2. Процессы и потоки
При внимательном чтении технической документации [8] и литературы по ОС QNX [1] отчетливо бросается в глаза, что тонкие детали создания и функционирования процессов и потоков описаны крайне поверхностно и на весьма некачественном уровне. Возможно, это связано с тем, что общие POSIX- механизмы уже изучены и многократно описаны на образцах кода в общей литературе по UNIX. Однако большинство литературных источников написано в «допотоковую» эпоху, когда основной исполняемой единицей в системе являлся процесс.
Детальное рассмотрение особенностей именно QNX[7] (версии 6.X после приведения ее в соответствие с POSIX, в отличие от предыдущей 4.25) лишний раз подчеркивает, что:
• Процесс является только «мертвой» статической оболочкой, хранящей учетные данные и обеспечивающей окружение динамического исполнения… Чего? Конечно же, потока, даже если это единственный (главный) исполняемый поток приложения (процесса), как это принято в терминологии, не имеющий отношения к потоковым понятиям.
• Любые взаимодействия, синхронизация, диспетчеризация и другие механизмы имеют смысл только применительно к потокам, даже если это потоки, локализованные в рамках различных процессов. Вот здесь и возникает термин, ставший уже стереотипным: «IPC — средства взаимодействия процессов». Для однопотоковых приложений этот терминологический нюанс не вносит ровно никакого различия, но при переходе к многопотоковым приложениям мы должны рассуждать в терминах именно взаимодействующих потоков, локализованных внутри процессов (одного или различных).
• В системах с аппаратной трансляцией адресов памяти (MMU — Memory Management Unit) процесс создает для своих потоков дополнительные «границы существования» — защищенное адресное пространство. Большинство сложностей, описываемых в литературе в связи с использованием IPC, обусловлено необходимостью взаимодействующих потоков преодолевать адресные барьеры, устанавливаемые процессами для каждого из них. (Что касается MMU, то выданной книге предполагается исключительно x86-архитектура, хотя количество аппаратных платформ, на которых работает ОС QNX, на сегодняшний день уже перевалило за десяток.)
Модель потоков QNX в значительной степени напоминает то, что происходит с процессами в MS- DOS или с задачами (task) в существенно более поздней ОС реального времени VxWorks: исполнимые единицы разделяют единое адресное пространство без каких-либо ограничений на использование всего адресного пространства. В рамках подобной модели в QNX можно реализовать и сколь угодно сложный комплекс, трансформировав в потоки отдельные процессы, составляющие этот комплекс, с тем только различием, что в QNX все элементы собственно операционной системы продолжают работать в изолированном адресном пространстве и не могут быть никоим образом включены (и тем самым повреждены) в пространство приложения.
И в технической документации QNX, и в книге Р. Кертена [1] много страниц уделено описанию логики процессов, потоков, синхронизации и многим другим вещам в терминах аллегорических аналогий: коллективное пользование ванной комнатой, кухней... Если согласиться, что такие аллегории более доходчивы для качественного описания картины происходящего (что, похоже, так и есть), то для иерархии «операционная система — процесс — поток» можно найти существенно более близкую аллегорию: «аквариумное хозяйство». Действительно:
• В некотором общем помещении, где имеются все средства жизнеобеспечения — освещение, аэрация, терморегуляция, кормление (операционная система), — размещаются аквариумы (процессы), внутри которых (в одних больше, в других совсем немного) живут активные сущности (растения, рыбы, улитки). Помимо всех прочих «удобств» в помещении время от времени появляется еще одна сущность — «хозяин». Он является внешней по отношению к системе силой, которая асинхронно предпринимает некоторые действия (кормление, пересадка животных), нарушающие естественное «синхронное» течение событий (это служба системного времени операционной системы, которая извне навязывает потокам диспетчеризацию).
• Аквариумы (процессы) являются не только контейнерами, заключающими в себе активные сущности (потоки). Они также ограничивают ареал существования (защищенное адресное пространство) для их обитателей: любое нарушение границ обитания в силу каких-либо форс-мажорных обстоятельств, безусловно, означает гибель нарушителя (ошибка нарушении защиты памяти в потоке).
• Обитатели аквариумов (потоки) легко и непринужденно взаимодействуют между собой (сталкиваются при движении или, напротив, уступают друг другу место) в пределах контейнера (процесса). Однако при этом они не могут взаимодействовать с обитателями других контейнеров (процессов); более того, они даже ничего не знают об их существовании. Если обитатель требует вмешательства, например перемещения его в другой контейнер, то он может лишь способствовать этому, взывая своим поведением (при помощи особых знаков) к инстанции более высокого уровня иерархии, в отличие от контейнера некоторой «общесистемной субстанции», взывающего к хозяину (операционной системе) о вмешательстве (диспетчеризации).
• Все жизненно необходимые ресурсы (кислород, корм, свет) поступают непосредственно к контейнеру как единице распределения (операционная система выделяет ресурсы процессу в целом). Обитатели контейнера (потоки) конкурируют за распределение общих ресурсов контейнера на основании своих характеристик (приоритетов) и некоторой логики (дисциплины) распределения относительно «личностных» характеристик: размера животного, быстроты реакции и движения и т.д.
Такая ассоциативная аналогия, возможно, позволит отчетливее ощутить, что процесс и поток относятся к различным уровням иерархии понятий ОС. Это различие смазывается тем обстоятельством, что в любой ОС (с поддержкой модели потоков или без нее) всякий процесс всегда наблюдается в неразделимом единстве хотя бы с одним (главным) потоком и нет возможности наблюдать и анализировать поведение «процесса без потока».
Отсюда и происходят попытки объединения механизмов создания и манипулирования процессами и потоками «под одной крышей» (единым механизмом). Например, в ОС Linux создание и процесса (fork()), и потока (pthread_create()) свели к единому системному вызову _clone(), что явилось причиной некоторой иллюзорной эйфории, связанной с непонятной, мифической «дополнительной гибкостью».
Усилия последующих лет были направлены как раз на разделение этих механизмов, ликвидацию этой «гибкости» и восстановление POSIX-модели. Отсюда же вытекают и разработки последних лет в области новых «экзотических» ОС, направленные на сближение модели процесса и потока, и попытки создания некой «гибридной» субстанции, объединяющей атрибуты процесса и потока, если того захочет программист (на момент создания). По нашему мнению, идея «гибридизации» достаточно сомнительна и согласно нашей аналогии направлена на создание чего-то, в головной своей части напоминающего аквариум, а в задней — рыбу. Получается даже страшнее, чем русалка…
Отмеченный выше дуализм абстракций процессов и потоков (а в некоторых ОС и их полная тождественность) приводит к тому, что крайне сложно описывать одно из этих понятий, не прибегая к упоминанию атрибутов другого. В итоге, с какой бы из двух абстракций ни начать рассмотрение, нам придется, забегая вперед, ссылаться на атрибутику другой, дуальной ей. В описании процессов нам не обойтись без понятия приоритета (являющегося атрибутикой потока), а в описании потоков мы не сможем не упомянуть глобальные (относительно потока) объекты, являющиеся принадлежностью процесса, например файловые дескрипторы, сокеты и многое другое.
По этой причине наше последующее изложение при любом порядке его «развертывания» обречено на некоторую «рекурсивность». Итак, следуя сложившейся традиции, начнем с рассмотрения
