Process, PCB และ address space

นึกภาพก่อน

ไฟล์โปรแกรมบน disk เหมือนสูตรอาหารในหนังสือ มันไม่ได้ทำอะไรเลยจนกว่าจะมีคนลงมือทำ process คือ "การทำอาหารที่กำลังเกิดขึ้น": มีสูตร (code) มีวัตถุดิบบนโต๊ะ (data) และมีคนทำที่รู้ว่าตัวเองทำถึงขั้นไหนแล้ว (program counter) สูตรเดียวทำพร้อมกันได้หลายครัว แต่ละครัวเป็นคนละ process

Process คือ instance ของโปรแกรมที่กำลังทำงาน ด้วยสิทธิ์จำกัด

คำว่า "สิทธิ์จำกัด" สำคัญ: process เป็น abstraction ที่ OS ใช้รันโปรแกรมโดยไม่ต้องไว้ใจมัน

Virtual Machine

VM คือการใช้ซอฟต์แวร์จำลองเครื่องนามธรรม เพื่อให้โปรแกรมมีภาพลวงว่าเป็นเจ้าของเครื่อง และทำให้ hardware ดูเหมือนมีคุณสมบัติที่เราต้องการ

เป้าหมายของ Process VM:

• Isolation: process ไม่สามารถกระทบ process อื่นโดยตรง — มีขอบเขตการใช้ memory
• Fault isolation: บั๊กในโปรแกรมทำเครื่องพังไม่ได้
• Portability ของโปรแกรม: เขียนโปรแกรมสำหรับ OS ไม่ใช่สำหรับ hardware

Process, thread, address space

Layout ของ address space

0x000…  ┌──────────────┐
        │ Code segment │  คำสั่งของโปรแกรม       ← PC ชี้อยู่ในนี้
        ├──────────────┤
        │ Static data  │  ตัวแปร global
        ├──────────────┤
        │ Heap         │  memory ที่จองตอนรัน (โตลง)
        │      ↓       │
        │              │
        │      ↑       │
        │ Stack        │  ตัวแปร local, return address (โตขึ้น)  ← SP ชี้อยู่ในนี้
0xFFF…  └──────────────┘

heap กับ stack โตเข้าหากัน ช่องว่างตรงกลางคือที่สำรองไว้ให้ทั้งคู่

Execution context

สิ่งที่บอกว่า process "ทำถึงไหนแล้ว" อยู่ใน register ของ processor: PC (program counter ชี้คำสั่งถัดไป), SP (stack pointer) และ register อื่น ๆ รวมเรียกว่า execution context ถ้าเก็บค่าเหล่านี้ไว้ได้ครบ ก็หยุด process แล้วกลับมาทำต่อทีหลังได้เหมือนไม่เคยหยุด

Process Control Block (PCB)

process มีสองส่วน: PCB อยู่ใน kernel ส่วนที่เหลือ (code, static data, heap, stack) อยู่ใน user

kernel แทนแต่ละ process ด้วย PCB หนึ่งตัว ซึ่งเก็บ:

• Kernel scheduler ดูแลโครงสร้างข้อมูลที่เก็บ PCB ทั้งหมด
• Scheduling algorithm เลือกว่าตัวใดจะได้ทำงานถัดไป

ทำไม register ถึงเก็บใน PCB เฉพาะตอนไม่ได้ทำงาน: ตอนที่ process กำลังรัน ค่าจริงอยู่ใน register ของ CPU เมื่อ process ถูกหยุด kernel จึง copy ค่าจาก CPU มาเก็บ และ copy กลับเมื่อจะให้ทำต่อ

ตัวอย่างไล่ทีละขั้น

โจทย์: เปิดโปรแกรม editor สองหน้าต่างจากไฟล์โปรแกรมเดียวกัน อะไรเหมือน อะไรต่าง

1. มี 2 process จากโปรแกรมเดียว (โปรแกรมคือไฟล์ process คือ instance)
2. kernel มี PCB 2 ตัว PID ต่างกัน
3. แต่ละ process มี address space ของตัวเอง: heap, stack และ static data แยกกัน พิมพ์ในหน้าต่างหนึ่งไม่กระทบอีกหน้าต่าง
4. PC และ SP ของแต่ละ process ต่างกัน เพราะทำงานถึงคนละจุด
5. ถ้าหน้าต่างหนึ่งพัง (เช่นอ้าง memory ผิด) kernel หยุดเฉพาะ process นั้น อีก process ยังทำงานได้ — นี่คือ fault isolation

จุดที่มักพลาด

1. คิดว่า program กับ process คือสิ่งเดียวกัน

program เป็นไฟล์ที่อยู่นิ่ง process คือ instance ที่กำลังทำงาน หนึ่ง program มีได้หลาย process

2. คิดว่า PCB อยู่ใน address space ของ process

PCB อยู่ใน kernel ถ้าอยู่ฝั่ง user process จะแก้ priority หรือสิทธิ์ของตัวเองได้

3. สลับ Process VM กับ System VM

Process VM รันโปรแกรมเดียว System VM รัน OS ทั้งตัว

4. คิดว่า address space คือ memory อย่างเดียว

สไลด์นิยามว่าเป็น ชุดของสิทธิ์: memory ที่เข้าถึงได้ และสิทธิ์อื่น เช่น system call และไฟล์ที่ใช้ได้

5. สลับ heap กับ stack

stack เก็บตัวแปร local และข้อมูลการเรียกฟังก์ชัน heap เก็บสิ่งที่จองตอนรัน (เช่น malloc)

ที่มา: 02-ProcessAndContextSwitch_Part-I_v3.pdf หน้า 18–26