконец, щелкните дважды на имени процесса и исследуйте различные вкладки, доступные в окне свойств процесса. (Ссылки на эти вкладки будут встречаться в различных экспериментах, предлагаемых в данной книге, там же будут даны объяснения, касающиеся выводимой в них информации.)

Поток, выполнение которого планируется операционной системой Windows, является составляющей того или иного процесса. Без него программа, запустившая процесс, не сможет работать. Поток включает в себя следующие основные компоненты:

Подвергаемые изменениям регистры, стеки и закрытая область хранения называются контекстом потока. Поскольку эта информация для каждой машинной архитектуры, в среде которой запущена Windows, бывает разной, структура, если это необходимо, также зависит от той или иной архитектуры. Доступ к этой, специфической для конкретной архитектуры, информации (называемой блоком CONTEXT) предоставляется Windows-функцией GetThreadContext.

ПРИМЕЧАНИЕ. В потоках 32-разрядных приложений, запущенных под управлением 64-разрядной версии Windows, будут содержаться блоки как 32-разрядного, так и 64-разрядного контекста, которые Wow64 будет использовать при необходимости для переключения приложения из работы в 32-разрядном режиме в работу в 64-разрядном режиме. У этих потоков будут два стека для работы в пользовательском режиме и два CONTEXT-блока, а обычные функции Windows API будут возвращать 64-разрядный контекст. Но функция Wow64GetThreadContext будет возвращать 32-разрядный контекст.

Источник

О процессах и потоках

Каждый процесс предоставляет ресурсы, необходимые для выполнения программы. Процесс содержит виртуальное адресное пространство, исполняемый код, открытые дескрипторы для системных объектов, контекст безопасности, уникальный идентификатор процесса, переменные среды, класс приоритета, минимальный и максимальный размеры рабочего множества и, по крайней мере, один поток выполнения. Каждый процесс запускается с одним потоком, который часто называется основным потоком, но может создавать дополнительные потоки из любого потока.

Поток — это сущность внутри процесса, для которой можно запланировать выполнение. Все потоки процесса совместно используют свои виртуальные адресные пространства и системные ресурсы. Кроме того, каждый поток поддерживает обработчики исключений, приоритет планирования, локальное хранилище потока, уникальный идентификатор потока и набор структур, которые система будет использовать для сохранения контекста потока, пока он не будет запланирован. Контекст потока включает набор регистров компьютера, стек ядра, блок среды потока и пользовательский стек в адресном пространстве процесса потока. Потоки также могут иметь собственный контекст безопасности, который можно использовать для олицетворения клиентов.

Microsoft Windows поддерживает вытеснение по нескольким задачам, что создает воздействие одновременного выполнения нескольких потоков из нескольких процессов. На многопроцессорном компьютере система может одновременно выполнять столько потоков, сколько процессоров на компьютере.

Объект задания позволяет управлять группами процессов как единым целым. Объекты заданий являются намаблеными, защищаемыми объектами, совместно используемые объекты, которые управляют атрибутами связанных с ними процессов. Операции, выполняемые над объектом задания, влияют на все процессы, связанные с объектом Job.

Планирование пользовательского режима (UMS) — это упрощенный механизм, с помощью которого приложения могут планировать собственные потоки. Приложение может переключаться между UMS-потоками в пользовательском режиме без использования планировщика системы и повторного получения управления процессором, если поток UMS блокируется в ядре. Каждый поток UMS имеет собственный контекст потока вместо того, чтобы совместно использовать контекст потока одного потока. Возможность переключения между потоками в пользовательском режиме делает UMS более эффективным, чем пулы потоков для кратковременных рабочих элементов, требующих небольшого количества системных вызовов.

Волокно — это единица выполнения, которая должна быть запланирована приложением вручную. Волокна выполняются в контексте потоков, планирующих их. Каждый поток может запланировать несколько волокон. Как правило, волокна не предоставляют преимуществ по сравнению с хорошо спроектированным многопоточным приложением. Однако использование волокон может упростить перенос приложений, разработанных для планирования собственных потоков.

Дополнительные сведения см. в следующих разделах:

Источник

Процессы и потоки, диспетчер задач windows, синхронизация потоков.

В этой статье мы поговорим на такие темы, как процессы и потоки, дискрипторы процесса, поговорим о синзронизации потоков и затронем всеми любимый диспетчер задач windows.

На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состояние операционной среды отображается состоянием регистров и программного счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т.д. Эта информация называется контекстом процесса.

Для того чтобы ОС могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится дескриптор процесса.

Дескриптор – специальная информационная структура, которая заводится на каждый процесс (описатель задачи, блок управления задачей).

В общем случае дескриптор содержит следующую информацию:

Дескриптор процесса по сравнению с контекстом содержит более оперативную информацию, которая должна быть легко доступна подсистеме планирования процессов. Контекст процесса содержит менее актуальную информацию и используется операционной системой только после того, как принято решение о возобновлении прерванного процесса.

Дескрипторы, как правило, постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу супервизора, который организует их в списки (очереди) и отображает изменение состояния процесса перемещением соответствующего описателя из одного списка в другой.

Для каждого состояния (за исключением состояния выполнения для однопроцессорной системы) ОС ведет соответствующий список задач, находящийся в этом состоянии. Однако для состояния ожидания может быть не один список, а столько, сколько различных видов ресурсов могут вызывать состояние ожидания.

Например, состояний ожидания завершения операции ввода/вывода может быть столько, сколько устройств ввода/вывода содержится в системе.

Процессы и потоки

Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить и оформить для себя те внутренне единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В настоящее время в большинстве ОС определены два типа единиц работы:

В общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принадлежать даже различным пользователям, разделяющим одну вычислительную систему. Другими словами, в случае процессов ОС считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно ОС отвечает за конкуренцию между процессами по поводу ресурсов.

Для повышения быстродействия процессов есть возможность задействовать внутренний параллелизм в самих процессах.

Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего исполнения достаточно длительного использования ЦП. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при обработке больших изображений в графических редакторах. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (потоков), которые будут выполняться параллельно с другими «подпроцессами», то у пользователя появляется возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса).

Можно выделить следующие отличия потоков от процессов:

Главное, что обеспечивает многопоточность, — это возможность параллельно выполнять несколько видов операций в одной прикладной программе. За счет чего реализуется эффективное использование ресурсов ЦП, а суммарное время выполнения задач становится меньше.

Например, если табличный процессор или текстовый процессор были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа или слияние нескольких документов и одновременно продолжать заполнять таблицу или открывать для редактирования следующий документ.

Диспетчер задач WINDOWS

В диспетчере задач отображаются сведения о программах и процессах, выполняемых на компьютере. Кроме того, там можно просмотреть наиболее часто используемые показатели быстродействия процессов.

Диспетчер задач служит для отображения ключевых показателей быстродействия компьютера. Для выполняемых программ можно просмотреть их состояние и завершить программы, переставшие отвечать на запросы. Имеется возможность просмотра активности выполняющихся процессов с использованием до 15 параметров, а также графиков и сведений об использовании ЦП и памяти.

Кроме того, если имеется подключение к сети, можно просматривать состояние сети и параметры ее работы. Если к компьютеру подключились несколько пользователей, можно увидеть их имена, какие задачи они выполняют, а также отправить им сообщение.

На вкладке Процессы отображаются сведения о выполняющихся на компьютере процессах: сведения об использовании ЦП и памяти, счетчике процессов и некоторые другие параметры:

На вкладке Быстродействие, отображаются сведения о счетчике дескрипторов и потоках, параметры памяти:

Потребность в синхронизации потоков возникает только в мультипрограммной ОС и связана с совместным использованием аппаратных и информационных ресурсов компьютера. Синхронизация необходима для исключения гонок (см. далее) и тупиков при обмене данными между потоками, разделении данных, при доступе к процессору и устройствам ввода-вывода.

Синхронизация потоков и процессов заключается в согласовании их скоростей путем приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации при наступлении этого события.

Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может привести к неправильному решению задачи или даже к краху системы.

Пример. Задача ведения базы данных клиентов некоторого предприятия.

Каждому клиенту отводится отдельная запись в базе данных, в которой имеются поля Заказ и Оплата. Программа, ведущая базу данных, оформлена как единый процесс, имеющий несколько потоков, в том числе:

Оба эти потока совместно работают над общим файлом базы данных, используя однотипные алгоритмы:

Обозначим шаги 1-3 для потока А как А1-А3, а для потока В как В1-В3. Предположим, что в некоторый момент поток А обновляет поле Заказ записи о клиенте N. Для этого он считывает эту запись в свой буфер (шаг А1), модифицирует значение поля Заказ (шаг А2), но внести запись в базу данных не успевает, так как его выполнение прерывается, например, вследствие истечение кванта времени.

Предположим, что потоку В также потребовалось внести сведения об оплате относительно того же клиента N. Когда подходит очередь потока В, он успевает считать запись в свой буфер (шаг В1) и выполнить обновление поля Оплата (шаг В2), а затем прерывается. Заметим, что в буфере у потока В находится запись о клиенте N, в которой поле Заказ имеет прежнее, не измененное значение.

Важным понятием синхронизации процессов является понятие «критическая секция» программы. Критическая секция — это часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент в критической секции, связанной с этим ресурсом, находился максимум один процесс. Этот прием называют взаимным исключением.

Простейший способ обеспечить взаимное исключение — позволить процессу, находящемуся в критической секции, запрещать все прерывания. Однако этот способ непригоден, так как опасно доверять управление системой пользовательскому процессу; он может надолго занять процессор, а при крахе процесса в критической области крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

Другим способом является использование блокирующих переменных. С каждым разделяемым ресурсом связывается двоичная переменная, которая принимает значение 1, если ресурс свободен (то есть ни один процесс не находится в данный момент в критической секции, связанной с данным процессом), и значение 0, если ресурс занят. На рисунке ниже показан фрагмент алгоритма процесса, использующего для реализации взаимного исключения доступа к разделяемому ресурсу D блокирующую переменную F(D). Перед входом в критическую секцию процесс проверяет, свободен ли ресурс D. Если он занят, то проверка циклически повторяется, если свободен, то значение переменной F(D) устанавливается в 0, и процесс входит в критическую секцию. После того, как процесс выполнит все действия с разделяемым ресурсом D, значение переменной F(D) снова устанавливается равным 1.

Если все процессы написаны с использованием вышеописанных соглашений, то взаимное исключение гарантируется. Следует заметить, что операция проверки и установки блокирующей переменной должна быть неделимой. Поясняется это следующим образом. Пусть в результате проверки переменной процесс определил, что ресурс свободен, но сразу после этого, не успев установить переменную в 0, был прерван. За время его приостановки другой процесс занял ресурс, вошел в свою критическую секцию, но также был прерван, не завершив работы с разделяемым ресурсом. Когда управление было возвращено первому процессу, он, считая ресурс свободным, установил признак занятости и начал выполнять свою критическую секцию. Таким образом, был нарушен принцип взаимного исключения, что потенциально может привести к нежелаемым последствиям. Во избежание таких ситуаций в системе команд машины желательно иметь единую команду «проверка-установка», или же реализовывать системными средствами соответствующие программные примитивы, которые бы запрещали прерывания на протяжении всей операции проверки и установки.

Реализация критических секций с использованием блокирующих переменных имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один процесс находится в критической секции, другой процесс, которому требуется тот же ресурс, будет выполнять рутинные действия по опросу блокирующей переменной, бесполезно тратя процессорное время. Для устранения таких ситуаций может быть использован так называемый аппарат событий. С помощью этого средства могут решаться не только проблемы взаимного исключения, но и более общие задачи синхронизации процессов. В разных операционных системах аппарат событий реализуется по-своему, но в любом случае используются системные функции аналогичного назначения, которые условно называются WAIT(x) и POST(x), где x — идентификатор некоторого события.

Если ресурс занят, то процесс не выполняет циклический опрос, а вызывает системную функцию WAIT(D), здесь D обозначает событие, заключающееся в освобождении ресурса D. Функция WAIT(D) переводит активный процесс в состояние ОЖИДАНИЕ и делает отметку в его дескрипторе о том, что процесс ожидает события D. Процесс, который в это время использует ресурс D, после выхода из критической секции выполняет системную функцию POST(D), в результате чего операционная система просматривает очередь ожидающих процессов и переводит процесс, ожидающий события D, в состояние ГОТОВНОСТЬ.

Обобщающее средство синхронизации процессов предложил Дейкстра, который ввел два новых примитива. В абстрактной форме эти примитивы, обозначаемые P и V, оперируют над целыми неотрицательными переменными, называемыми семафорами. Пусть S такой семафор. Операции определяются следующим образом:

V(S): переменная S увеличивается на 1 одним неделимым действием; выборка, инкремент и запоминание не могут быть прерваны, и к S нет доступа другим процессам во время выполнения этой операции.

P(S): уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0, то невозможно уменьшить S и остаться в области целых неотрицательных значений, в этом случае процесс, вызывающий P-операцию, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также является неделимой операцией.

В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную. Операция P заключает в себе потенциальную возможность перехода процесса, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как V-операция может при некоторых обстоятельствах активизировать другой процесс, приостановленный операцией P.

Взаимоблокировка процессов

При организации параллельного выполнения нескольких процессов одной из главных функций ОС является корректное распределение ресурсов между выполняющимися процессами и обеспечение процессов средствами взаимной синхронизации и обмена данными.

При параллельном исполнении процессов могут возникать ситуации, при которых два или более процесса все время находятся в заблокированном состоянии. Самый простой случай – когда каждый из двух процессов ожидает ресурс, занятый другим процессом. Из-за такого ожидания ни один из процессов не может продолжить исполнение и освободить в конечном итоге ресурс, необходимый другому процессу. Эта тупиковая ситуация называется дедлоком (dead lock), тупиком, клинчем или взаимоблокировкой.

Говорят, что в мультизадачной системе процесс находится в состоянии тупика, если он ждет события, которое никогда не произойдет.

Тупиковые ситуации надо отличать от простых очередей, хотя и те и другие возникают при совместном использовании ресурсов и внешне выглядят похоже: процесс приостанавливается и ждет освобождения ресурса. Однако очередь — это нормальное явление, неотъемлемый признак высокого коэффициента использования ресурсов при случайном поступлении запросов. Она возникает тогда, когда ресурс недоступен в данный момент, но через некоторое время он освобождается, и процесс продолжает свое выполнение. Тупик же является в некотором роде неразрешимой ситуацией.

Проблема тупиков включает в себя следующие задачи:

Тупики могут быть предотвращены на стадии написания программ, то есть программы должны быть написаны таким образом, чтобы тупик не мог возникнуть ни при каком соотношении взаимных скоростей процессов. Так, если бы в предыдущем примере процесс А и процесс В запрашивали ресурсы в одинаковой последовательности, то тупик был бы в принципе невозможен. Второй подход к предотвращению тупиков называется динамическим и заключается в использовании определенных правил при назначении ресурсов процессам, например, ресурсы могут выделяться в определенной последовательности, общей для всех процессов.

В некоторых случаях, когда тупиковая ситуация образована многими процессами, использующими много ресурсов, распознавание тупика является нетривиальной задачей. Существуют формальные, программно-реализованные методы распознавания тупиков, основанные на ведении таблиц распределения ресурсов и таблиц запросов к занятым ресурсам. Анализ этих таблиц позволяет обнаружить взаимные блокировки.

Если же тупиковая ситуация возникла, то не обязательно снимать с выполнения все заблокированные процессы. Можно снять только часть из них, при этом освобождаются ресурсы, ожидаемые остальными процессами, можно вернуть некоторые процессы в область свопинга, можно совершить «откат» некоторых процессов до так называемой контрольной точки, в которой запоминается вся информация, необходимая для восстановления выполнения программы с данного места. Контрольные точки расставляются в программе в местах, после которых возможно возникновение тупика.

Источник