Операционная система UNIX
Шрифт:
Выполнение процесса может происходить в двух режимах — в режиме ядра (kernel mode) или в режиме задачи (user mode). В режиме задачи процесс выполняет инструкции прикладной программы, допустимые на непривилегированном уровне защиты процессора. При этом процессу недоступны системные структуры данных. Когда процессу требуется получение каких- либо услуг ядра, он делает системный вызов, который выполняет инструкции ядра, находящиеся на привилегированном уровне. Несмотря на то что выполняются инструкции ядра, это происходит от имени процесса, сделавшего системный вызов. Выполнение процесса при этом переходит в режим ядра. Таким образом ядро системы защищает собственное адресное пространство от доступа прикладного процесса, который может нарушить целостность структур данных ядра и привести к разрушению операционной системы. Более того, часть процессорных инструкций, например,
Соответственно и образ процесса состоит из двух частей: данных режима ядра и режима задачи. Образ процесса в режиме задачи состоит из сегмента кода, данных, стека, библиотек и других структур данных, к которым он может получить непосредственный доступ. Образ процесса в режиме ядра состоит из структур данных, недоступных процессу в режиме задачи, которые используются ядром для управления процессом. Сюда относятся данные, диктуемые аппаратным уровнем, например состояния регистров, таблицы для отображения памяти и т.д., а также структуры данных, необходимые ядру для обслуживания процесса. Вообще говоря, в режиме ядра процесс имеет доступ к любой области памяти.
Структуры данных процесса
Каждый процесс представлен в системе двумя основными структурами данных — proc и user, описанными, соответственно, в файлах <sys/proc.h> и <sys/user.h>. Содержимое и формат этих структур различны для разных версий UNIX. В табл. 3.1 приведены некоторые поля структуры
Таблица 3.1. Структура proc
| char | p_stat | Состояние процесса (выполнение, приостановлен, сон и т.д.) |
| char | p_pri | Текущий приоритет процесса |
| unsigned int | p_flag | Флаги, определяющие дополнительную информацию о состоянии процесса |
| unsigned short | p_uid | UID процесса |
| unsigned short | p_suid | EUID процесса |
| int | p_sid | Идентификатор сеанса |
| short | p_pgrp | Идентификатор группы процессов (равен идентификатору лидера группы) |
| short | p_pid | Идентификатор процесса (PID) |
| short | p_ppid | Идентификатор родительского процесса (PPID) |
| sigset_t | p_sig | Сигналы, ожидающие доставки |
| unsigned int | p_size | Размер адресного пространства процесса в страницах |
| time_t | p_utime | Время выполнения в режиме задачи |
| time_t | p_stime | Время выполнения в режиме ядра |
| caddr_t | p_ldt | Указатель на LDT процесса |
| struct pregion | *p_region | Список
|
| short | p_xstat | Код возврата, передаваемый родительскому процессу |
| unsigned int | p_utbl[] | Массив записей таблицы страниц для u-area |
В любой момент времени данные структур
Структура
Вторая упомянутая структура —
Рис. 3.2. Основные структуры данных процесса
В u-area хранятся данные, которые используются многими подсистемами ядра и не только для управления процессом. В частности, там содержится информация об открытых файловых дескрипторах, диспозиция сигналов, статистика выполнения процесса, а также сохраненные значения регистров, когда выполнение процесса приостановлено. Очевидно, что процесс не должен иметь возможности модифицировать эти данные произвольным образом, поэтому u-area защищена от доступа в режиме задачи.
Как видно из рис. 3.2, u-area также содержит стек фиксированного размера, — системный стек или стек ядра (kernel stack). При выполнении процесса в режиме ядра операционная система использует этот стек, а не обычный стек процесса.
Состояния процесса
Жизненный цикл процесса может быть разбит на несколько состояний. Переход процесса из одного состояния в другое происходит в зависимости от наступления тех или иных событий в системе. На рис. 3.3 показаны состояния, в которых процесс может находиться с момента создания до завершения выполнения.
1. Процесс выполняется в режиме задачи. При этом процессором выполняются прикладные инструкции данного процесса.
2. Процесс выполняется в режиме ядра. При этом процессором выполняются системные инструкции ядра операционной системы от имени процесса.
3. Процесс не выполняется, но готов к запуску, как только планировщик выберет его (состояние runnable). Процесс находится в очереди на выполнение и обладает всеми необходимыми ему ресурсами, кроме вычислительных.
4. Процесс находится в состоянии сна (asleep), ожидая недоступного в данный момент ресурса, например завершения операции ввода/вывода.
5. Процесс возвращается из режима ядра в режим задачи, но ядро прерывает его и производит переключение контекста для запуска более высокоприоритетного процесса.
6. Процесс только что создан вызовом fork(2) и находится в переходном состоянии: он существует, но не готов к запуску и не находится в состоянии сна.
7. Процесс выполнил системный вызов exit(2) и перешел в состояние зомби (zombie, defunct). Как такового процесса не существует, но остаются записи, содержащие код возврата и временную статистику его выполнения, доступную для родительского процесса. Это состояние является конечным в жизненном цикле процесса.