Процесс (информатика)

Процесс — это идентифицируемая абстракция совокупности взаимосвязанных системных ресурсов на основе отдельного и независимого виртуального адресного пространства в контексте которой организуется выполнение потоков. Стандарт ISO 9000:2000 Definitions определяет процесс как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих действий, преобразующих входящие данные в исходящие.

Компьютерная программа сама по себе — лишь пассивная последовательность инструкций. В то время как процесс — непосредственное выполнение этих инструкций.

Также, процессом называют выполняющуюся программу и все её элементы: адресное пространство, глобальные переменные, регистры, стек, открытые файлы и так далее.

Представление процесса

Обычно процесс в вычислительной системе представлен (также говорят, «владеет») следующими ресурсами:

• образом исполняемого машинного кода, ассоциированного с программой;

• памятью (обычно некоторой областью виртуальной памяти), которая включает в себя:
  • исполняемый код;
  • входные и выходные данные процесса;
  • стек вызовов (для отслеживания активных подпрограмм);
  • кучу для хранения промежуточных результатов вычислений, генерируемых во время выполнения;

• дескрипторами ресурсов операционной системы, выделенными для процесса, например, файл
• файловыми дескрипторами (в терминологии ОС Unix) или «хэндлами» (в терминологии ОС Windows);

• атрибутами безопасности, такими как владелец и набор полномочий процесса (допустимых операций);

• состоянием процессора (контекстом), таким как:
  • содержимое регистров;
  • схема преобразования виртуальных адресов в физические;
  • и т. д.

Контекст текущего процесса выгружается в память, когда выполняется переключение на другой процесс.

Операционная система хранит большую часть информации о процессах в таблице процессов.

В операционных системах, поддерживающих потоки выполнения (нити), потоки также владеют собственными ресурсами. Обычно это только состояние процессора, хотя потоки могут использовать и другие ресурсы.

Для снижения вероятности влияния процессов друг на друга и вероятности отказа системы (например, взаимных блокировок или пробуксовки) операционная система обеспечивает изоляцию процессов и выделяет необходимые им ресурсы. Также операционная система предоставляет механизмы для взаимодействия процессов безопасными и предсказуемыми способами.

Представление процесса в памяти

В данном разделе рассмотрено представление процесса в памяти операционной системы Linux и архитектуры x86. Подобное представление мало отличается от многих других многозадачных операционных систем и архитектур. Например в amd64, наследнике x86, стек вызовов точно так же растёт сверху вниз, но размер адресного пространства увеличен до 248 байт.

Linux использует плоскую модель памяти, и поэтому в данной архитектуре каждому процессу доступно 232 байт памяти. Вся виртуальная память делится на пространство пользователя и пространство ядра. Пространство ядра занимает один гигабайт памяти, начиная с самого старшего адреса. Всё остальное пространство, то есть, три гигабайта отведено под пространство пользователя.

На схеме справа показано представление пользовательского пространства любого процесса. Пространство ядра едино для всех процессов, так как в операционной системе может существовать только один экземпляр ядра. После запуска программы в оперативную память импортируются команды процессора (машинный код) и инициализированные данные. В то же время в старшие адреса импортируются аргументы запуска, а также переменные окружения.

В области инициализированных данных хранятся данные, доступные только для чтения. Это могут быть, например, строковые литералы.

В области неинициализированных данных, как правило, хранятся глобальные переменные.

Куча (heap) используется для выделения памяти во время работы программы. В Linux для этого существует системный вызов mmap.

Область стека используется для вызова процедур.

Также немаловажной деталью является наличие случайного отступа между стеком и верхней областью, а также между областью инициализированных данных и кучей. Делается это в целях безопасности, например, для предотвращения встраивания в стек других функций.

Динамически подключаемые библиотеки и отображения файлов располагаются между стеком и кучей.

Иерархия процессов

В многозадачных операционных системах появилась возможность работать одновременно с несколькими процессами. Операционные системы с вытесняющей многозадачностью позволяли добиться ощущения работы нескольких процессов одновременно. При этом потребовались средства управления несколькими процессами.

Unix

Unix — одна из первых многозадачных ОС. Каждый процесс имеет уникальный числовой идентификатор PID. Процессы в ней имеют древовидную иерархию, где корнем является процесс init c PID 1. Новый процесс можно создать системным вызовом fork, он будет являться точной копией процесса родителя. Любой процесс кроме init всегда имеет процесс родитель (атрибут PPID (англ. Parent PID)); процессы, родитель которых завершил свою работу становятся дочерними процессами init.

Процессы также объединяются в группы. За управление идентификатором группы (PGID) отвечают системные вызовы setpgid и getpgid. PGID равен PID’у лидера группы. Процесс потомок наследует группу от родителя. Группы используются для управления заданиями.

Группы процессов объединяются в сессии. За создание новой сессии отвечает системный вызов setsid. Процессы из одной группы не могут принадлежать разным сессиям. Поэтому лидер группы не может стать лидером сессии: при создании сессии дочерний процесс автоматически становится лидером сессии и лидером новой группы. Сессии используются для отслеживания всех процессов, запущенных после входа пользователя.

Каждая сессия может иметь не более одного управляющего терминала. Эмулятор терминала имеет дочерним процессом оболочку команд (чаще всего bash или sh), которая перед запуском становится лидером новой сессии и устанавливает себе управляющим терминал.

Создание процесса

Простейшей операционной системе не требуется создание новых процессов, поскольку внутри них работает одна-единственная программа, запускаемая во время включения устройства. В более сложных системах надо создавать новые процессы. Обычно они создаются:

• При запуске ОС (например, когда происходит инициализация драйверов устройств),
• При появлении запроса на создание процесса — происходит в случае, если работающий процесс выполняет системный вызов.

Состояния процесса

Процесс, помимо главного рабочего состояния, может находиться в других состояниях, например ожидания.

Linux

Процесс в ОС Linux может находиться в одном из следующих состояний:

• R (running/runnable) — процесс исполняется либо ожидает своей очереди исполняться;
• D — непрерываемый сон — процесс ожидает определённого события;
• S — прерываемый сон — процесс ожидает определённого события либо сигнала;
• T — остановка — процесс приостановлен, например, отладчиком;
• Z (zombie) — процесс уже завершился, но ещё не передал родительскому процессу свой код возврата.

Завершение процесса

Минимум 2 этапа завершения:

Процесс удаляется из всех очередей планирования, то есть ОС больше не планирует выделение каких-либо ресурсов процессу,

Сбор статистики о потреблённых процессом ресурсах с последующим удалением его из памяти.

Причины завершения процесса:

• Обычный выход,
• Выход по исключению или ошибке,
• Недостаточный объём памяти,
• Превышение лимита отведённого программе времени,
• Выход за пределы отведённой области памяти,
• Неверная команда (данные программы интерпретируются как инструкции для процессора),
• Ошибка защиты (выполнение непривилегированной команды),
• Завершение родительского процесса,
• Ошибка ввода-вывода,
• Вмешательство оператора.