عملية (حاسوب)

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
(بالتحويل من عملية (حاسوبية))
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
حالات عملية حاسوبية في نظام تشغيل عصري.

في الحاسوبية، عملية (بالإنجليزية: process) هي كائن برنامج قيد التنفيذ بالإضافة إلى القيم الحالية لكل من عداد البرنامج والسجلات (بالإنجليزية: register) والمتغيرات (بالإنجليزية: variable). أي أنه لا يحوي فقط الكود ولكن أيضا فعالية البرنامج الحالية. مبدئيا لكل عملية وحدة معالجة مركزية افتراضية. ولكن في الواقع ال CPU الفعلي يتقلب بين العمليات التي تحتاج إلى هذا ال- CPU. هذا التقلب يُسمى البرمجة المتعددة (بالإنجليزية: multiprogramming). وكذلك لكل عملية لها عداد برنامج افتراضي مخزن عندها وعند حيازتها لل- CPU تنسخ محتوى هذا العداد إلى العداد الفعلي في ال- CPU وعند الانتهاء يُنسخ العداد الفعلي في داخل العداد الافتراضي للبرنامج لاستخدامه لاحقا. يوجد فروق بين العملية والبرنامج فالفرق حاذق ولكنه حاسم وذلك لأن العملية هي فعالية من أي نوع أي عنده برنامج ومُدخل ومُخرج وحالة (state). كما أن المُعالج (processor) الواحد قد تتشارك فيه عدة عمليات وكمية الوقت الذي يأخذه كل برنامج يتحدد بواسطة خوارزمية جدولة. وفي حالة أن نفس البرنامج تستخدمه عمليتان (أو أكثر) لا يغير من حقيقة أنهما عمليتان منفصلتان.

مصطلحات مهمة[عدل]

حالة العملية[عدل]

الصورة توضح العلاقة بين حالات العملية

بينما العملية تُنفذ تُغير حالاتها، وحالة العملية مُعرفة جزئيا بأنها الفعالية الحالية للعملية. والعملية يمكن أن تكون في أحد الحالات التالية :

  1. عملية "جديدة"، أي أن العملية قيد الانتاج.
  2. عملية "مُشغلة"، أي أن العملية تُنفذ.
  3. عملية "مُنتظرة"، أي أن العملية تنتظر ظهور حادثة مثل اكتمال المُدخلات، أو وصول اشارة.
  4. عملية "جاهزة"، أي أن العملية جاهزة لتأخذ حيز في المعالج.
  5. عملية "منتهية"، أي أن العملية انهت عملها وتوقفت.

من الناحية المنطقية، الحالتان الثانية والرابعة هما نفس الأمر إذ أن كليهما قابلان للتشغيل ولكن الحالة الرابعة لا تستطيع العمل لأن المعالج المركزي ليس متفرغا للعملية وهي تكون دوما جاهزة حتى يتفرغ لها المعالج المركزي. أما الحالة الأولى ففيها تكون العملية فقط عندما تنتج وقبل ولوجها في الحالة الرابعة، وعندما العملية تأخذ حيز في المعالج المركزي ويُنفذ أوامرها تكون في الحالة الثانية يمكن أن تُقطع وذلك لأن المُجدول اختار عملية أخرى لينفذها المعالج المركزي، وفي حالة أنها تريد مُدخل من المستخدم فانها تنتقل للحالة الثالثة وعند اتمام الادخال تعود لتكون جاهزة، لربما اخذت عملية اخرى حيزها ولما يحين دورها. وحين انتهاء العملية من تنفيذ البرنامج وتنهي عملها تنتقل للحالة الأخيرة.

كتلة التحكم بالعملية[عدل]

كتلة التحكم بالعملية (PCB)

كل عملية في نظام التشغيل مُمثلة بواسطة كتلة التحكم بالعملية (بالإنجليزية: Process Control Block) او بالاختصار PCB. وهي تحوي العديد من المعلومات المرتبطة بعملية مُعينة، من ضمنها :

  • حالة العملية : وقد تكون أيا من الحالات الانف ذكرها.
  • عداد البرنامج : العداد يشير إلى عنوان الامر التالي الذي يجب تنفيذه في هذه العملية.
  • سجلات المعالج المركزي (بالإنجليزية: CPU registers): السجلات تختلف وكذا عددها وهذا يتعلق ببنية الحاسوب. ومن ضمنها : المُراكمات، سجلات الاستدلال، مؤشر المكدس، سجلات متعددة الاستخدامات بالاضافة لسجل الأعلام (بالإنجليزية: flag register ). بالاضافة لعداد البرنامج معلومات الحالة هذه يجب حفظها عند ظهور مقاطعة وذلك للسماح لاحقا بأن تعمل العملية بشكل ملائم.
  • معلومات لمُجدول المعالج المركزي : هذه المعلومات من ضمنها اولوية العملية، مؤشرات لطوابير الجدولة واية معلومات اخرى متعلقة بالجدولة.
  • معولومات لادارة الذاكرة : قد تحوي على معلومات مثل سجلات القاعدة والحد (بالإنجليزية: base and limit registers)، جدول الصفحات أو جدول الاقسام حسب نظام الذاكرة المُستخدم في نظام التشغيل.
  • معلومات حسابية : هذه المعلومات من ضمنها كمية وقت استخدام المعالج المركزي وايضا كمية وقت استخدام وقت الحقيقة، حدود الوقت، ارقام الحسابات، رقم العملية او العمل، وهكذا...
  • معلومات عن حالة المدخلات/المخرجات (I/O) : هذه المعلومات من ضمنها قائمة اجهزة المدخلات/المخرجات التي خُصصت للعملية، قائمة الملفات المفتوحة وهكذا.

باختصار، كتلة التحكم بالعملية هو مستودع ايَّة معلومة التي قد تختلف من عملية إلى اخرى.

خطوط[عدل]

العملية هي برنامج الذي يقوم بخط عمليات واحد. خط التحكم هذا يسمح للعملية بتنفيذ مهمة واحدة في لحظة مُعينة، مثلا لا يستطيع المرئ ان يكتب الكلمة وفي نفس الوقت فحص املاء الكلمة خلال العملية الواحدة. معظم انظمة التشغيل وسعت مفهوم العملية بالسماح لها باستغلال اكثر من خط واحد وهذا سمح لها بتنفيذ عدة مهمات. وهذه الخاصية مهمة في انظمة فيها المعالج متعدد النواة وذلك لان في هذه الانظمة تسمح بأن تعمل الخطوط على التوازي. في أنظمة فيها الخطوط، كتلة التحكم بالعملية موسع كذلك ليضم معلومات عن الخطوط لهذه العملية.

جدولة العملية[عدل]

هدف البرمجة المتعددة هو وجود عملية مُشتغلة في كل لحظة، لرفع كمية وقت استخدام المعالج المركزي. وهدف مشاركة الوقت هو تحويل (بالإنجليزية: switch) المعالج المركزي بين العمليات بوتيرة عالية حتى يتسنى للمُستخدم التفاعل مع كل برنامج حين كونها تعمل. حتى نصل إلى هذه الاهداف مُجدول العمليات يختار عملية متاحة (لربما اختارها من مجموعة عمليات مُتاحة ) كي يُنفذ البرنامج على المعالج المركزي. في نظام العملية الواحدة لن يكون هنالك ابدا اكثر من عملية واحدة تعمل على المعالج، وإن وجد اكثر من واحد تنتظر كل العمليات حتى تنتهي العملية الحالية ثم يختار المجدول احدها وهكذا.

طوابير الجدولة[عدل]

حين بدأ العملية في النظام، تُوضع في طابور عمل، ويحوي هذا الطابور كل العمليات في النظام. العمليات القاطنة في الذاكرة الرئيسية وهي جاهزة وتنتظر ان يتم تنفيذها يحفظها النظام في قائمة تُسمى طابور الجاهزين. بشكل عام هذه القائمة تُحفظ بشكل قائمة متصلة. رأس طابور الجاهزين مؤشر لل-PCB الاول والنهائي في القائمة. وكل PCB عنده مؤشر إلى ال PCB التالي في طابور الجاهزين. طوابير اخرى يستخدمها النظام وهي طابور الاجهزة، وطابور I\O وهو طابور للمُدخلات.

أفعال على العملية[عدل]

انتاج العملية[عدل]

تحتاج نُظم التشغيل ايجاد وسيلة بها تُنتج العمليات وتُنهيها حسب الحاجة ( يُستثنى من هذا بعض الاجهزة التي عندما تُشغل تكون كل عملياتها جاهزة ولا حاجة لانهائها او البدأ بجديدة مثل : المكرويف ) وما يلي هي الوسائل الرئيسية لانتاج العملية :

  1. ابتداء النظام.
  2. تنفيذ نداء النظام لانتاج العمليات بواسطة عملية قيد التنفيذ.
  3. طلب المستخدم لانتاج عملية جديدة.
  4. بدء عمل بالدفعات. (batch job)

في الحالة الاولى، عندما يُقلع النظام عادة ما يُنتج عدة عمليات، منها ما هو عمليات مُقدمة أي انها تتفاعل مع المُستخدم وتنفذ الاوامر من أجلهم، واخرى هي للخلفية وهي غير مرتبطة بمستخدم مُعين، ولكن عندها وظيفة مُعينة. هذه العمليات تُسمى أيضا شياطين(بالإنجليزية: deamons). في نظام UNIX يمكن بواسطة برنامج ps رؤية كل العمليات الفعَّالة اما في Windows فهذا بمساعدة مدير مهام ويندوز.

ثانيا، بالاضافة إلى العملية التي أُنتجت في وقت الاقلاع عمليات جديدة يمكن أن تُنتج لاحقا. بشكل عام يمكن للعملية الواحدة طلب انتاج عمليات اخرى من شأنها ان تعين العملية على قضاء عملها، وهذا في خصوصا في حالة أنَّ العمل الذي على العملية فعله يمكن أن ينفذ بواسطة عمليات مرتبطة ومستقلة.

ثالثا، في الانظمة التفاعلية، يمكن للمستخدم ادخال امر به يبدأ عملية جديدة وكذا الامر بالنسبة لضغط ايقونة. وفي الحالتين العملية تبدأ وتنفيذ البرنامج في العملية يبدأ تنفيذه. في الانظمة التي تعتمد على الاوامر وشبيهة بنظام UNIX تشغيل الامر X، يسمح للعملية بأن تستولي على الشباك الذي فيه بدأت. في مايكروسوفت ويندوز عند ابتداء عملية فانها لا تملك شباكا ويمكنها انتاج واحد كهذا والمعظم يفعل هذا. في النظامين يمكن للمستخدم أن يكون عنده عدة شبابيك مفتوحة وكل واحدة منها تشغل عملية مُختلفة. وبإستخدام الفأرة يمكن للمستخدم اختيار شباك والتفاعل معه مثلا ادخال مُعطيات اذا لزم الامر.

الحالة الاخيرة لانتاج العمليات هي عمل بالدفعات وهي تختص بانظمة الدفعات (بالإنجليزية: batch systems) المتواجدة في الحواسيب الكبيرة. في هذه الانظمة يمكن للمستخدم ادخال دفعات العمل (ربما من بعيد). عندما يقرر النظام انه يحوي الموارد الكافية لتشغيل عمل جديد، تُنتج عملية جديدة لانتاج العملية وتشغل العمل التالي في طابور المُدخلات.

عمليا في كل هذه الحالات انتاج العملية يكون بواسطة وجود عملية فعالة التي تطلب من النظام بواسطة أمر نظام لانتاج عملية جديدة. وأمر النظام هذا يقول للنظام أن أنتج عملية جديدة ويومأ، بشكل مباشر او غير مباشر، أي برنامج يشغل.

في نظام UNIX هنالك أمر نظام واحد لانتاج العمليات وهو fork. أمر النظام هذا يستنسخ العملية التي أستدعته. بعدما استدعاء fork للعمليتين الابن والاب يوجد نفس صورة الذاكرة، نفس البيئة (وهي مجموعة من المتغيرات التي تحوي سلاسل وهي مُتاحة لكل العمليات ) ونفس الملفات المفتوحة. عادة ما يقوم الابن باستدعاء execve او امر مشابه ليغير صورة الذاكرة ويشغل برنامج جديد. ونقيضها نجده في نظام windows حيث أنه يوجد أمر واحد،CreateProcess، يقوم بالاهتمام بانتاج البرنامج وايضا تحميل البرنامج الصحيح، ولهذا الامر 10 عوامل (مُعطيات او مُدخلات) ومن ضمنها البرنامج الذي يجب تشغيله.

إنهاء العملية[عدل]

العملية تنتهي عندما تنهي تنفيذ اخر أوامرها وتطلب من نظام التشغيل أن تتوقف. هنالك عدة حالات يمكن أن تسبب انهاء العملية اهمها :

  1. انهاء طبيعي (كما اسلفنا الذكر عندما تطلب العملية ذلك )
  2. انهاء لدخول البرنامج مُدخل خطأ لوجود علة في التنفيذ.
  3. انهاء بسبب خطأ قاتل (بالإنجليزية: fatal error)
  4. العملية قُتلت بواسطة عملية اخرى.

الحالتين الاوليين الانهاء فيهما يكون تطوعي، اما الاخيرين ففيهما الانهاء اجباري.

اغلب الاحيان تنتهي العملية لانها قد انهت تنفيذ برنامجها. في نظام UNIX الانهاء يكون بواسطة الامر exit اما في windows بواسطة ExitProcess. السبب الثاني للانهاء هو خطأ قاتل مثلا عدم وجود الملف المرغوب بالوصول اليه وما إلى ذلك من الاخطاء التي قد يقع بها بعض المستخدمين. السبب الثالث هو وجود خطأ في العملية مثلا محاولة تنفيذ عملية غير قانونية ومحاولة الوصول إلى معلومات غير موجودة او محاولة القسمة على 0. في بعض الانظمة العملية تخبر النظام انها تريد الاهتمام بالخطأ بنفسها، وهذا يسبب توقف العملية بدل انهائها عند حدوث هذا الخطأ. والسبب الرابع للانهاء هو أن العملية تنفذ أمرا فيه على النظام ان ينهي عملية اخرى. في نظام UNIX هذه الامر هو kill، وفي Windows هو TerminateProcess وفي كلتا الحالتين على القاتل ان يملك الصلاحية الملائمة لتنفيذ عملية القتل. في بعض الانظمة، عند انتهاء العملية ينتهي معها كل عملية انتجتها هذه العملية ولكن لا يعمل أيا من UNIX و windows بهذه الطريقة.

مصادر[عدل]

  • Abraham Silberschatz،Peter Baer Galvin، Greg Gagne. "Operating system Concepts".
  • Andrew S. Tanenbaum. "Modern Operating Systems".