Выполнение в составе пользовательских процессов

На небольших машинах (персональных компьютерах, рабочих станциях) часто применяется альтернативный подход, при котором почти все программы операционной системы выполняются в контексте пользовательского процесса. Разработчики таких систем придерживаются той точки зрения, что операцион­ная система — это в основном набор процедур, которые вызываются для выпол­нения различных функций пользовательского процесса. Этот подход проиллюстрирован на рис. 3.12,6. Каждый процесс, принятый операционной системой на обработку, включает в себя не только блоки, изображенные на рис. 3.10, но и области кода, данных и стека программ ядра.

На рис. 3.13 показана типичная схема структуры образа процесса, принятая в такой стратегии. Для управления вызовом системных процедур, работающих в режиме ядра, и возврата из них используется отдельный стек ядра. Код и данные операционной системы находятся в совместно используемом адресном пространстве и доступны для использования всеми пользовательскими процессами.

При прерывании, системном прерывании или вызове управляющей программы процессор переходит в режим ядра, а управление передается операционной системе. Чтобы это произошло, сохраняется контекст процесса, и происходит переключение режима с передачей управления процедуре операционной сис­темы. Однако выполнение текущего пользовательского процесса продолжается. Таким образом, переключения процесса не происходит, переключается только режим работы процессора в рамках одного и того же процесса.

Если операционная система по завершении своей задачи придет к заключению, что следует продолжить текущий процесс, то с переключением режима процессора в предыдущее состояние возобновляется выполнение прерванной программы в рамках текущего процесса. Одно из основных преимуществ такого подхода состоит в следующем: если пользовательская программа прервалась, чтобы выполнить некоторую процедуру операционной системы, а затем возобновила свою работу, нам удается избежать двух излишних переключений процессов. Если же операционная система определит, что нужно переключить процесс, а не продолжать выполнение предыдущей программы, то управление переходит к процедуре, выполняющей переключение процессов. В зависимости от архитектуры операционной системы эта процедура может выполняться либо в составе текущего процесса, либо в составе некоторого другого процесса. В любом случае в какой-то момент текущий процесс нужно будет переключить, сняв его с выполнения, а в состояние выполнения перевести другой про­цесс. С точки зрения логики эту фазу удобнее всего рассматривать как нечто, происходящее вне всех процессов.

В некотором отношении такая точка зрения на операционную систему является довольно интересной. Выполняющийся процесс в определенный момент времени сам сохраняет информацию о своем состоянии, выбирает для выполнения другой процесс, находящийся в состоянии готовности, и передает ему управление. Причина того, что в такой ситуации не наступает хаос и произвол, заключается в том, что критичный код представляет собой не код пользователь­ской программы, а совместно используемый код операционной системы, выпол­няющийся в контексте процесса. В силу наличия пользовательского режима и режима ядра пользователь не может вмешиваться в работу системных процедур, хотя они и выполняются в среде пользовательского процесса. Это еще раз напоминает нам об отличиях концепций процесса и программы и о том, что между ними нельзя ставить знак равенства. В ходе процесса могут выполняться и пользовательские программы, и программы операционной системы; с другой стороны, программы операционной системы, выполняемые в разных пользовательских процессах, являются идентичными.