4 как планируются процессы в windows

Обновлено: 28.06.2024

Планирование процессов в ОС это процесс выбора – кто будет исполняться следующим и как долго это будет исполняться.

Не путать с переключением контекста, что является просто механизмом передачи управления.

Переключения контекста это не есть операция планирования, это техническая операция.

Происходит прерывание;
Поток вызывает исключение или ловушку (trap);
После этого выбирается другой поток.

Т.е. в процессе переключения контекста нужно четко выбрать, кому передать управление.

Классы планировщиков

Пакетный – ориентирован на длительные задачи, которые требуют больших вычислительных ресурсов, где не требуется частое прерывание. Т.е. подразумевают обработку больших задач большими пакетами, нет ограничения на время выполнения.
Интерактивный – ориентирован на снижение времени отклика, т.е. чтобы система казалась”отзывчивой”. Обычные абонентские системы на ПК – это интерактивные системы, когда в ответ на действие пользователя (например перемещение мыши) ОС что-то делает. И всегда пользователю хочется, чтобы этот ответ происходил как можно быстрее.
Главное чтобы на поступающий в систему запрос был получен максимально быстро ответ. Запрос – это любое взаимодействие с компьютером.
Реального времени – специализированные класс, ориентированный на дедлайн – предельный срок завершения какой-либо работы.Главное, чтобы определенное действие завершалось к определенному сроку, это понятие называется дедлайн .Поступающий запрос должен быть обработан не более, чем в определенный промежуток времени.Классический пример СРВ – управление ядерным реактором, в котором превышение времени отклика приведет к аварийной ситуации.

Уровни планирования

Долговременное(догосрочное) – решает какие новые задачи будут добавлены (концептуальные вопросы).
Среднесрочное – решает нужно ли временно выгружать программу во вторичную память (какую и вообще нужно ли это).
Краткосрочный – решает, какому потоку дать следующий квант процессорного времени и какой длины. Координирует выполняющиеся потоки на разных ЦП.

Основной задачей планирования процессов в ОС является обеспечение высокой производительности ОС.

Существуют разные метрики, которыми оценивается эта производительность. Эти метрики зачастую противоречивы.

Что концептуально требуется при проектировании планировщика ОС:

Максимизировать использование ЦП (чтобы он максимальноработал на задачах)
Максимизировать пропускную способность(числовыполненных запросов в единицу времени)
Минимизировать среднее время отклика (среднее время отподачи запроса до завершения обработки ответа)
Минимизировать среднее время ожидания (среднее времяот подачи запроса до начала его выполнения)
Минимизировать энергии (джоулей на инструкцию)

Метрики планирования

На следующем рисунке рассмотрим пример метрики планирования.

Tw – время ожидания (которое тратит процесс в очереди на выполнение);

Ts – время выполнения ЦП;

Tr – время оборота (общее время на ожидание и выполнение).

На схеме 5 и 6 процессы поступили в очередь готовых процессов.

5 задержался из-за 1-4 процесов. Для пятого процесса Tw – время ожидания Ts – время выполнения ЦП.

Время оборота это время от момента его поступления до момента, когда завершилось его выполнение Tr=Tw+Ts.

При планировании процессов главным остается вопрос: Как выбрать какой процесс будет работать дольше и дальше?

Существуют следующие алгоритмы планирования процессов:

Рассмотрим названные алгоритмы планирования процессов.

FIFO

В данном случае мы будем его понимать как невытесняющую многозадачность

Процессы планируются по мере их поступления;
Время выполнения не учитывается (никак совсем);
Другие процесс с меньшим временем Tr вынуждены ждать (снижается отзывчивость системы);
Когда процесс переходит в состояние готовности он перемещается в конец очереди.

Пример FIFO

Допустим есть три процесса, которые пребывают в одно и тоже время t=0 в порядке P1,P2,P3.

У каждого из процессов существует время, которое ему нужно для выполнения части задачи. Эту часть задачи, которую ему необходимо выполнить назовем английским словом Burst. У трех процессов она разная.

Burst(Р1)=24 (усл.ед.времени)
Burst(Р2)=3
Burst(Р3)=3

Тогда Время ожидания

Среднее время ожидания = 17

Если эти три поступившие процесса запланировать по другому, можно сильно снизить время отклика системы.

Допустим процессы поступают в порядке Р2,Р3,Р1

Тогда время ожидания

Среднее время ожидания =3

Оно резко снизилось за счет того, что мы изменили порядок работы процессов, поступивших в одно и тоже время.

За данным простым примером скрыта вся мощь и важность алгоритмов планирования процессов в ОС.

Обобщения по FIFO:

Он больше других подходит для длительных, требовательных к времени ЦП процессов;
Плохое использование ЦП и устройств ввода/вывода;
Среднее время ожидание сильно варьируется.

Кратчайшая работа следующей

Условимся, имеется в виду невытесняющая политика планирования – сколько квант времени запрашивает процесс, столько ему и выделяется.

Сложности:

Нужно оценивать требуемое время обработки для каждого процесса.

Для пакетных заданий на основе предыдущего опыта или вручную (нет гарантии, что повторится)
Для интерактивных заданий на основе затраченного времени

Как только мы получаем метрику процессов, то короткий процесс помещается в начало очереди.

Кратчайшая работа следующей вытесняющий вариант

Существует вытесняющий вариант метода кратчайшей работы следующего.

Сортировка осуществляется по времени, которое нужно процессу для завершения своей части задачи. Если он вытесняется в процессе выполнения, то время, которое у него осталось называется остаточным .

По остаточному времени осуществляется сортировка и принимается решение, какой процесс будет выполняться следующим.

Соответственно те процессы, которые выполняются на ЦП вытесняются тем процессом, который близкий к завершению, чтобы отработать его и распрощаться с ним.

А те процессы, которым еще долго работать, оставить на потом и заняться ими “в плотную”. Логика в этом есть.

Процессы, уже выполняющиеся на ЦП вытесняются самым близким к завершению заданием;
Меньше общее время оборота процесса;
Меньше время ожидания ЦП.

Планирование с приоритетами

Тот же алгоритм кратчайшей работы следующей можно представить, как планирование с приоритетом, где приоритет – наименьшее время работы.

Суть: каждому процессу сопоставляется некоторое число, которое характеризует, определяет приоритет этого процесса. Чем меньше это число, тем выше приоритет.

Проблема старвации – это проблема “зависания”,“голодания” – если процессу с высоким приоритетом приспичит выполнить очень длительную работу, то все остальные процессы будут “висеть” и ждать.

Время ЦП выделяется процессу с наивысшим приоритетом (вытесняющим или невытесняющим). Процесс с низким приоритетом может вообще никогда не выполниться, до него не дойдет очередь.

Старвация – ее можно представить как всех стоящих в очереди и кто привилегированный лезет вне очереди.

Проявляется в алгоритме КРС. Низкоприоритетные запросы могут никогда не выполниться.

Решение проблемы:

Ввести понятие « старения »: по мере течения времени увеличивать приоритет процесса.

Приоритет = Оценочное время выполнение на ЦП – время ожидания

Приоритеты – это инструмент с помощью которого необходимо сделать общий процесс планирования эффективным.

Round-robin

Данный алгоритм планирования обозначает циклический алгоритм с вытесняющим планированием.

Каждый процесс получает фиксированный квант процессорного времени (фиксированную единицу процессорного времени).
После истечения кванта времени процесс принудительно вытесняется и помещается в очередь готовых к выполнению.
Процесс всегда планируются в том же порядке и каждый процесс получает одинаковый квант времени
Не сложно подсчитать: если квант времени равен q и n-процессов в очереди, то каждый получит 1/n времени ЦП, кусками максимум по q
Никакой из процессов не ожидает больше, чем (n-1)*q единиц времени

Производительность Round-robin(RR)

Если q большое(стремиться к ∞), то RR перерождается в алгоритм FIFO;
Если q малое (но не стремится к 0, иначе ПК будет только переключать процессы и больше не выполнять вообще ничего), то все хорошо;
Нет старвации;
Появляется высокая отзывчивость системы;
Равное распределение времени;
Если q меньше, чем время, затрачиваемое на переключение контекста, тогда диспетчер будет неэффективным.

Недостаток Round-robin

Процессы с интенсивным вв/выв(т.е.заблокированные в ожидании вв/выв) полностью не используют свой квант времени, поэтому процессы с интенсивным использованием ЦП получают преимущество.

Есть 2 процесса Р1 и Р2

Процесс Р1 ожидает ввод/вывод в точке (●), пока этот вв/выв не завершится часть отмеченного штриховкой времени процесс Р1 потратит «впустую», он вытиснится только в зеленой точке по истечении кванта времени.

Р2 в это время активно использует ЦП, например, считает.

Проблема RR в том, что не учитываются задержки, и полезное время работы Р1 составляет только 10%.

Многоуровневые очереди

Выделяется несколько разных очередей, например:

Очередь интерактивных процессов, т.е. тех, которые требуют малого времени отклика;
Очередь фоновых процессов, требующих много выч.ресурсов, но для которых не важно быстрое время отклика(пакетная обработка), нужно много повычислять.

У каждой очереди сопоставляется свой алгоритм планирования, таким образом имеем некий «баланс сил»:

Но в случае многоуровневых очередей нужно планирование не просто внутри каждой очереди, но и планирование между очередями. Получается «накрученный» планировщик, можно предложить много вариантов:

1) Планирование с фиксированным приоритетом

Вначале обслужить все интерактивные процессы, потом все фоновые
Возможна старвация

2) Разделение времени

Каждой очереди выделяется часть времени ЦП, которую она может распланировать между своими процессами. Например 80% времени ЦП на интерактивные процессы через RR, 20% на фоновые через FIFO.

3) Многоуровневая очередь с обратной связью

Многоуровневая очередь с обратной связью

Планирование на основе затраченного времени, если процесс затратил определенный квант времени, то он помещается в определенную очередь – динамически перепланируются очереди.

Многоуровневая очередь с обратной связью

Если он выполнился достаточно быстро, то он попадает в первую очередь «быстрых» процессов.

Если он средний по времени выполнения, то в среднюю.

Если он требует много времени вычислительных ресурсов, то он помещается в последнюю очередь FIFO.

За счет этого процессы постоянно перемещаются между очередями, таким образом заранее не нужно смотреть, куда помещать процесс и сопоставлять ему какое-то свойство.

Планирование - обеспечение поочередного доступа процессов к одному процессору.

Планировщик - отвечающая за это часть операционной системы.

Алгоритм планирования - используемый алгоритм для планирования.

Ситуации, когда необходимо планирование:

Когда создается процесс

Когда процесс завершает работу

Когда процесс блокируется на операции ввода/вывода, семафоре, и т.д.

При прерывании ввода/вывода.

Алгоритм планирования без переключений (неприоритетный) - не требует прерывание по аппаратному таймеру, процесс останавливается только когда блокируется или завершает работу.

Алгоритм планирования с переключениями (приоритетный) - требует прерывание по аппаратному таймеру, процесс работает только отведенный период времени, после этого он приостанавливается по таймеру, чтобы передать управление планировщику.

Необходимость алгоритма планирования зависит от задач, для которых будет использоваться операционная система.

Основные три системы:

Системы пакетной обработки - могут использовать неприоритетный и приоритетный алгоритм (например: для расчетных программ).

Интерактивные системы - могут использовать только приоритетный алгоритм, нельзя допустить чтобы один процесс занял надолго процессор (например: сервер общего доступа или персональный компьютер).

Системы реального времени - могут использовать неприоритетный и приоритетный алгоритм (например: система управления автомобилем).

Задачи алгоритмов планирования:

Для всех систем
Справедливость - каждому процессу справедливую долю процессорного времени
Контроль над выполнением принятой политики
Баланс - поддержка занятости всех частей системы (например: чтобы были заняты процессор и устройства ввода/вывода)

Системы пакетной обработки
Пропускная способность - количество задач в час
Оборотное время - минимизация времени на ожидание обслуживания и обработку задач.
Использование процесса - чтобы процессор всегда был занят.

Интерактивные системы
Время отклика - быстрая реакция на запросы
Соразмерность - выполнение ожиданий пользователя (например: пользователь не готов к долгой загрузке системы)

Системы реального времени
Окончание работы к сроку - предотвращение потери данных
Предсказуемость - предотвращение деградации качества в мультимедийных системах (например: потерь качества звука должно быть меньше чем видео)

4.2 Планирование в системах пакетной обработки

4.2.1 "Первый пришел - первым обслужен" (FIFO - First In Fist Out)

Процессы ставятся в очередь по мере поступления.

Справедливость (как в очереди покупателей, кто последний пришел, тот оказался в конце очереди)

Процесс, ограниченный возможностями процессора может затормозить более быстрые процессы, ограниченные устройствами ввода/вывода.

4.2.2 "Кратчайшая задача - первая"

Нижняя очередь выстроена с учетом этого алгоритма

Уменьшение оборотного времени

Справедливость (как в очереди покупателей, кто без сдачи проходит в перед)

Длинный процесс занявший процессор, не пустит более новые краткие процессы, которые пришли позже.

4.2.3 Наименьшее оставшееся время выполнение

Аналог предыдущего, но если приходит новый процесс, его полное время выполнения сравнивается с оставшимся временем выполнения текущего процесса.

4.3 Планирование в интерактивных системах

4.3.1 Циклическое планирование

Самый простой алгоритм планирования и часто используемый.

Каждому процессу предоставляется квант времени процессора. Когда квант заканчивается процесс переводится планировщиком в конец очереди. При блокировке процессор выпадает из очереди.

Пример циклического планирования

Справедливость (как в очереди покупателей, каждому только по килограмму)

Если частые переключения (квант - 4мс, а время переключения равно 1мс), то происходит уменьшение производительности.

Если редкие переключения (квант - 100мс, а время переключения равно 1мс), то происходит увеличение времени ответа на запрос.

4.3.2 Приоритетное планирование

Каждому процессу присваивается приоритет, и управление передается процессу с самым высоким приоритетом.

Приоритет может быть динамический и статический.

Динамический приоритет может устанавливаться так:

П=1/Т, где Т- часть использованного в последний раз кванта

Если использовано 1/50 кванта, то приоритет 50.

Если использован весь квант, то приоритет 1.

Т.е. процессы, ограниченные вводом/вывода, будут иметь приоритет над процессами ограниченными процессором.

Часто процессы объединяют по приоритетам в группы, и используют приоритетное планирование среди групп, но внутри группы используют циклическое планирование.

Приоритетное планирование 4-х групп

4.3.3 Методы разделения процессов на группы

Группы с разным квантом времени

Сначала процесс попадает в группу с наибольшим приоритетом и наименьшим квантом времени, если он использует весь квант, то попадает во вторую группу и т.д. Самые длинные процессы оказываются в группе наименьшего приоритета и наибольшего кванта времени.

Процесс либо заканчивает работу, либо переходит в другую группу

Этот метод напоминает алгоритм - "Кратчайшая задача - первая".

Группы с разным назначением процессов

Процесс, отвечающий на запрос, переходит в группу с наивысшим приоритетом.

Такой механизм позволяет повысить приоритет работы с клиентом.

Гарантированное планирование

В системе с n-процессами, каждому процессу будет предоставлено 1/n времени процессора.

Лотерейное планирование

Процессам раздаются "лотерейные билеты" на доступ к ресурсам. Планировщик может выбрать любой билет, случайным образом. Чем больше билетов у процесса, тем больше у него шансов захватить ресурс.

Справедливое планирование

Процессорное время распределяется среди пользователей, а не процессов. Это справедливо если у одного пользователя несколько процессов, а у другого один.

4.4 Планирование в системах реального времени

Системы реального времени делятся на:

жесткие (жесткие сроки для каждой задачи) - управление движением

гибкие (нарушение временного графика не желательны, но допустимы) - управление видео и аудио

Внешние события, на которые система должна реагировать, делятся:

периодические - потоковое видео и аудио

непериодические (непредсказуемые) - сигнал о пожаре

Что бы систему реального времени можно было планировать, нужно чтобы выполнялось условие:

m - число периодических событий

i - номер события

P(i) - период поступления события

T(i) - время, которое уходит на обработку события

Т.е. перегруженная система реального времени является не планируемой.

4.4.1 Планирование однородных процессов

В качестве однородных процессов можно рассмотреть видео сервер с несколькими видео потоками (несколько пользователей смотрят фильм).

Т.к. все процессы важны, можно использовать циклическое планирование.

Но так как количество пользователей и размеры кадров могут меняться, для реальных систем он не подходит.

4.4.2 Общее планирование реального времени

Используется модель, когда каждый процесс борется за процессор со своим заданием и графиком его выполнения.

Планировщик должен знать:

частоту, с которой должен работать каждый процесс

объем работ, который ему предстоит выполнить

ближайший срок выполнения очередной порции задания

Рассмотрим пример из трех процессов.

Процесс А запускается каждые 30мс, обработка кадра 10мс

Процесс В частота 25 кадров, т.е. каждые 40мс, обработка кадра 15мс

Процесс С частота 20 кадров, т.е. каждые 50мс, обработка кадра 5мс

Три периодических процесса

Проверяем, можно ли планировать эти процессы.

Условие выполняется, планировать можно.

Будем планировать эти процессы статическим (приоритет заранее назначается каждому процессу) и динамическим методами.

4.4.3 Статический алгоритм планирования RMS (Rate Monotonic Scheduling)

Процессы должны удовлетворять условиям:

Процесс должен быть завершен за время его периода

Один процесс не должен зависеть от другого

Каждому процессу требуется одинаковое процессорное время на каждом интервале

У непериодических процессов нет жестких сроков

Прерывание процесса происходит мгновенно

Приоритет в этом алгоритме пропорционален частоте.

Процессу А он равен 33 (частота кадров)

Процессу В он равен 25

Процессу С он равен 20

Процессы выполняются по приоритету.

Статический алгоритм планирования RMS (Rate Monotonic Scheduling)

4.4.4 Динамический алгоритм планирования EDF (Earliest Deadline First)

Наибольший приоритет выставляется процессу, у которого осталось наименьшее время выполнения.

При больших загрузках системы EDF имеет преимущества.

Рассмотрим пример, когда процессу А требуется для обработки кадра - 15мс.

Потоки и планирование потоков

Что такое поток? Давайте дадим краткое определение. По своей сути поток это:

Средство параллельного относительно других потоков исполнения кода;
Имеющего общий доступ ко всем ресурсам процесса.

Давайте посмотрим из чего они состоят и как они рождаются. По сути поток — это средство эмуляции параллельного исполнения относительно других потоков. Почему эмуляция? Потому, что поток как бы странно и смело это ни звучало — это чисто программная вещь, которая идёт из операционной системы. А операционная система создаёт этот слой эмуляции для нас. Процессор при этом о потоках ничего не знает вообще.

Задача процессора — просто исполнять код. Поэтому с точки зрения процессора есть только один поток: последовательное исполнение команд. А задача операционной системы каким-либо образом менять поток т.о. чтобы эмулировать несколько потоков.

"Но как же так?", — скажите вы, — "во многих магазинах и на различных сайтах я вижу запись "Intel Xeon 8 ядер 16 потоков". Говоря по-правде это — либо скудность в терминологии либо — чисто маркетинговый ход. На самом деле внутри одного большого процессора есть в данном случае 8 ядер и каждое ядро состоит из двух логических процессоров. Такое доступно при наличии в процессоре технологии Hyper-Threading, когда каждое ядро эмулирует поведение двух процессоров (но не потоков). Делается это для повышения производительности, да. Но по большому счёту если нет понимания, на каких потоках идут расчёты, можно получить очень не приятный сценарий, когда код выполняется со скоростью, ниже чем если бы расчёты шли на одном ядре. Именно поэтому раздача ядер идёт +=2 в случае Hyper-Threading. Т.е. пропуская парные ядра.

Технология эта — достаточно спорная: если вы работаете на двух таких псевдо-ядрах (логических процессорах, которые эмулируются технологией Hyper-Threading), которые при этом находятся на одном физическом ядре и работают с одной и той-же памятью, то вы будете постоянно попадать в ситуацию, когда второй логический процессор так же пытается обратиться к данной памяти, создавая блокировку либо попадая в блокировку, т.к. поток, находящийся на первом ядре работает с той же памятью.

Возникает блокировка совместного доступа: хоть и идёт эмуляция двух ядер, на самом-то деле оно одно. Поэтому в наихудшем сценарии эти потоки исполняются по очереди, а не параллельно.

Так если процессор ничего не знает о потоках, как же достигается параллельное исполнение потоков на каждом из его ядер? Как было сказано, поток — средство операционной системы выполнять на одном процессоре несколько задач одновременно. Достигается параллелизм очень быстрым переключением между потоками в течение очень короткого промежутка времени. Последовательно запуская на выполнение код каждого из потоков и делая это достаточно часто, операционная система достигает цели: делает их исполнение псевдопараллельным, но параллельным с точки зрения восприятия человека. Второе обоснование существования потоков — это утверждение, что программа не так часто срывается в математические расчёты. Чаще всего она взаимодействует с окружающим её миром: различным оборудованием. Это и работа с жёстким диском и вывод на экран и работа с клавиатурой и мышью. Поэтому чтобы процессор не простаивал, пока оборудование сделает то, чего хочет от него программа, поток можно на это время установить в состояние блокировки: ожидания сигнала от операционной системы, что оборудование сделало то, что от него просили. Простейший пример этого — вызов метода Console.ReadKey() .

Если заглянуть в диспетчер задач Windows 10, то можно заметить, что в данный момент в вашей системе существует около 1,5 тысячи потоков. И если учесть, что квант на десктопе равен 20 мс, а ядер, например, 4, то можно сделать вывод, что каждый поток получает 20 мс работы 1 раз в 7,5 сек… Ну конечно же, нет. Просто почти все потоки чего-то ждут. То ввода пользователя, то изменения ключей реестра… В операционной системе существует очень много причин, чтобы что-либо ждать.

Так что пока одни потоки в блокировке, другие — что-то делают.

В эту функцию передаются следующие атрибуты:

1) Необязательная структура с атрибутами безопасности:

2) Необязательный размер стека:

3) Указатель на функцию — точка входа нового потоками
4) Необязательный аргумент для передачи данных функции потока.

Планирование потоков

Для того чтобы понимать, в каком порядке исполнять код различных потоков, необходима организация планирования тих потоков. Ведь система может иметь как одно ядро, так и несколько. Как иметь эмуляцию двух ядер на одном так и не иметь такой эмуляции. На каждом из ядер: железных или же эмулированных необходимо исполнять как один поток, так и несколько. В конце концов система может работать в режиме виртуализации: в облаке, в виртуальной машине, песочнице в рамках другой операционной системы. Поэтому мы в обязательном порядке рассмотрим планирование потоков Windows. Это — настолько важная часть материала по многопоточке, что без его понимания многопоточка не встанет на своё место в нашей голове никоим образом.

Итак, начнём. Организация планирования в операционной системе Windows является: гибридной. С одной стороны моделируются условия вытесняющей многозадачности, когда операционная система сама решает, когда и на основе каких условия вытеснить потоки. С другой стороны — кооперативной многозадачности, когда потоки сами решают, когда они всё сделали и можно переключаться на следующий (UMS планировщик). Режим вытесняющей многозадачности является приоритетным, т.к. решает, что будет исполняться на основе приоритетов. Почему так? Потому что у каждого потока есть свой приоритет и операционная система планирует к исполнению более приоритетные потоки. А вытесняющей потому, что если возникает более приоритетный поток, он вытесняет тот, который сейчас исполнялся. Однако во многих случаях это бы означало, что часть потоков никогда не доберется до исполнения. Поэтому в операционной системе есть много механик, позволяющих потокам, которым необходимо время на исполнение его получить несмотря на свой более низкий по сравнению с остальными, приоритет.

Уровни приоритета

Windows имеет 32 уровня приоритета (0-31)

1 уровень (00 — 00) — это Zero Page Thread;
15 уровней (01 — 15) — обычные динамические приоритеты;
16 уровней (16 — 31) — реального времени.

Продолжая говорить о том, что к нам не относится, стоит отметить приоритеты реального времени, которые когда-то давным-давно таковыми являлись, но быстро потеряли свой статус приоритетов реального времени и от этого статуса осталось лишь название. Другими словами, Real Time приоритеты на самом деле не являются таковыми. Они являются приоритетами с исключительно высоким значением приоритета. Т.е. если операционная система будет по какой-то причине повышать приоритет потока с приоритетом из динамической группы (об этом — позже, но, например, потому, что потоку освободили блокировку) и при этом значение до повышения было равно 15 , то повысить приоритет операционная система не сможет: следующее значение равно 16 , а оно — из диапазона реального времени. Туда повышать такими вот "твиками" нельзя.

Уровень приоритетов процессов с позиции Windows API.

Приоритеты — штука относительная. И чтобы нам всем было проще в них ориентироваться, были введены некие правила относительности расчетов: во-первых все потоки вообще (от всех приложений) равны для планировщика: планировщик не различает потоки это различных приложений или же одного и того же приложения. Далее, когда программист пишет свою программу, он задаёт приоритет для различных потоков, создавая тем самым модель многопоточности внутри своего приложения. Он прекрасно знает, почему там был выбран пониженный приоритет, а тут — обычный. Внутри приложения всё настроено. Далее, поскольку есть пользователь системы, он также может выстраивать приоритеты для приложений, которые запускаются на этой системе. Например, он может выбрать повышенный приоритет для какого-то расчетного сервиса, отдавая ему тем самым максимум ресурсов. Т.е. уровень приоритета можно задать и у процесса.

Однако, изменение уровня приоритета процесса не меняет относительных приоритетов внутри приложения: их значения сдвигаются, но не меняется внутренняя модель приоритетов: внутри по-прежнему будет поток с пониженным приоритетом и поток — с обычным. Так, как этого хотел разработчик приложения. Как же это работает?

Существует 6 классов приоритетов процессов. Класс приоритетов процессов — это то, относительно чего будут создаваться приоритеты потоков. Все эти классы приоритетов можно увидеть в "Диспетчере задач", при изменении приоритета какого-либо процесса.

Название	Класс	Базовый приоритет
1. Real Time	4	24
2. High	3	13
3. Above Normal	6	10
4. Normal	2	8
5. Below Normal	5	6
6. Idle	1	4

Другими словами класс приоритета — это то, относительно чего будут задаваться приоритеты потоков внутри приложения. Чтобы задать точку отсчёта, было введено понятие базового приоритета. Базовый приоритет — это то значение, чем будет являться приоритет потока с типом приоритета Normal:

Если процесс создаётся с классом Normal и внутри этого процесса создаётся поток с приоритетом Normal, то его реальный приоритет Normal будет равен 8 (строка №4 в таблице);
Если Вы создаёте процесс и у него класс приоритета Above Normal, то базовый приоритет будет равен 10. Это значит, что потоки внутри этого процесса будут создаваться с более повышенным приоритетом: Normal будет равен 10.

Для чего это необходимо? Вы как программисты знаете модель многопоточности, которая у вас присутствует.
Потоков может быть много и вы решаете, что один поток должен быть фоновым, так как он производит вычисления и вам
не столь важно, когда данные станут доступны: важно чтобы поток завершил вычисления (например поток обхода и анализа дерева). Поэтому, вы устанавливаете пониженный приоритет данного потока. Аналогично может сложится ситуация когда необходимо запустить поток с повышенным приоритетом.

Представим, что ваше приложение запускает пользователь и он решает, что ваше приложение потребляет слишком много процессорных ресурсов. Пользователь считает, что ваше приложение не столь важное в системе, как какие-нибудь другие приложения и понижает приоритет вашего приложения до Below Normal. Это означает, что он задаёт базовый приоритет 6 относительно которого будут рассчитываться приоритеты потоков внутри вашего приложения. Но в системе общий приоритет упадёт. Как при этом меняются приоритеты потоков внутри приложения?

Уровни насыщения
1. Time Critical	(+15)
2. Higest	(+2)
3. Above normal	(+1)
4. Normal	(+0)
5. Below normal	(-1)
6. Lowest	(-2)
7. Idle	(-15)

Normal остаётся на уровне +0 относительно уровня базового приоритета процесса. Below normal — это (-1) относительно уровня базового. Т.е. в нашем примере с понижением уровня приоритета процесса до класса Below Normal приоритет потока 'Below Normal' пересчитается и будет не 8 - 1 = 7 (каким он был при классе Normal ), а 6 - 1 = 5 . Lowest (-2) станет равным 4 .

Тоже самое и с приоритетами. У нас есть Normal. Дальше, относительно Normal у нас есть чуть повыше
Normal (Normal above), чуть пониже Normal (Normal below). Также есть шаг на два вверх
или на два вниз (Higest и Lowest). Нам, поверьте, нет никакой необходимости в более подробной градации. Единственное, очень редко, может раз в жизни, нам понадобится сказать: выше чем любой приоритет в системе. Тогда мы выставляем уровень Time Critical . Либо наоборот: это надо делать, когда во всей системе делать нечего. Тогда мы выставляем уровень Idle . Это значения — так называемые уровни насыщения.

Как рассчитываются уровни приоритета?

У нас бал класс приоритета процесса Normal (Таблица 3) и приоритет потоков Normal — это 8. Если процесс Above Normal то поток Normal получается равен 9. Если же процесс выставлен в Higest, то поток Normal получается равен 10.

Поскольку для планировщика потоков Windows все потоки процессов равнозначны, то:

Для процесса класса Normal и потока Above-Normal
Для процесса класса Higest и потока Normal
конечные приоритеты будут одинаковыми и равны 10.

Если мы имеем два процесса: один с приоритетом Normal, а второй — с приоритетом Higest, но при этом
первый имел поток Higest а второй Normal, то система их приоритеты будет рассматривать как одинаковые.

Но так как поток повышенным приоритетом исполняется только один на группе ядер, то получается,
что если у вас даже Real-Time потоки, не факт, что им будет выделено время.

Класс приоритета / относительный приоритет	Real-Time	High	Above-Normal	Normal	Below-Normal	Idle
Time Critical (+насыщение)	31	15	15	15	15	15
Highest (+2)	26	15	12	10	8	6
Above Normal (+1)	25	14	11	9	7	5
Normal (0)	24	13	10	8	6	4
Below Normal (-1)	23	12	9	7	5	3
Lowest (-2)	22	11	8	6	4	2
Idle (-насыщение)	16	1	1	1	1	1

Если перевести в графический вид, то можно заметить, что классы приоритетов пересекаются. Например, существует пересечение Above-Normal Normal Below-Normal (столбик с квадратиками):

Это значит, что для этих трех классов приоритетов процессов существуют такие приоритеты потоков внутри этих классов, что реальный приоритет будет равен. При этом, когда вы задаёте приоритет процессу вы просто повышаете или понижаете все его внутренние приоритеты потоков на определённое значение (см. Таблица 3).

Поэтому, когда процессу выдаётся более высокий класс приоритета, это повышает приоритет потоков процесса относительно обычных – с классом Normal.

Класс приоритета / относительный приоритет	Real-Time	High	Above-Normal	Normal	Below-Normal	Idle
Time Critical (+насыщение)	31	15	15	15	15	15
Highest (+2)	26	15	12	10	8	6
Above Normal (+1)	25	14	11	9	7	5
Normal (0)	24	13	10	8	6	4
Below Normal (-1)	23	12	9	7	5	3
Lowest (-2)	22	11	8	6	4	2
Idle (-насыщение)	16	1	1	1	1	1

Загляните к нам на сайт: мы сильно постарались, чтобы его было интересно изучить.

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:

Закрытое виртуальное адресное пространство, то есть выделенная для процесса часть оперативной памяти, которая называется виртуальной.
Исполняемая программа выполняя свой код, помещает его в виртуальную память.
Список открытых дескрипторов. Процесс может открывать или создавать объекты, например файлы или другие процессы. Эти объекты нумеруются, и их номера называют дескрипторами. Ссылаться на объект по дескриптору быстрее, чем по имени.
Контекст безопасности. Сюда входит пользователь процесса, группа, привилегии, сеанс и другое.
Идентификатор процесса, то есть его уникальный номер.
Программный поток (как минимум один или несколько). Чтобы процесс хоть что-то делал, в нем должен существовать программный поток. Если потока нет, значит что-то пошло не так, возможно процесс не смог корректно завершиться, или стартовать.

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:

Приложения. Процессы запущенных приложений. У таких приложений есть окно на рабочем столе, которое вы можете свернуть, развернуть или закрыть.
Фоновые процессы. Такие процессы работают в фоне и не имеют окна. Некоторые процессы приложений становятся фоновыми, когда вы сворачиваете их в трей.
Процессы Windows. Процессы самой операционной системы, например “Диспетчер печати” или “Проводник”.

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.

два стека: для режима ядра и для пользовательского режима;
локальную памятью потока (TLS, Thread-Local Storage);
уникальный идентификатор потока (TID, Thread ID).

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:

Когда двум и более потокам UMS требуется выполнить работу в пользовательском режиме, они сами могут периодически уступать управление другому потоку в пользовательском режиме, не обращаясь к планировщику. Ядро при этом думает что продолжает работать один поток.
Когда потоку UMS все таки нужно обратиться к ядру, он переключается на специально выделенный поток режима ядра.

Задания

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

устанавливать лимиты (на память или процессорное время) для группы процессов входящих в задание;
останавливать, приостанавливать, запускать такую группу процессов.

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:

комбинацией клавиш Ctrl+Shift+Esc;
щелчком правой кнопкой мыши на панели задач и выборе «Диспетчер задач»;
нажатием клавиш Ctrl+Alt+Del и выборе «Диспетчер задач»;
запуском исполняемого файла C:\Windows\system32\Taskmgr.exe.

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:

информация по правам процесса: кто владелец процесса, у кого есть доступ к нему;

выделение разными цветами процессов и потоков, для удобного восприятия информации:

процессы служб – розовый;
ваши собственные процессы – синий;
новые процессы – зелёный;
завершенные процессы – красный;

число дескрипторов у процесса;
активность потоков в процессе;

подробную информация о распределении памяти.

Запустите Process Explorer:

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:

C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Debuggers\x64\Dbghelp.dll.

И путь к серверу символической информации:

Некоторые основные настройки Process Explorer:

Смена цветового выделения – Options / Configure Colors.
Выбор колонок с информацией о процессах – View / Select Columns.
Сортировка процессов – нужно щелкнуть на заголовке столбца Process, при первом щелчке сортировка будет в алфавитном порядке, при втором в обратном порядке, при третьем вернется в вид дерева.
Просмотр только своих процессов – View / снять галочку Show Processes from All Users.
Настройка времени выделения только что запущенных процессов и завершённых – Options / Difference Highlight Duration / введите количество секунд.
Чтобы исследователь процесс подробнее можно дважды щелкнуть на нем и посмотреть информацию на различных вкладках.
Открыть нижнюю панель для просмотра открытых дескрипторов или библиотек – Vies / Show Lower Panel.

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:

TID — идентификатор потока.
CPU — загрузка процессора.
Cycles Delta — общее количество циклов процессора, которое этот процесс использовал с момента последнего обновления работы Process Explorer. Скорость обновления программы можно настроить, указав например 5 минут.
Suspend Count — количество приостановок потока.
Service — название службы.
Start Address — начальный адрес процедуры, который начинает выполнение нового потока. Выводится в формате:«модуль!функция».

При выделении потока, снизу показана следующую информация:

Идентификатор потока.
Время начала работы потока.
Состояние потока.
Время выполнения в режиме ядра и в пользовательском режиме.
Счетчик переключения контекста для центрального процессора.
Количество циклов процессора.
Базовый приоритет.
Динамический приоритет (текущий).
Приоритет ввода / вывода.
Приоритет памяти.
Идеальный процессор (предпочтительный процессор).

Есть также кнопки:

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:

Планирование процессов является неотъемлемой частью многопрограммных операционных систем. Такие операционные системы позволяют загружать в исполняемую память более одного процесса за один раз, и загруженный процесс совместно использует ЦП, используя временное мультиплексирование.

Очереди планирования процессов

ОС поддерживает все печатные платы в очередях планирования процессов. ОС поддерживает отдельную очередь для каждого из состояний процессов, а печатные платы всех процессов в одном и том же состоянии выполнения помещаются в одну и ту же очередь. Когда состояние процесса изменяется, его печатная плата отсоединяется от текущей очереди и перемещается в новую очередь состояний.

Операционная система поддерживает следующие важные очереди планирования процессов:

ОС может использовать разные политики для управления каждой очередью (FIFO, Round Robin, Priority и т. Д.). Планировщик ОС определяет, как перемещать процессы между готовыми и запущенными очередями, которые могут иметь только одну запись на процессорное ядро в системе; на приведенной выше диаграмме он был объединен с процессором.

Модель двух состояний

Когда создается новый процесс, он входит в систему как в рабочем состоянии.

Долгосрочный планировщик

Это также называется планировщиком заданий . Долгосрочный планировщик определяет, какие программы допущены в систему для обработки. Он выбирает процессы из очереди и загружает их в память для выполнения. Процесс загружается в память для планирования ЦП.

Основной целью планировщика заданий является обеспечение сбалансированного сочетания заданий, таких как привязка ввода-вывода и привязка процессора. Он также контролирует степень мультипрограммирования. Если степень мультипрограммирования стабильна, то средняя скорость создания процесса должна быть равна средней скорости вылета процессов, покидающих систему.

В некоторых системах долгосрочный планировщик может быть недоступен или минимален. Операционные системы с разделением времени не имеют долгосрочного планировщика. Когда процесс меняет состояние с нового на готовое, тогда используется долгосрочный планировщик.

Краткосрочный планировщик

Краткосрочные планировщики, также известные как диспетчеры, принимают решение о том, какой процесс выполнять дальше. Краткосрочные планировщики быстрее, чем долгосрочные.

Среднесрочный планировщик

Среднесрочное планирование является частью обмена . Удаляет процессы из памяти. Это уменьшает степень мультипрограммирования. Среднесрочный планировщик отвечает за обработку замененных процессов.

Работающий процесс может быть приостановлен, если он сделает запрос ввода-вывода. Приостановленные процессы не могут достичь прогресса. В этом случае, чтобы удалить процесс из памяти и освободить место для других процессов, приостановленный процесс перемещается во вторичное хранилище. Этот процесс называется обменом , а процесс называется обмен или выкатывание. Обмен может быть необходимым для улучшения технологического процесса.

Сравнение среди Планировщика

SN	Долгосрочный планировщик	Краткосрочный планировщик	Среднесрочный планировщик
1	Это планировщик работы	Это планировщик процессора	Это планировщик обмена процессами.
2	Скорость меньше, чем краткосрочный планировщик	Скорость самая быстрая среди двух других	Скорость находится между краткосрочным и долгосрочным планировщиком.
3	Контролирует степень мультипрограммирования	Это обеспечивает меньший контроль над степенью мультипрограммирования	Это уменьшает степень мультипрограммирования.
4	Она практически отсутствует или минимальна по времени	Это также минимальная система разделения времени	Это часть систем разделения времени.
5	Он выбирает процессы из пула и загружает их в память для выполнения	Он выбирает те процессы, которые готовы выполнить	Это может повторно ввести процесс в память, и выполнение может быть продолжено.

Переключение контекста

Когда планировщик переключает ЦП с выполнения одного процесса на выполнение другого, состояние текущего запущенного процесса сохраняется в блоке управления процессом. После этого состояние следующего процесса загружается с его собственной печатной платы и используется для настройки ПК, регистров и т. Д. В этот момент может начаться выполнение второго процесса.

Переключение контекста требует значительных вычислительных ресурсов, поскольку регистр и состояние памяти должны быть сохранены и восстановлены. Чтобы избежать количества времени переключения контекста, некоторые аппаратные системы используют два или более набора регистров процессора. Когда процесс переключается, следующая информация сохраняется для последующего использования.

Читайте также: