Дублирующее выполнение, вызванное форком Простая программа на C в Linux выводит свое приветствие дважды, несмотря на один вызов printf, потому что операционная система дублирует процесс с помощью fork. Неожиданный двойной вывод демонстрирует, что выполнение программы может происходить параллельно, без повторения явных вызовов функций. Это явление подчеркивает внутреннее поведение процесса создания в операционных системах.
Сущность процессов в операционных системах Процесс представляет собой выполнение программы, объединение кода, необходимых данных и выделенных ресурсов в один операционный блок. Код на языке высокого уровня компилируется в машинные инструкции, которые затем загружаются в память в качестве активного процесса. Каждому процессу присваивается уникальный идентификатор, позволяющий операционной системе эффективно управлять его выполнением и отслеживать его выполнение.
Структура памяти процесса и контекст выполнения Когда процесс запускается, его виртуальное адресное пространство сегментируется на области для исполняемого кода, статических данных, динамической памяти и стека вызовов. Эти отдельные области обеспечивают надежную работу программы и защиту от несанкционированных изменений. Поддерживаемый контекст, включая регистры процессора и счетчик программ, позволяет системе выполнять плавное переключение контекста и точный контроль выполнения.
Загрузка системы и инициализация структурированного процесса Во время запуска системы операционная система создает базовые процессы, используя специальные системные вызовы, которые загружают необходимые службы. В таких средах, как Windows, такие функции, как NT CreateProcess, устанавливают иерархию, начиная с ядра и необходимых служебных процессов, в то время как в системах на базе Unix используется аналогичная структурированная инициализация. Такое организованное создание процессов гарантирует, что системные ресурсы распределяются и управляются с момента загрузки компьютера.
Процессы в сравнении с потоками: совместное использование ресурсов и эффективность Запуск нового процесса требует дублирования всей среды выполнения, что часто приводит к значительным накладным расходам. Потоки, однако, представляют собой более легкие единицы выполнения, которые используют одинаковое адресное пространство и системные ресурсы, что приводит к повышению эффективности. Использование механизмов копирования при записи дополнительно оптимизирует использование памяти, избегая ненужного дублирования до тех пор, пока не произойдут изменения.
Динамика потоков: повышение производительности и проблемы управления Потоки пользовательского режима обладают преимуществом быстрого создания и переключения контекста, что делает их значительно более эффективными, чем создание полного процесса. Однако, поскольку они используют библиотеки пользовательского уровня для управления, такие вопросы, как управление вводом/выводом и синхронизация, могут стать проблематичными. Несмотря на эти проблемы, поддержка на уровне ядра по-прежнему имеет решающее значение для обеспечения надежной и высокопроизводительной работы в современных операционных системах.