Nghiên Cứu Quản Lý Tiến Trình Trong Hệ Điều Hành Windows

Tiến trình song song được chia thành nhiều loại: độc lập (không quan hệ thông tin), có quan hệ thông tin (trao đổi thông tin, dễ gây bế tắc), phân cấp (tiến trình cha khởi tạo tiến trình con, cần giải quyết vấn đề cấp phát tài nguyên) và đồng mức (sử dụng chung tài nguyên theo nguyên tắc lần lượt). Việc phân loại này giúp hiểu rõ hơn cách Windows quản lý và điều phối tài nguyên cho các ứng dụng khác nhau, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Các mô hình quản lý tài nguyên bao gồm tập trung (hệ điều hành phân phối tài nguyên) và phân tán (tiến trình con nhận tài nguyên từ tiến trình cha).

Đa số hệ điều hành muốn đưa sự đa chương, đa nhiệm vào hệ thống. Để thực hiện điều này, hệ điều hành sử dụng mô hình tiến trình để tạo ra sự song song giả, tạo ra các processor logic từ processor vật lý. Hệ điều hành chia chương trình thành nhiều tiến trình, cấp phát tài nguyên và đưa các tiến trình sang trạng thái sẵn sàng. Sau một khoảng thời gian hệ điều hành thu hồi processor của tiến trình này để cấp cho một tiến trình sẵn sàng khác, sau đó lại thu hồi processor từ tiến trình khác. Hiện tượng này được gọi là sự song song giả.

Điểm đáng chú ý nhất của mô hình tiểu trình là có nhiều tiểu trình trong phạm vi một tiến trình đơn. Trong phạm vi một tác vụ, có thể có một hoặc nhiều tiểu trình, mỗi tiểu trình bao gồm trạng thái thực thi, lưu trữ ngữ cảnh, thông tin thống kê về việc sử dụng biến cục bộ, stack thực thi và truy xuất đến bộ nhớ và tài nguyên của tác vụ. Các thao tác lập lịch và điều phối tiến trình của hệ điều hành thực hiện trên cơ sở tiểu trình. Tất cả các tiểu trình phải được đưa vào trạng thái suspend tại cùng thời điểm, khi một tác vụ kết thúc thì sẽ kết thúc tất cả các tiểu trình trong tác vụ đó.

Từ khi được đưa vào hệ thống cho đến khi kết thúc, tiến trình tồn tại ở các trạng thái khác nhau. Trạng thái của tiến trình tại một thời điểm được xác định bởi hoạt động hiện thời của tiến trình tại thời điểm đó. Một số ít hệ điều hành chỉ cho phép tiến trình tồn tại ở một trong hai trạng thái: Not Running và Running. Đa số hệ điều hành đều cho phép tiến trình tồn tại ở một trong ba trạng thái, đó là: ready, running, blocked. Trạng thái Ready là trạng thái của một tiến trình trong hệ thống đang chờ được cấp processor để bắt đầu thực hiện.

Tài nguyên găng (Critical Resource) là tài nguyên mà chỉ một tiến trình có thể sử dụng tại một thời điểm nhất định. Ví dụ, một máy in là một tài nguyên găng. Chỉ một tiến trình có thể in tài liệu tại một thời điểm. Nếu hai tiến trình cùng cố gắng in cùng lúc, tài liệu có thể bị trộn lẫn hoặc xảy ra lỗi. Do đó, hệ điều hành Windows cần có cơ chế để đảm bảo rằng chỉ một tiến trình có quyền truy cập vào máy in tại một thời điểm.

Để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu và tránh xung đột tài nguyên, việc điều độ các tiến trình qua đoạn găng cần tuân thủ một số yêu cầu. Thứ nhất, không có hai tiến trình nào được phép ở trong đoạn găng của cùng một tài nguyên tại cùng một thời điểm. Thứ hai, không có giả định nào về tốc độ hoặc số lượng processor. Thứ ba, không có tiến trình nào bên ngoài đoạn găng được phép chặn các tiến trình khác truy cập vào đoạn găng. Thứ tư, không có tiến trình nào phải chờ đợi mãi mãi để vào đoạn găng.

Bốn điều kiện cần thiết để hình thành bế tắc bao gồm: Loại trừ lẫn nhau (Mutual Exclusion), Giữ và Chờ (Hold and Wait), Không cưỡng đoạt (No Preemption) và Chờ đợi vòng tròn (Circular Wait). Nếu cả bốn điều kiện này cùng xảy ra, hệ thống có nguy cơ rơi vào trạng thái bế tắc. Ví dụ, nếu hai tiến trình cùng cố gắng truy cập vào hai tài nguyên A và B, và mỗi tiến trình đều giữ một tài nguyên và chờ tài nguyên còn lại, tình trạng bế tắc có thể xảy ra.

Có nhiều phương pháp để ngăn chặn bế tắc, bao gồm ngăn chặn một trong bốn điều kiện cần thiết để hình thành bế tắc. Ví dụ, có thể yêu cầu tiến trình yêu cầu tất cả các tài nguyên cần thiết trước khi bắt đầu thực hiện, hoặc cho phép hệ thống cưỡng đoạt tài nguyên từ tiến trình đang giữ. Ngoài ra, hệ thống cũng có thể sử dụng các thuật toán để nhận biết bế tắc và thực hiện các biện pháp để giải quyết tình trạng này.

Mục tiêu của điều phối tiến trình bao gồm tối đa hóa thông lượng (số lượng tiến trình hoàn thành trong một đơn vị thời gian), giảm thiểu thời gian chờ đợi của tiến trình, đảm bảo tính công bằng giữa các tiến trình và đáp ứng yêu cầu thời gian thực của các ứng dụng quan trọng. Để đạt được các mục tiêu này, hệ thống sử dụng các hàng đợi để quản lý các tiến trình ở các trạng thái khác nhau (sẵn sàng, chờ đợi, ...). Bộ điều phối tiến trình sẽ lựa chọn tiến trình từ hàng đợi sẵn sàng để cấp processor.

Một số thuật toán điều phối tiến trình phổ biến bao gồm FCFS (First-Come, First-Served), SJF (Shortest Job First), RR (Round Robin) và Priority Scheduling. FCFS đơn giản nhưng có thể dẫn đến tình trạng tiến trình dài chiếm giữ processor quá lâu. SJF tối ưu hóa thời gian chờ đợi trung bình nhưng khó triển khai trên thực tế vì không thể biết trước thời gian thực hiện của tiến trình. RR chia đều thời gian processor cho các tiến trình, đảm bảo tính công bằng. Priority Scheduling ưu tiên các tiến trình quan trọng hơn.

Task Manager là một công cụ tích hợp sẵn trong Windows cho phép người dùng theo dõi và kiểm soát các ứng dụng, tiến trình và dịch vụ đang chạy. Các tab trong Task Manager bao gồm Processes (hiển thị danh sách các tiến trình đang chạy), Performance (hiển thị thông tin về hiệu suất CPU, bộ nhớ, ổ cứng, mạng), Users (hiển thị danh sách người dùng đang đăng nhập), Details (hiển thị thông tin chi tiết về các tiến trình) và Services (hiển thị danh sách các dịch vụ đang chạy).

Người dùng có thể khởi tạo tiến trình mới bằng cách chọn File -> Run new task trong Task Manager. Ngoài ra, Task Manager còn cung cấp tính năng Analyze wait chain để theo dõi các tiến trình đang chờ đợi lẫn nhau, giúp người dùng xác định nguyên nhân gây ra tình trạng treo hoặc chậm trễ hệ thống. Tính năng này rất hữu ích trong việc gỡ rối và tối ưu hóa hiệu suất hệ điều hành Windows.