CHƯƠNG 2 : QUẢN LÝ TIẾN TRÌNH
2.1. CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN ĐẾN TIẾN TRÌNH
2.1.2. Trạng thái của tiến trình
Là một thực thể động, tiến trình có thể thuộc những trạng thái khác nhau. Có nhiều cách phân biệt trạng thái tiến trình. Theo cách đơn giản nhất, tiến trình thuộc một trong hai trạng thái: chạy và khơng chạy. Chạy là khi các lệnh của tiến trình được CPU thực hiện và khơng
chạy là trường hợp ngược lại, ví dụ khi CPU đang được phân phối cho tiến trình khác hoặc khi tiến trình phải dừng để chờ kết quả vào/ra.
Cách sử dụng hai trạng thái tiến trình là q đơn giản và khơng đủ để phản ánh đầy đủ thông tin về trạng thái tiến trình. Trên thực tế, hệ điều hành thường phân biệt năm trạng thái khác nhau của tiến trình: mới khởi tạo, sẵn sàng, chạy, chờ đợi, kết thúc. Ý nghĩa cụ thể năm trạng thái như sau:
- Trạng thái mới khởi tạo: tiến trình đang được tạo ra. Hệ điều hành đã tạo ra các thông tin về tiến trình tuy nhiên tiến trình chưa được thêm vào danh sách những tiến trình được phép thực hiện. Thơng thường, tiến trình ở trạng thái này chưa nằm trong bộ nhớ.
- Trạng thái sẵn sàng: tiến trình chờ được cấp CPU để thực hiện lệnh của mình.
- Trạng thái chạy: lệnh của tiến trình được CPU thực hiện. Với những máy tính có một CPU và CPU có một lõi, tại mỗi thời điểm chỉ có một tiến trình nằm trong trạng thái chạy.
- Trạng thái chờ đợi: tiến trình chờ đợi một sự kiện gì đó xảy ra, ví dụ chờ tín hiệu từ tiến trình khác hoặc chờ kết thúc q trình vào/ra. Trạng thái chờ đợi cịn được gọi là trạng thái bị phong tỏa (blocked).
- Trạng thái kết thúc: tiến trình khơng cịn nằm trong danh sách các tiến trình được thực hiện nhưng vẫn chưa bị xóa. Tiến trình thuộc về trạng thái này sau khi đã thực hiện xong hoặc bị tiến trình khác kết thúc.
Việc sử dụng các trạng thái “mới khởi tạo” và “kết thúc” cho phép phân biệt rõ các bước trong quá trình tạo mới và kết thúc tiến trình. Hệ điều hành thường tạo ra tiến trình mới với hai bước. Bước một, hệ điều hành gán cho tiến trình số định danh, tạo ra các cấu trúc dữ liệu chứa thơng tin về tiến trình. Bước hai, hệ điều hành thêm tiến trình vào danh sách các tiến trình được phép thực hiện bằng cách liên kết thơng tin về tiến trình vào danh sách tương ứng. Trạng thái “mới khởi tạo” là trạng thái trước khi thực hiện bước hai.
Quá trình kết thúc tiến trình cũng bao gồm hai bước tương tự như tạo mới nhưng theo thứ tự ngược lại. Ở bước một, tiến trình bị chuyển khỏi danh sách các tiến trình đang thực hiện sau khi đã thực hiện xong hoặc do bị tiến trình khác kết thúc. Tuy nhiên, hệ điều hành vẫn giữ các thông tin về tiến trình và các thơng tin này có thể được sử dụng chẳng hạn để thống kê thời gian chạy hoặc bộ nhớ đã sử dụng. Ở bước hai, hệ điều hành xóa tồn bộ thơng tin về tiến trình và giải phóng các vùng bộ nhớ tương ứng. Trạng thái “kết thúc” là trạng thái trước khi thực hiện bước hai.
Mơ hình năm trạng thái tiến trình là mơ hình được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ điều hành, mặc dù tên gọi cụ thể từng trạng thái có thể thay đổi trong hệ điều hành cụ thể.
Hình 2.1. Sơ đồ chuyển đổi giữa các trạng thái của tiến trình
Lưu ý: Trong một số hệ điều hành, có thể chia nhỏ và phân biệt nhiều trạng thái hơn nữa. Chẳng hạn, một số hệ điều hành sử dụng thêm trạng thái treo (suspended), trong đó tiến trình tạm dừng tồn bộ việc thực hiện hoặc thậm chí tạm bị chuyển từ bộ nhớ ra đĩa.
Ý nghĩa việc chuyển đổi giữa các trạng thái. Việc chuyển trạng thái xảy ra trong
những trường hợp nhất định. Sơ đồ chuyển đổi giữa các trạng thái được thể hiện trên hình 2.1. Ý nghĩa các chuyển đối trạng thái như sau:
- Mới khởi tạo Sẵn sàng: tiến trình đã được khởi tạo xong và đã được tải vào bộ nhớ, chỉ chờ được cấp CPU để chạy, khi đó tiến trình sẽ được chuyển từ trạng thái mới sang trạng thái sẵn sàng. Trong trường hợp số lượng tiến trình lớn hơn số lượng CPU, tiến trình ở trạng thái sẵn sàng sẽ phải đợi cho tới khi được cấp CPU
Mới khởi tạo Sẵn sàng Chạy thúc Kết Chờ đợi Điều độ CPU Ngắt Vào/ra hoặc chờ sự kiện Kết thúc vào/ra PTIT
- Sẵn sàng Chạy: do kết quả điều độ (phân phối CPU) của hệ điều hành, tiến trình
được hệ điều hành cấp phát CPU và chuyển sang trạng thái chạy.
- Chạy Sẵn sàng: hệ điều hành thu hồi CPU của tiến trình đang chạy và cấp phát
CPU cho tiến trình khác do kết quả điều độ hoặc do xảy ra ngắt, tiến trình hiện thời chuyển sang trạng thái sẵn sàng và chờ được cấp CPU để chạy tiếp. Thông thường, việc này xẩy ra khi tiến trình đã thực hiện hết một khoảng thời gian nào đó trong các hệ thống chia sẻ thời gian và đồng hồ sinh ngắt để hệ điều hành có thể thu hồi CPU và chuyển sang chạy tiến trình tiếp theo.
- Chạy Chờ đợi: tiến trình chuyển từ trạng thái chạy sang trạng thái chờ đợi (bị
phong tỏa) nếu tiến trình có u cầu với hệ thống và phải chờ đợi đến khi yêu cầu được thỏa mãn. Trường hợp điển hình nhất là khi tiến trình gọi lời gọi hệ thống, chẳng hạn để vào/ra dữ liệu. Ví dụ, tiến trình đọc dữ liệu từ file bằng cách gọi lời gọi hệ thống đọc file. Lời gọi được chuyển cho hàm đọc file của hệ điều hành thực hiện. Trong khi yêu cầu này chưa được hồn tất, tiến trình khơng thể thực hiện tiếp. Trong trường hợp này, tiến trình chuyển sang trạng thái chờ đợi hoặc còn gọi là trạng thái bị phong tỏa (blocked).
- Chờ đợi Sẵn sàng: khi sự kiện được chờ đợi đã xảy ra, tiến trình sẽ được chuyển
sang trạng thái sẵn sàng và chờ được phân phối CPU để chạy tiếp.
- Chạy Kết thúc: tiến trình đã thực hiện xong, được chuyển sang trạng thái kết thúc trước khi chấm dứt sự tồn tại.
Trong một vịng đời của mình, tiến trình thường phải chuyển qua lại nhiều lần giữa các trạng thái “sẵn sàng”, “chạy” và “chờ đợi” trước khi hoàn thành và chuyển sang trạng thái kết thúc.
2.1.3. Thơng tin mơ tả tiến trình
Để có thể quản lý tiến trình, hệ điều hành cần có các thơng tin về tiến trình đó. Thơng tin về tiến trình được lưu trong một cấu trúc dữ liệu gọi là khối quản lý tiến trình, viết tắt là
PCB (Process Control Block) (lưu ý là tên gọi của khối này có thể thay đổi tùy hệ điều hành
cụ thể).
Thơng tin về tiến trình chứa trong PCB phụ thuộc vào từng hệ điều hành cụ thể. Thông thường, PCB bao gồm các thông tin sau:
- Số định danh của tiến trình: tiến trình được gắn một số định danh PID cho phép phân biệt với tiến trình khác. Số định danh này được hệ điều hành sử dụng để tìm vị trí tương ứng với tiến trình trong bảng tiến trình (xem phần sau), hoặc sử dụng để tham chiếu giữa các bảng khác nhau lưu thơng tin liên quan đến tiến trình. Ví dụ, để quản lý các khối nhớ, hệ điều hành sử dụng số định danh để biết tiến trình nào đang được cấp một khối nhớ cụ thể.
- Trạng thái tiến trình: một trong năm trạng thái liệt kê ở phần trước.
- Nội dung một số thanh ghi CPU: nội dung một số thanh ghi quan trọng thường được giữ trong PCB như:
o Thanh ghi con trỏ lệnh: trỏ tới lệnh tiếp theo cần thực hiện
o Thanh ghi con trỏ ngăn xếp: Mỗi tiến trình đều có ngăn xếp để lưu tham số và
tình trạng hàm khi thực hiện lời gọi hàm/thủ tục của chương trình. Con trỏ ngăn xếp trỏ tới đỉnh ngăn xếp hiện thời của tiến trình.
o Các thanh ghi điều kiện và thanh ghi trạng thái: chứa trạng thái sau khi thực
hiện các phép tính lơgic hoặc số học (như tràn số, chia cho khơng, có phần bù…)
o Các thanh ghi đa dụng khác.
Lý do phải lưu nội dung các thanh ghi này trong PCB là do tiến trình có thể bị chuyển khỏi trạng thái chạy để nhường chỗ cho tiến trình khác (chẳng hạn khi có ngắt). Khi tiến trình chạy trở lại, hệ điều hành sẽ sử dụng thông tin từ PCB để khôi phục lại nội dung các thanh ghi, cho phép tiến trình thực hiện lại từ trạng thái trước lúc bị dừng. - Thông tin phục vụ việc điều độ tiến trình: bao gồm thơng tin về mức độ ưu tiên của
tiến trình so với các tiến trình khác, vị trí tiến trình trong các hàng đợi, và có thể các thơng tin khác như lượng tài nguyên tiến trình đang sở hữu. Hệ điều hành sử dụng những thông tin này để điều độ, tức là quyết định thứ tự và thời gian được cấp CPU của tiến trình.
- Thơng tin về bộ nhớ của tiến trình: hệ điều hành cần biết tiến trình nằm ở đâu trong bộ nhớ. Tùy mơ hình tổ chức bộ nhớ cụ thể, thơng tin loại này có thể gồm các bảng trang, bảng đoạn, địa chỉ cơ sở của tiến trình .v.v.
- Danh sách các tài nguyên khác: bao gồm danh sách các file đang mở của tiến trình, các thiết bị vào ra tiến trình đang sử dụng.
- Thông tin thống kê phục vụ quản lý: thông tin loại này thường được sử dụng phục vụ thống kê hoặc tính tốn chi phí đối với các hệ thống dùng chung (như khi đi thuê máy tính) và bao gồm thông tin về thời gian sử dụng CPU, giới hạn thời gian, tài khoản của người sở hữu tiến trình .v.v.
2.1.4. Bảng và danh sách tiến trình
PCB của các tiến trình được lưu trong bộ nhớ trong và có thể nằm ở những vị trí khác nhau. Do vậy, hệ điều hành cần lưu và có cách xác định vị trí các PCB. Để làm được điều này, hệ điều hành sử dụng bảng tiến trình chứa con trỏ tới PCB của tồn bộ tiến trình có trong hệ thống (xem hình 2.2). Vị trí cụ thể trong bảng được xác định nhờ số định danh của tiến trình.
Ngồi ra, để thuận tiện cho việc điều độ, PCB của các tiến trình đang có trong hệ thống được liên kết thành thành một số danh sách, mỗi danh sách bao gồm tiến trình có cùng trạng thái hoặc tiến trình đang cùng chờ đợi một tài ngun nào đó. Ví dụ, PCB của tiến trình đang ở trạng thái sẵn sàng sẽ được liên kết vào danh sách sẵn sàng. Danh sách được quản lý nhờ
hai con trỏ trỏ tới PCB đầu tiên và PCB cuối cùng trong danh sách, các PCB trong danh sách được liên kết với nhau (xem hình 2.3). Khi điều độ, hệ điều hành xem xét danh sách sẵn sàng để chọn ra tiến trình tiếp theo được cấp phát CPU.
Hình 2.2: Bảng tiến trình chứa con trỏ tới các PCB
Trên hình 2.3 là một số danh sách được hệ điều hành sử dụng như danh sách tiến trình sẵn sàng, danh sách tiến trình đang chờ đợi tài ngun cụ thể nào đó.
Hình 2.3: Danh sách liên kết PCB thuộc các trạng thái khác nhau
2.1.5. Các thao tác với tiến trình
Hoạt động quản lý tiến trình bao gồm một số công việc như tạo mới và kết thúc tiến trình, chuyển đổi giữa các tiến trình, điều độ, đồng bộ hóa, đảm bảo liên lạc giữa các tiến trình. Trong phần này, ta sẽ xem xét các thao tác tạo mới, kết thúc và chuyển đổi giữa các tiến trình. Những nội dung khác sẽ được xem xét trong các phần sau.
Tạo mới tiến trình
Một tiến trình có thể tạo ra tiến trình mới bằng cách gọi lời gọi hệ thống tương ứng của hệ điều hành. Khi người dùng chạy chương trình, trình dịch lệnh của hệ điều hành, ví dụ
Tiến trình 1 Tiến trình 2 Tiến trình 3 Tiến trình n …. Con trỏ tới bảng tiến trình PCB 1 PCB n Bảng tiến trình Đang chạy Sẵn sàng Chờ đợi đọc đĩa PCB PCB PCB PCB PCB PCB PTIT
Windows Explorer, chính là tiến trình u cầu thực hiện lời gọi hệ thống để tạo mới tiến trình. Tiến trình được tạo mới gọi là tiến trình con, tiến trình tạo ra tiến trình con gọi là tiến trình cha. Nếu tiến trình con tiếp tục tạo ra tiến trình mới thì dần dần sẽ có một cây tiến trình.
Để tạo ra tiến trình mới, hệ điều hành thực hiện một số bước sau:
a) Gán số định danh cho tiến trình được tạo mới và tạo một ơ trong bảng tiến trình. b) Tạo khơng gian nhớ cho tiến trình và PCB. Kích thước khơng gian nhớ được tính
tốn dựa trên thơng tin về tiến trình mà hệ điều hành có. Tùy theo cách tạo mới, khơng gian nhớ của tiến trình con có thể chia sẻ hoặc khơng chia sẻ với tiến trình cha.
c) Khởi tạo PCB. Hệ điều hành gán giá trị cho các thành phần của PCB. Đa số giá trị
ban đầu được gán theo mặc định (ví dụ giá trị khơng), trừ số định danh tiến trình, con trỏ lệnh, con trỏ ngăn xếp và một số giá trị khác.
d) Liên kết PCB của tiến trình vào các danh sách quản lý, ví dụ danh sách tiến trình mới
khởi tạo, đặt con trỏ trong bảng tiến trình trỏ tới PCB. Có hai kiểu tạo mới tiến trình khác nhau:
- Tiến trình con là một bản sao của tiến trình cha, tức là có cùng phần mã chương trình và phần dữ liệu. Cách này được thực hiện trong hệ điều hành UNIX bằng cách gọi lệnh fork().
- Tiến trình con được tạo thành từ một chương trình mới. Đây là cách tạo tiến trình được sử dụng trong Windows (bằng cách gọi lời gọi hệ thống CreateProcess()).
Kết thúc tiến trình
Tiến trình có thể u cầu hệ điều hành kết thúc mình bằng cách gọi lời gọi hệ thống exit(). Tiến trình thường kết thúc khi đã thực hiện xong và được gọi là kết thúc bình thường. Ngồi ra, tiến trình có thể kết thúc trong một số trường hợp sau:
- Bị tiến trình cha kết thúc. Thơng thường, tiến trình cha có quyền kết thúc tiến trình con do mình tạo ra và có thể sử dụng quyền này khi khơng cần tiến trình con nữa hoặc khi tiến trình con dùng quá nhiều tài nguyên. Khi tiến trình cha kết thúc, hệ điều hành cũng có thể xóa mọi tiến trình con và tiến trình hậu duệ của tiến trình cha.
- Do các lỗi. Có nhiều loại lỗi có thể dẫn tới tiến trình bị kết thúc như: lỗi truy cập vùng bộ nhớ hoặc thiết bị vào/ra không được phép truy cập; các lỗi số học như chia cho không, tràn số; lỗi vào/ra như khi ghi ra đĩa một số lần không thành công.
- Tiến trình yêu cầu nhiều bộ nhớ hơn so với lượng bộ nhớ hệ thống có thể cung cấp. - Tiến trình thực hiện lâu hơn thời gian giới hạn. Tình huống này xảy ra đối với hệ
thống nhiều người dùng như các siêu máy tính và địi hỏi đăng ký trước thời gian chạy cho tiến trình. Giới hạn thời gian cũng có thể dùng với các hệ thống tương tác trực tiếp và được tính bằng thời gian từ lúc người dùng yêu cầu cho tới khi tiến trình phản ứng lại.
- Do quản trị hệ thống hoặc hệ điều hành kết thúc. Ví dụ khi xảy ra các tình huống như bế tắc (xem phần về bế tắc).
Chuyển đổi giữa các tiến trình
Trong quá trình thực hiện, CPU có thể được chuyển từ tiến trình hiện thời sang thực hiện tiến trình khác hoặc mơ đun xử lý ngắt của hệ điều hành. Trong những trường hợp như vậy, hệ điều hành cần lưu giữ các thơng tin về tình trạng của tiến trình hiện thời để có thể khơi phục và thực hiện lại tiến trình từ điểm bị dừng. Thơng tin về tiến trình hiện thời được gọi là
ngữ cảnh (context) của tiến trình, việc chuyển giữa tiến trình, do vậy, cịn được gọi là chuyển đổi ngữ cảnh.
Việc chuyển tiến trình xảy ra trong hai trường hợp sau:
1) Khi có ngắt. Ngắt là kết quả của các sự kiện bên ngồi tiến trình (gọi là ngắt ngồi)