Introduction à la Gestion des Processus dans les Systèmes d'Exploitation

Qu'est-ce qu'un Processus ?

Un processus est simplement un programme en cours d'exécution. Imaginez un document Word que vous avez ouvert sur votre ordinateur. Le programme Word, une fois lancé et en train de s'exécuter, devient un processus. Chaque application que vous utilisez (navigateur web, lecteur de musique, etc.) est un processus. Il est important de comprendre que plusieurs instances du même programme peuvent être exécutées simultanément, chacune étant un processus distinct. Par exemple, vous pouvez avoir deux fenêtres Word ouvertes, chacune affichant un document différent. Chaque fenêtre représente alors un processus Word différent. Un processus comprend le code du programme, les données qu'il utilise, son état (par exemple, en cours d'exécution, en attente), et les ressources système qui lui sont allouées (mémoire, fichiers ouverts, etc.).

Les États d'un Processus

Un processus peut exister dans différents états pendant son cycle de vie. Les états les plus courants sont:

• Nouveau: Le processus est en cours de création.
• Prêt: Le processus est prêt à être exécuté mais attend son tour.
• En Exécution: Le processus est en train d'être exécuté par le CPU (Unité Centrale de Traitement).
• Bloqué/En Attente: Le processus attend une ressource (par exemple, des données provenant du disque dur, une entrée de l'utilisateur).
• Terminé: Le processus a terminé son exécution.

Imaginez une course d'athlétisme. Le processus 'Nouveau' correspond à l'athlète qui s'inscrit. Le processus 'Prêt' correspond à l'athlète qui attend sur la ligne de départ. Le processus 'En Exécution' correspond à l'athlète qui court. Le processus 'Bloqué/En Attente' correspond à l'athlète qui attend de recevoir son témoin. Et enfin, le processus 'Terminé' correspond à l'athlète qui a franchi la ligne d'arrivée.

Le Role de l'ordonnanceur

L'ordonnanceur (en anglais, scheduler) est une partie cruciale du système d'exploitation. Son rôle principal est de décider quel processus doit être exécuté à quel moment. Comme un chef d'orchestre, l'ordonnanceur coordonne l'accès au CPU par les différents processus. Il existe différentes stratégies d'ordonnancement. Par exemple :

• Premier arrivé, premier servi (FIFO ou FCFS): Les processus sont exécutés dans l'ordre de leur arrivée. Simple à implémenter, mais peut entraîner des temps d'attente longs pour les processus courts si un processus long arrive en premier.
• Plus court d'abord (SJF): Le processus avec la plus courte durée d'exécution est exécuté en premier. Optimise le temps d'attente moyen, mais nécessite de connaître à l'avance la durée d'exécution des processus.
• Priorité: Chaque processus se voit attribuer une priorité, et les processus de priorité plus élevée sont exécutés en premier. Permet de donner la priorité aux processus importants, mais peut entraîner la famine (un processus de faible priorité ne sera jamais exécuté).
• Rotation (Round Robin): Chaque processus reçoit un quantum de temps d'exécution (un petit laps de temps). Si le processus n'a pas terminé son exécution pendant ce quantum, il est interrompu et replacé à la fin de la file d'attente des processus prêts. Assure une certaine équité entre les processus.

L'ordonnanceur utilise un algorithme d'ordonnancement pour prendre ses décisions. Le choix de l'algorithme dépend des objectifs du système d'exploitation (par exemple, maximiser le débit, minimiser le temps d'attente, assurer l'équité).

La Communication Inter-Processus (IPC)

Les processus ne sont pas toujours isolés les uns des autres. Souvent, ils ont besoin de communiquer entre eux pour échanger des données ou se synchroniser. C'est ce qu'on appelle la communication inter-processus (IPC). Plusieurs mécanismes permettent aux processus de communiquer, notamment:

• Les tubes (pipes): Permettent la communication unidirectionnelle entre deux processus. Un processus écrit des données dans le tube, et l'autre les lit.
• Les files d'attente de messages: Permettent aux processus d'envoyer et de recevoir des messages.
• La mémoire partagée: Permet à plusieurs processus d'accéder à une même zone de mémoire. Nécessite une synchronisation pour éviter les conflits d'accès.
• Les sockets: Permettent la communication entre des processus s'exécutant sur des machines différentes (communication réseau).

Par exemple, imaginez un traitement d'image. Un processus peut être responsable de la lecture de l'image à partir du disque dur, un autre processus peut appliquer des filtres à l'image, et un troisième processus peut enregistrer l'image modifiée sur le disque dur. Ces trois processus doivent communiquer entre eux pour échanger les données de l'image.

Le Contexte d'un Processus

Le contexte d'un processus est l'ensemble des informations nécessaires pour reprendre l'exécution d'un processus là où il s'était arrêté. Il comprend notamment:

• La valeur des registres du CPU.
• L'adresse de la prochaine instruction à exécuter.
• L'état de la pile d'exécution.
• Les ressources allouées au processus (mémoire, fichiers ouverts, etc.).

Lorsque l'ordonnanceur décide de passer d'un processus à un autre (changement de contexte), il doit sauvegarder le contexte du processus en cours d'exécution, et restaurer le contexte du processus qui va être exécuté. Le changement de contexte est une opération coûteuse en temps CPU, car elle nécessite la sauvegarde et la restauration de nombreuses informations. C'est pourquoi les systèmes d'exploitation tentent de minimiser le nombre de changements de contexte.

Ce qu'il faut retenir

• Un processus est un programme en cours d'exécution.
• Un processus passe par différents états : Nouveau, Prêt, En Exécution, Bloqué/En Attente, Terminé.
• L'ordonnanceur décide quel processus doit être exécuté à quel moment.
• Il existe différents algorithmes d'ordonnancement.
• La communication inter-processus (IPC) permet aux processus d'échanger des données.
• Le contexte d'un processus est l'ensemble des informations nécessaires pour reprendre son exécution.
• Le changement de contexte est l'opération de passage d'un processus à un autre.