Процесс — одно из ключевых понятий в теории и практике операционных систем. Он представляет собой активное состояние программы, выполняющейся в памяти, вместе со всеми ресурсами, которые используются в ходе её выполнения. Говоря проще, пока программа просто находится на диске в виде файла (например, .exe, .py, .sh), она является пассивным объектом. Но как только её начинает выполнять процессор, она превращается в процесс, то есть активную сущность.

Основные компоненты процесса:

1. Код программы (Text Section) — инструкции, которые будут выполняться процессором.
2. Счётчик команд (Program Counter) — хранит адрес текущей или следующей команды.
3. Стек (Stack) — используется для хранения локальных переменных, вызовов функций и адресов возврата.
4. Секция данных (Data Section) — включает глобальные и статические переменные.
5. Куча (Heap) — область памяти для динамически создаваемых данных.
6. Регистры процессора и контекст выполнения — сохраняют текущее состояние процесса.
7. Список открытых файлов — файлы, с которыми процесс работает в текущий момент.
8. Идентификатор процесса (PID) — уникальный номер, присваиваемый операционной системой.
9. Информация о связанных процессах — родительский процесс (parent), дочерние процессы (child) и связи между ними.

Жизненный цикл процесса:

Операционная система управляет переходами процесса между различными состояниями:

• New (Новый) — процесс создаётся.
• Ready (Готов) — процесс готов к выполнению и ожидает процессора.
• Running (Выполняется) — процесс выполняется на CPU.
• Waiting (Ожидает) — процесс ждёт завершения события или освобождения ресурса.
• Terminated (Завершён) — выполнение процесса завершено, он удалён из памяти.

Управление процессами:

ОС использует алгоритмы планирования, чтобы решать, какой процесс выполнять в следующий момент:

• FCFS (First Come First Serve) — первым пришёл — первым выполнен.
• SJF (Shortest Job First) — сначала кратчайшая задача.
• Round Robin — циклическое распределение времени.
• Priority Scheduling — выполнение по приоритету.

Взаимодействие между процессами:

Между процессами может происходить обмен данными, особенно если они решают общие задачи. Для этого используются:

• Средства межпроцессного взаимодействия (IPC): каналы (pipes), сигналы, очереди сообщений, разделяемая память.
• Механизмы синхронизации: семафоры, мьютексы, мониторы и другие.

Потоки (Threads) и процессы:

Процесс может содержать один или несколько потоков (threads). Потоки одного процесса разделяют память и ресурсы, что делает многопоточность эффективным способом выполнения задач. Однако процессы между собой изолированы: один не может получить доступ к памяти другого напрямую.

Безопасность процессов:

Каждый процесс работает в изолированной среде, что обеспечивает безопасность. Операционная система предотвращает доступ одного процесса к памяти другого. Также у процессов есть свои права — доступ к файлам, разрешённые действия и т.д.

Вывод:

Процессы лежат в основе всех функций операционной системы. Управление памятью, распределение ресурсов, выполнение пользовательских программ — всё это связано с концепцией процессов. Поэтому для всех, кто изучает операционные системы, важно чётко и глубоко понимать, что такое процесс и как он работает.