Processus : cours
1. Vocabulaire
Toute machine est dotée d’un système d’exploitation qui a pour fonction de charger les programmes depuis la mémoire de masse et de lancer leur exécution en leur créant des processus, de gérer l’ensemble des ressources, de traiter les interruptions ainsi que les entrées-sorties et enfin d’assurer la sécurité globale du système.
Un programme écrit à l’aide d’un langage de haut de niveau (on parle de “code source”) est transformé en langage machine afin de pouvoir être exécuté par un ordinateur.
On appelle processus un programme en cours d’exécution, c’est donc une instance d’exécution du programme.
Attention, il ne faut pas confondre le code source du programme et un processus qui correspond à l’exécution de ce programme par un ordinateur. Pour prendre une image assez classique, si une recette de cuisine correspond au code source du programme, le cuisinier en train de préparer cette recette dans sa cuisine correspond à un processus.
Un processus est caractérisé par :
- l’ensemble des instructions qu’il va devoir accomplir (écrites dans le fichier exécutable obtenu par la compilation du code-source du programme)
- les ressources que le programme va mobiliser (fichier en ouverture, carte son…)
- l’état des registres du processeur.
2. États d’un processus
Tous les systèmes d’exploitation “modernes” (Linux, Windows, macOS, Android, iOS…) sont capables de gérer l’exécution de plusieurs processus en même temps. Mais pour être précis, cela n’est pas un véritable “en même temps”, mais plutôt un “chacun son tour” car un processeur ne peut gérer qu’un processus à la fois. Pour gérer ce “chacun son tour”, les systèmes d’exploitation attribuent des “états” au processus.
De nos jours, les ordinateurs ont toujours plusieurs coeurs, donc plusieurs processeurs qui travaillent simultanément (véritable en même temps) et donc plusieurs processus qui sont vraiment traités simultanément. Cependant, le nombre de processus est toujours supérieur au nombre de processeurs et l’ordonnancement des processus par le système d’exploitation est bien toujours nécessaire.
Il y a trois états fondamentaux dans lesquels un processus peut se retrouver :
prêt (suspendu par le système d’exploitation)
élu (en exécution)
bloqué (en attente d’un événement quelconque pour poursuivre)
Il y a quatre transitions possibles entre ces états.
Lorsqu’un processus est en train de s’exécuter (qu’il utilise le microprocesseur), on dit que le processus est dans l’état élu.
Un processus qui se trouve dans l’état élu peut demander à accéder à une ressource pas forcément disponible instantanément (par exemple lire une donnée sur le disque dur). Le processus ne peut pas poursuivre son exécution tant qu’il n’a pas obtenu cette ressource. En attendant de recevoir cette ressource, il passe de l’état élu à l’état bloqué. (blocage)
Lorsque le processus finit par obtenir la ressource attendue, celui-ci peut potentiellement reprendre son exécution. Mais comme les systèmes d’exploitation permettent de gérer plusieurs processus “en même temps”, un seul processus peut se trouver dans un état élu (le microprocesseur ne peut “s’occuper” que d’un seul processus à la fois). Ainsi, quand un processus passe d’un état élu à un état bloqué, un autre processus peut alors “prendre sa place” et passer dans l’état élu. Un processus qui quitte l’état bloqué ne repasse donc pas forcément à l’état élu, il peut attendre que “la place se libère” et passer dans l’état prêt (déblocage).
La transition de élu à prêt survient lorsque le processus en cours a épuisé la tranche de temps qui lui avait été allouée ; il perd alors le processeur, redevient aussitôt prêt (suspension).
Le va-et-vient des transitions entre élu et prêt est issu de l’ordonnanceur (scheduler) de processus du système d’exploitation qui partage le temps entre tous les processus présents dans la mémoire. C’est le « chef d’orchestre » qui décide quel processus tourne sur le processeur et qui « donne leur tour » à chaque processus.
La procédure de sauvegarde des variables utilisées par le processus permet à celui-ci d’être placé dans la file d’attente des processus du système.
Un processus qui utilise une ressource R doit la “libérer” une fois qu’il a fini de l’utiliser afin de la rendre disponible pour les autres processus. Pour libérer une ressource, un processus doit obligatoirement être dans un état “élu”.
Exemple d’ordonnancement
L’ordonnanceur (qui fait partie du système d’exploitation), divise le temps de processeur disponible en petits laps de temps (quantum de temps) et, à chaque intervalle, il peut faire passer un processus de l’état elu à prêt ou inversement.
Un bilan : la vidéo ci-dessous permet de résumer ce qui précède et d’approfondir ces notions.
3. Les processus sous Linux
La gestion des processus est dépendante du système d’exploitation et de son usage.
Un processus peut appeler d’autres processus que l’on appelle sous-processus. On appelle le processus créateur le père et les processus créés, les fils. Les processus peuvent donc se structurer sous la forme d’une arborescence.
Au lancement du système, il n’existe qu’un seul processus (init), qui est l’ancêtre de tous les autres.
Par exemple, init démarre tous les processus nécessaires pour permettre aux terminaux branchés au système d’établir une connexion et de lancer le shell de base servant à la lecture des commandes de l’utilisateur. (Bash est l’interpréteur par défaut de la plupart des systèmes d’exploitation GNU/Linux)
Les commandes provenant alors des terminaux créent d’autres processus qui se greffent à l’arbre unique des processus du système.
Linux crée et maintient un certain nombre d’informations sur les processus en cours d’utilisation dans l’ordinateur.
Dans cette table des processus, on retrouve presque toujours :
un identificateur unique : le PID (Process Identification). Ce PID est un nombre. Le premier processus créé au démarrage du système à pour PID 0, le second 1, le troisième 2… Le système d’exploitation utilise un compteur qui est incrémenté de 1 à chaque création de processus, le système utilise ce compteur pour attribuer les PID aux processus.
le PPID (Parent Process Identification) qui permet de connaitre le processus parent du processus.
le niveau de priorité du processus ;
l’état du processus (en exécution, suspendu, etc.) ;
la table de pointeurs sur les ressources utilisées.
Dans un terminal Linux, la commande ps permet d’afficher la liste des processus actifs.
Parmi les colonnes affichées, on repère :
CMD: nom de la commande qui a créé le processus (par ordre chronologique) ;PID: Process Identification ;PPID: Parent Process Identification
La commande pstree permet d’afficher les processus sous forme d’arbre :
La commande top, quant à elle, affiche les processus en temps réel, classés par défaut par ordre décroissant de consommation de processeur.
Enfin, la commande kill permet de fermer un processus en le désignant par son PID. Dans la situation de la dernière capture d’écran, la commande kill 2669 fermera Firefox.
4. Notion d’interblocage
L’exécution d’un processus nécessite un ensemble de ressources (espace mémoire centrale, espace disque, fichier, périphériques, …) qui lui sont attribuées par le système d’exploitation.
Un ensemble de processus est en interblocage (deadlock) si chaque processus attend un évènement que seul un autre processus de l’ensemble peut engendrer.
- un processus Proc1 détient une ressource R1 et attend autre ressource R2 qui est utilisée par un autre processus Proc2
- le processus Proc2 détient la ressource R2 et attend la ressource R1.
→ On a une situation d’interblocage : (Proc1 attend Proc2 et Proc2 attend Proc1).
Les deux processus vont attendre indéfiniment.
Pour éviter cela, il est nécessaire :
D’éviter l’interblocage en allouant les ressources avec précaution. Si l’allocation d’une ressource peut conduire à un interblocage, elle est retardée jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de risque.
Les détecter et y remédier.
Pour compléter et approfondir, lire les pages 218 à 225 du manuel (vous y apprendrez comment visualiser les processus sous Windows) et pages 230-231 pour l’interblocage.