Языки управления процессами

Приводится обзор технических проблем управления процессами. Рассматриваются базовые средства для решения таких проблем на уровне функционирования операционных систем (ОС), исполнения отдельных задач и разработки информационных систем. Языки реализации ОС.

Внешне языки управления процессами выглядят как нечто среднее между макроассемблерами и языками высокого уровня. Различие проявляется в понимании данных, подвергаемых обработке, и командах, к которым сводятся процессы обработки:

• Роль данных выполняют файлы - объекты, обладающие собственным поведением и подверженные влиянию внешнего мира. Существование файлов в период обработки не всегда очевидно. Файлы могут участвовать одновременно в разных процессах.
• Выполнение команды рассматривается как событие. Такое событие может быть как успешным, так и неудачным. Кроме того, существуют внешние события.
• Реакция на событие программируется как обработчик события, выполняемый независимо от других обработчиков, - это отдельный процесс.
• Программа процесса может быть нацелена не на получение результата за конечное время, а на обеспечение непрерывного обслуживания заданий на обработку объектов. Процесс может быть активным или отложенным. Процессы могут конкурировать за общие объекты. Возможна синхронизация процессов и порождение подчиненных процессов.
• Программа процесса выглядит как объект и создается как данное, а потом может применяться равноправно с командами. Последовательное расположение команд в программе не считается основанием для их выполнения в точно том же порядке. Выполнение команды может занимать ряд интервалов времени, между которыми выполняются другие команды.

В результате разработка программ для организации взаимодействия процессов отличается от подготовки обычных последовательных программ на весьма глубоком уровне, что можно показать на модели интерпретирующего автомата для языка управления процессами. Такой автомат требует реализации дополнительной таблицы событий, протокола выполненных команд и структуры данных для очередей, регулирующих доступ к объектам. Чаще всего используются две модели - супервизор, контролирующий взаимодействие семейства процессов, или автомат, способный тиражировать себя при ветвлении процессов. И в том, и в другом случае функционирование автомата сводится к бесконечному циклу анализа происходящих событий, появление которых влечет включение обработчиков, соответствующих событиям. Проблема остановки решается вне языка - на уровне базовых средств или внешним образом через прерывания.

Рассмотрим типичные задачи организации процессов, базовые понятия, полезные при обсуждении проблем взаимодействия процессов, и примеры средств и методов представления программ для организации параллельных процессов. С параллельными процессами мы реально встречаемся при работе на уровне ОС, при организации высокопроизводительных вычислений на базе суперкомпьютеров и многоядерных процессоров, при обеспечении сетевой обработки данных, при оптимизирующей компиляции программ и т.д. и т.п. Проблемы подготовки параллельных программ для всех столь разных работ обладают определенной общностью, но есть и существенная специфика, требующая понимания разницы в критериях оценки качества программ и информационных систем для различных применений.

На уровне ОС основная работа сводится к управлению заданиями, нацеленными на эффективную загрузку общего оборудования и других ресурсов. Доступ к общим ресурсам обычно регулируется с помощью очередей запросов на обслуживание на базе моно- и/или мульти-процессорных комплексов. Обслуживание носит асинхронный характер. Основной критерий качества - возможность продолжить выполнение заданий без принципиальных потерь информации.

Появление компьютерных сетей и особенно массовое распространение Интернета, электронной почты и информационных сервисов выплеснуло проблематику параллельных процессов на рядового пользователя. Обыденные впечатления от доступа к новостным и рекламным сайтам, обмена фильмами и звукозаписями, пересылки фотографий для их печати в фотоателье, интерактивное общение и дневники - все это формирует интуитивную базу для вполне полноценного понимания средств и методов параллельного программирования. Клиенты всех таких информационных систем и ресурсов сталкиваются с достаточно сложным поведением сетевых конфигураций из разнородного оборудования, функционирование которого складывается не вполне очевидно. Появляется критерий - достижение понятности сетевой обработки информации, что в значительной мере требует представления механизмов взаимодействия процессов. Этот критерий имеет весьма важную составляющую - обеспечение грамотного поведения клиентов, принимающих решения относительно доступа к информационным ресурсам.

В середине 70-х годов активное исследование методов параллельного программирования рассматривалось не только как наиболее перспективное направление повышения эксплуатационных характеристик оборудования, но и как ведущее направление преодоления кризиса технологии программирования. В настоящее время рост интереса к параллельному программированию связан с переходом к массвому производству многоядерных архитектур.