• текущее состояние и приоритет процесса;

• идентификатор процесса, а также идентификаторы родительского и сыновнего процессов;

• указатели на выделенные ресурсы;

• указатели на область памяти процесса;

• указатели на родительский и сыновний процесс;

• процессор, занятый процессом;

• регистры управления и состояния;

• стековые указатели.

Среди данных, содержащихся в БУП-блоке, есть такие, которые «отвечают» за управление процессом, т.е. отражают его текущее состояние и приоритет, указывают на БУП-блоки родительского и сыновнего процессов, а также выделенные ресурсы и память. Кроме того, этот блок включает информацию, связанную с планированием, привилегиями процессов, флагами, сообщениями и сигналами, которыми обмениваются процессы (имеется в виду межпроцессное взаимодействие— mterprocess communication, или IPC). С помощью информации, связанной с управлением процессами, операционная система может координировать параллельно выполняемые процессы. Стековые указатели и содержимое регистров пользователя, управления и состояния содержат информацию, связанную с состоянием процессора. При выполнении процесса соответствующая информация размещается в регистрах ЦП. При переключении операционной системы с одного процесса на другой вся информация из этих регистров сохраняется. Когда процесс снова получает ЦП во «временное пользование», ранее сохраненная информация может быть восстановлена. Есть еще один вид информации, который связан с идентификацией процесса. Имеется в виду идентификатор процесса (id), или PID, и идентификатор родительского процесса (PPID). Эти идентификационные номера (которые представлены положительными целочисленными значениями) уникальны для каждого процесса.

Анатомия процесса

Адресное пространство процесса делится на три логических раздела: текстовый (для кода программы), информационный (для данных программы) и стековый (для стеков программы). Логическая структура процесса показана на рис.3.1. Текстовый раздел (расположенный в нижней части адресного пространства) содержит подлежащие выполнению инструкции, которые называются программным кодом. Раздел данных (расположенный над текстовым разделом) содержит инициализированные глобальные, внешние и статические переменные процесса. Раздел стеков содержит локально создаваемые переменные и параметры, передаваемые функциям. Поскольку процесс может вызывать как системные функции, так и функции, определенные пользователем, в стековом разделе поддерживаются два стека: стек пользователя и стек ядра. При вызове функции создается стековый фрейм функции, который помещается в стек пользователя или стек ядра в зависимости от того , в каком режиме пребывает процесс в данный момент: в пользовательском или привилегированном (режиме ядра). Стековый раздел имеет тенденцию расти в направлении раздела данных. При выходе из функции ее стековый фрейм извлекается из стека. Разделы кода, данных и стеков, а также блок управления процессом образуют часть того, из чего складывается образ процесса (process image).

Рис. 3.1. Адресное пространство процесса делится на три логических раздела: текстовый, информационный и стековый. Так выглядит логическая структура процесса

Адресное пространство процесса виртуально. Применение виртуальной памяти позволяет отделить адреса, используемые в текущем процессе, от адресов, реально доступных во внутренней памяти. Тем самым значительно увеличивается задействованное пространство адресов памяти по сравнению с реально доступными адресами. Разделы виртуального адресного пространства процесса представляют собой смежные блоки памяти. Каждый такой раздел и физическое адресное пространство разделены на участки памяти, именуемые страницами. У каждой страницы есть уникальный номер страничного блока (page frame number). В качестве индекса для входа в таблицы страничных блоков (page frame table) используется номер виртуального страничного блока. Каждый элемент таблицы страничных блоков содержит номер физического страничного блока, что позволяет установить соответствие между виртуальными и физическими страничными блоками. Это соответствие отображено на рис. 3.2. Как видите, виртуальное адресное пространство непрерывно, но устанавливаемое с его помощью соответствие физическим страницам не является упорядоченным. Другими словами, при последовательных виртуальных адресах соответствующие им физические страницы не будут последовательными.

Несмотря на то что виртуальное адресное пространство каждого процесса защищено, т.е. приняты меры по предотвращению доступа к нему со стороны другого процесса, текстовый раздел [6] процесса может совместно использоваться несколькими процессами. На рис. 3.2 также показано, как два процесса могут разделять один и тот же программный код. При этом в элементах таблиц страничных блоков обоих процессов хранится один и тот же номер физического страничного блока. Как показано на рис. 3.2, виртуальный страничный блок с номером 0 процесса А соответствует физическому страничному блоку с номером 5, что также справедливо и для виртуального страничного блока с номером 2 процесса В.

Рис. 3.2. Соответствие последовательных виртуальных страничных блоков страницам физической памяти (НСБ — номер страничного блока; НВСБ— номер виртуального страничного блока)

Чтобы операционная система могла управлять всеми процессами, хранимыми во внутренней памяти, она создает и поддерживает таблицы процессов (process table). В действительности операционная система содержит отдельные таблицы для всех объектов, которыми она управляет. Следует иметь в виду, что операционная система управляет не только процессами, но и всеми ресурсами компьютера, т.е. устройствами ввода-вывода, памятью и файлами. Часть памяти, устройств и файлов управляется от имени пользовательских процессов. Эта информация отмечена в БУП-блоках как ресурсы, выделенные процессу. Таблица процессов должна иметь соответствующую структуру для каждого образа процесса в памяти. Каждая такая структура содержит идентификаторы (id) самого процесса и родительского процесса, идентификаторы реального и эффективного пользователей, идентификатор группы, список подвешенных сигналов, местоположение текстового, информационного и стекового разделов, а также текущее состояние процесса. Если операционной системе нужен доступ к определенному процессу, в таблице процессов разыскивается информация о нем, а затем в памяти размещается его образ (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Операционная система управляет таблицами. Каждая структура в массиве таблиц процессов представляет процесс в системе

Состояния процессов

Во время выполнения процесса его состояние изменяется. Под состоянием процесса подразумевается его текущий режим, или статус. В среде UNIX процесс может пребывать в одном из следующих состояний:

• выполнения;

• работоспособности (готовности);

• «зомби»;

• ожидания (блокирования);

• останова.

Состояние процесса меняется при определенных обстоятельствах, создаваемых существованием процесса или операционной системы. Под сменой состояний, или переходом из одного состояния в другое, понимают обстоятельства, которые заставляют процесс изменить свое состояние. На рис. 3.4 отображена диаграмма состояний для среды UNIX. Диаграмма состояний содержит узлы и направленные ребра, соединяющие эти узлы. Каждый узел представляет состояние процесса, а направленные ребра между узлами — переходы из одного состояния в другое. Возможные смены состояний (с их кратким описанием) перечислены в табл. 3.1. На рис. 3.4 и в табл. 3.1 показано, что между состояниями разрешены только определенные переходы. Например, между состояниями готовности и выполнения существует переход (ребро диаграммы), а между состояниями ожидания и выполнения — нет. Это означает, что возможны обстоятельства, заставляющие процесс перейти из состояния готовности в состояние выполнения, но нет обстоятельств, которые могут заставить процесс перейти в состояние выполнения из состояния ожидания.

Рис. 3.4. Состояния процессов и переходы между ними в средах UNIX/Linux

Когда процесс только создается, он готов к выполнению своих инструкций, но должен ожидать «своего часа» до тех пор, пока не освободится процессор. Каждому процессу единолично разрешается использовать процессор в течение дискретного временного интервала, именуемого квантом времени (time slice). Процессы, ожидающие использования процессора, «занимают» очередь, т.е. помещаются в очереди готовых процессов. Только из таких очередей планировщик выбирает процесс, который будет использовать процессорное время. Процессы, находящиеся в очередях готовых процессов, пребывают в состоянии работоспособности. Когда процессор становится доступным,