مدخل إلى أنظمة التشغيل الفصل الثاني: العمليات (Processes) في أنظمة التشغيل

التجريد (Abstraction) والوهمية (Virtualization)

ينبغي معرفة مصطلحين مهمين قبل الخوض في الحديث عن العمليات (processes) هما:

التجريد (abstraction): هو تمثيلٌ مُبسّط لشيء معقد. عند قيادة سيارة ما على سبيل المثال يُفَهم أن توجيه عجلة القيادة يسارًا يوجه السيارة يسارًا والعكس صحيح. ترتبط عجلة القيادة بسلسلة من الأنظمة الميكانيكية والهيدروليكية، حيث توجّه هذه الأنظمة العجلات لتتحرك على الطريق. يمكن أن تكون هذه الأنظمة معقدة، ولكنّ السائق غير ملزَمٍ بالاكتراث بأي من تلك التفاصيل التي تجري داخل أنظمة السيارة، فالسائق يقود السيارة بالفعل وذلك بسبب امتلاكه نموذجًا ذهنيًا (mental model) بسيطًا عن عملية قيادة السيارة، وهذا النموذج البسيط هو التجريد (abstraction) بعينه. استخدام متصفح الويب (web browser) هو مثال آخر عن التجريد، فعند النقر على ارتباط (link) يعرض المتصفح الصفحة المرتبطة بهذا الارتباط. لا شكّ أن البرمجيات (software) وشبكات الاتصال (network communication) التي تجعل ذلك ممكنًا معقدة، ولكن لا يتوجب على المستخدم معرفة تفاصيل تلك الأمور المعقدة. جزء كبير من هندسة البرمجيات هو تصميم التجريدات التي تسمح للمستخدمين والمبرمجين استخدام أنظمة معقدة بطريقة سهلة دون الحاجة إلى معرفة تفاصيل تنفيذ هذه الأنظمة.

الوهمية (Virtualization): وهي نوع من التجريد (abstraction) الذي يخلق وهمًا (illusion) بوجود شيء فعليًا في حين أنه موجود وهميًا فقط. فمثلًا تشارك العديد من المكتبات العامة في تعاون بينها يسمح باستعارة الكتب من بعضها البعض. عندما تطلب كتابًا يكون الكتاب على رف من رفوف مكتبتك أحيانًا، ولكن يجب نقله من مكان آخر عند عدم توافره لديك، ثم سيصلك إشعار عندما يُتاح الكتاب للاستلام في كلتا الحالتين. ليس هناك حاجة أن تعرف مصدر الكتاب ولا أن تعرف الكتب الموجودة في مكتبتك. إذًا يخلق النظام وهمًا بأن مكتبتك تحتوي على كتب العالم جميعها. قد تكون مجموعة الكتب الموجودة في مكتبتك فعليًا صغيرة، لكن مجموعة الكتب المتاحة لك وهميًا هي كل كتاب موجود في تلك المكتبات المتشاركة. الإنترنت (Internet) هو مثال آخر عن الوهمية وهو مجموعة من الشبكات والبروتوكولات التي تعيد توجيه (forward) الحزم (packets) من شبكةٍ لأخرى. يتصرف نظام كل حاسوب كأنه متصل بكل حاسوب آخر على الإنترنت من وجهة نظر المستخدم أو المبرمج، حيث يكون الاتصال الفعلي أو الفيزيائي بين كل حاسوب وآخر قليلًا، أما الاتصال الوهمي كبير جدًا. يُستخدم المصطلح وهمي (virtual) ضمن عبارة آلة وهمية (virtual machine) أكثر الأحيان. والآلة الوهمية تعني البرمجية التي تمنح المستخدم القدرة على إنشاء نظام تشغيل على حاسوب يشغّل نظام تشغيل مختلف، وبذلك تخلق هذه الآلة وهمًا بأن هذا النظام المنشَأ يعمل على حاسوب مستقل بذاته، ولكن في الحقيقة يمكن تشغيل عدة أنظمة تشغيل وهمية على حاسوب واحد بنفس الوقت وكأنّ كل نظام تشغيل يعمل على حاسوب مختلف. وبالتالي يُدعى ما يحدث فعليًا physical وما يحدث وهميًا logical أو abstract.

العزل (Isolation)

العزل هو أحد أهم مبادئ الهندسة، فعزل المكونات عن بعضها البعض هو أمر جيد عند تصميم نظام متعدد المكونات من أجل ألّا يؤثر مكون على المكونات الأخرى تأثيرًا غير مرغوب به. عزل كل برنامج قيد التشغيل عن البرامج الأخرى من أهم أهداف نظام التشغيل، فبذلك لا يضطر المبرمجون إلى الاهتمام باحتمالية حدوث تفاعلات بين البرامج المشغّلة، وبالتالي يحتاج نظام التشغيل إلى كائن برمجي يحقق هذا العزل ألا وهو العملية (process). ولكن ما هي العملية؟

العملية (process) هي كائنٌ برمجي يمثل برنامجًا مشغلًا، وبالتالي يُمثَّل كل برنامج بعملية معينة. حيث يُقصَد بعبارة «كائن برمجي» بكائنٍ له روح البرمجة كائنية التوجه (object-oriented programming)، حيث يتضمن كل كائن بيانات (data) وتوابع (methods) تعمل على هذه البيانات. فالعملية هي كائن ولكن يتضمن البيانات التالية:

• نص البرنامج (text of the program): وهو سلسلة من تعليمات لغة الآلة عادةً.
• بيانات مرتبطة بالبرنامج (Data associated with the program): والتي تنقسم إلى نوعين: بيانات ساكنة (static data) (تُخصَّص مواقعها في الذاكرة في وقت التصريف) و بيانات ديناميكية (dynamic data) (تُخصَّص مواقعها في الذاكرة في وقت التشغيل).
• حالة عمليات الإدخال/الإخراج المعلَّقة (The state of any pending input/output operations): مثل انتظار العملية قراءة بيانات من القرص، أو انتظار وصول حزمة عن طريق الشبكة، فحالات عمليات الانتظار هذه هي جزء من العملية نفسها (process).
• حالة عتاد البرنامج (The hardware state of the program): التي تتضمن البيانات المخزنة في المسجلات (registers)، ومعلومات الحالة (status information)، وعداد البرنامج الذي يحدد أية تعليمة ستنفّذ حاليًا. تشغّل كل عملية برنامجًا واحدًا في أغلب الأحيان، ولكن يمكن لعملية ما أن تحمّل وتشغّل برنامجًا آخر أيضًا. ويمكن أن تشغّل عدة عمليات نفس البرنامج، ففي هذه الحالة تتشارك العمليات بنص البرنامج ولكن ببيانات وحالات عتاد مختلفة.

توفر معظم أنظمة التشغيل مجموعة أساسية من القدرات لعزل العمليات عن بعضها البعض هي:

• تعدد المهام (Multitasking): تتمتع معظم أنظمة التشغيل بالقدرة على مقاطعة تنفيذ أية عملية في أي وقت تقريبًا مع حفظ حالة عتاد العملية المُقاطعة، ثم استئناف تشغيل العملية لاحقًا. على كل حال لا يضطر المبرمجون إلى التفكير كثيرًا في هذه المقاطعات (interruptions)، حيث يتصرف البرنامج كما لو أنه يعمل باستمرار على معالج مخصص له فقط دون غيره، ولكن ينبغي التفكير بالوقت الفاصل بين كل تعليمة وأخرى من البرنامج فهو وقت لا يمكن التنبؤ به.
• الذاكرة الوهمية (Virtual memory): تخلق معظم أنظمة التشغيل وهمًا بأن كل عملية لها قطعتها (chunk) من الذاكرة وهذه القطعة معزولة عن قطع العمليات الأخرى. يمكن القول مرة أخرى بأن المبرمجين غير مضطرين لمعرفة كيفية عمل الذاكرة الوهمية، فيمكنهم المتابعة في كتابة برامجهم معتبرين كل برنامجٍ له جزءٌ مخصص من الذاكرة.
• تجريد الجهاز (Device abstraction): تتشارك العمليات العاملة على نفس الحاسوب بمحرك الأقراص أو قرص التخزين (disk drive) وبطاقة الشبكة (network interface) وبطاقة الرسوميات (graphics card) ومكونات عتادية أخرى أيضًا. إذا تعاملت العمليات مع تلك المكونات العتادية للحاسوب مباشرةً ودون تنسيق من نظام التشغيل، سيؤدي ذلك إلى فوضى عارمة. فيمكن لعملية ما أن تقرأ بيانات شبكة عمليةٍ أخرى على سبيل المثال، أو يمكن أن تحاول عمليات متعددة تخزين بيانات في الموقع نفسه على محرك القرص الصلب (hard drive). الأمر متروك لنظام التشغيل في النهاية ليحافظ على النظام من خلال توفير تجريدات مناسبة.

لا يحتاج المبرمج لمعرفة الكثير عن كيفية عمل قدرات نظام التشغيل لعزل العمليات عن بعضها البعض، ولكن إذا دفعك الفضول لمعرفة المزيد عن ذلك فهو أمر جيد، فالإبحار في معرفة مزيد من التفاصيل يصنع منك مبرمجًا أفضل.

عمليات UNIX

تخيل السيناريو التالي:

العملية التي تعيها عند استخدامك الحاسوب للكتابة هي محرر النصوص، وإذا حرّكت الفأرة على الطرفية (terminal) يتنبه مدير النوافذ (window manager) وينبّه terminal التي بدورها تنبّه الصدفة (shell)، فإذا كتبت الأمر make فإن shell تنشئ عملية جديدة لتنفيذ الأمر Make التي بدورها تنشئ عملية أخرى لتنفيذ LaTeX وهكذا يستمر إنشاء العمليات حتى عرض نتائج تنفيذ الأمر make. يمكن أن تبدل إلى سطح المكتب (desktop) إذا أردت البحث عن شيء ما، فيؤدي ذلك إلى تنبيه مدير النوافذ أيضًا. ويتسبب نقرك على أيقونة متصفح الويب في إنشاء عملية تشغّل المتصفح. تنشئ بعض المتصفحات، Chrome مثلًا، عمليات لكل نافذة وتبويب جديدين. ولكن توجد عمليات أخرى تعمل في الخلفية (background) في ذات الوقت، تتعلق تلك العمليات في معظمها بنظام التشغيل.

يمكن استخدام الأمر ps في UNIX لمعرفة معلومات عن العمليات التي تعمل حاليًا، فيظهر الخرج التالي عند تنفيذ الأمر:

PID    TTY     TIME    CMD
2687   pts/1   00:00:00  bash
2801   pts/1   00:01:24  emacs
24762  pts/1   00:00:00  ps

يمثل العمود الأول معرِّف العملية الفريد ID، بينما يمثل العمود الثاني الطرفية (terminal) التي أنشأت العملية حيث يشير (TTY) إلى عبارة teletypewriter (وهي جهاز قديم اُستخدِم لإرسال و استقبال الرسائل المكتوبة من خلال قنوات اتصال مختلفة)، ويمثل العمود الثالث الزمن الإجمالي المستغرَق خلال استخدام العملية للمعالج ويكون بالشكل التالي: ساعات، دقائق، ثواني، ويمثّل العمود الرابع والأخير اسم البرنامج المشغَّل، حيث bash هو اسم الصدفة (Shell) التي قاطعت الأوامر المكتوبة في الطرفية (terminal)، و emacs هو محرر النصوص المستخدَم، و ps هو البرنامج الذي ولّد الخرج السابق. فخرج الأمر ps هو قائمة تحوي العمليات المتعلقة بالطرفية (terminal) الحالية فقط، ولكن باستخدام الراية -e مع ps (أو باستخدام الراية aux التي هي خيارٌ آخر وشائع) فستظهر كل العمليات بما في ذلك عمليات المستخدمين الآخرين والذي برأيي، يقول الكاتب، هو ثغرة أمنية . يوجد على نظامي التشغيلي مثلًا، يقول الكاتب، 233 عملية حاليًا فيما يلي بعض منها:

PID TTY TIME  CMD
1   ?   00:00:17  init
2   ?   00:00:00  kthreadd
3   ?   00:00:02  ksoftirqd/0
4   ?   00:00:00  kworker/0:0
8   ?   00:00:00  migration/0
9   ?   00:00:00  rcu_bh
10  ?   00:00:16  rcu_sched
47  ?   00:00:00  cpuset
48  ?   00:00:00  khelper
49  ?   00:00:00  kdevtmpfs
50  ?   00:00:00  netns
51  ?   00:00:00  bdi-default
52  ?   00:00:00  kintegrityd
53  ?   00:00:00  kblockd
54  ?   00:00:00  ata_sff
55  ?   00:00:00  khubd
56  ?   00:00:00  md
57  ?   00:00:00  devfreq_wq

أول عملية تنشأ عند بدء نظام التشغيل هي init التي تنشئ العديد من العمليات ثم تبقى خاملة بلا عمل حتى تنتهي تلك العمليات التي أنشأتها. أما kthreadd فهي العملية التي يستخدمها نظام التشغيل لإنشاء خيوط (threads) جديدة (سنتكلم عن الخيوط لاحقًا ولكن يمكن القول أن الخيط هو نوع معين من العمليات)، ويشير k في بداية kthreadd إلى نواة (kernel)، وهي جزء نظام التشغيل المسؤول عن قدرات نظام التشغيل الأساسية مثل إنشاء الخيوط threads، ويشير حرف d الإضافي إلى عفريت (daemon)، وهو اسم آخر للعملية التي تعمل في الخلفية وتوفر خدمات نظام التشغيل. وبالنسبة للعملية ksoftirqd فهي عفريت للنواة (kernel daemon) أيضًا وعملها معالجة طلبات المقاطعة البرمجية software interrupt requests أو soft IRQ. أما kworker فهي عملية تنشئها النواة للعمل على عمليات معالجة خاصة بها.

توجد عمليات متعددة تشغّل خدمات النواة، ففي حالتي، يقول الكاتب، توجد 8 عمليات ksoftirqd و35 عملية kworker. لن نخوض في تفاصيل العمليات المتبقية، ولكن إذا كنت مهتمًا يمكنك البحث عن معلومات عنها وتطبيق الأمر ps لترى العمليات المشغلة على نظامك.

ترجمة -وبتصرّف- للفصل Processes من كتاب Think OS A Brief Introduction to Operating Systems