Systemy operacyjne Procesy i wątki

Podobne dokumenty
Wieloprogramowanie. Systemy operacyjne / Procesy i wątki str.4/32. Proces w systemie operacyjnym. Tworzenie i kończenie procesów

Systemy operacyjne III

4. Procesy pojęcia podstawowe

Zarządzanie procesami i wątkami

Zarządzanie procesorem

4. Procesy pojęcia podstawowe

Planowanie przydziału procesora

4. Procesy pojęcia podstawowe

Planowanie przydziału procesora

Informatyka, systemy, sieci komputerowe

SYSTEMY OPERACYJNE WYKLAD 6 - wątki

1.1 Definicja procesu

Procesy, wątki i zasoby

projektowanie systemu

Prezentacja systemu RTLinux

Procesy, zasoby i wątki

Procesy, zasoby i wątki

Procesy, zasoby i wątki

Wykład 6. Planowanie (szeregowanie) procesów (ang. process scheduling) Wojciech Kwedlo, Wykład z Systemów Operacyjnych -1- Wydział Informatyki PB

Projektowanie oprogramowania systemów PROCESY I ZARZĄDZANIE PROCESAMI

Planowanie przydziału procesora

Ogólna koncepcja planowania. Planowanie przydziału procesora. Komponenty jądra w planowaniu. Tryb decyzji. Podejmowanie decyzji o wywłaszczeniu

System operacyjny MACH

Planowanie przydziału procesora CPU scheduling. Koncepcja szeregowania. Planista przydziału procesora (planista krótkoterminowy) CPU Scheduler

Programowanie współbieżne Wykład 2. Iwona Kochańska

Systemy Operacyjne - zarządzanie procesami

Wprowadzenie. Dariusz Wawrzyniak. Miejsce, rola i zadania systemu operacyjnego w oprogramowaniu komputera

Struktury systemów operacyjnych

Wprowadzenie. Dariusz Wawrzyniak. Miejsce, rola i zadania systemu operacyjnego w oprogramowaniu komputera

Systemy operacyjne. Wprowadzenie. Wykład prowadzą: Jerzy Brzeziński Dariusz Wawrzyniak

Wykład 3. Procesy i wątki. Wojciech Kwedlo, Wykład z Systemów Operacyjnych -1- Wydział Informatyki PB

Współczesne aplikacje sterowania i akwizycji danych są zbiorem komunikujących się wątków lub procesów współbieżnych.

Działanie systemu operacyjnego

Systemy operacyjne. Paweł Pełczyński

Mogą pracować w środowisku: Scentralizowanym -mikrokontroler Rozproszonym sieć sterująca, systemy hierarchiczne. Komunikacja z syst.

SYSTEMY OPERACYJNE WYKLAD 6 - procesy

Działanie systemu operacyjnego

Działanie systemu operacyjnego

Technika mikroprocesorowa. Systemy operacyjne czasu rzeczywistego

dr inż. Konrad Sobolewski Politechnika Warszawska Informatyka 1

Procesy pojęcia podstawowe. 1.1 Jak kod źródłowy przekształca się w proces

1. Szeregowanie w systemach czasu rzeczywistego

Fazy procesora i wejścia-wyjścia. Planowanie przydziału procesora. Czasy faz procesora. Planowanie przydziału procesora

Księgarnia PWN: Włodzimierz Stanisławski, Damian Raczyński - Programowanie systemowe mikroprocesorów rodziny x86

Planowanie przydziału procesora

Definicja systemu operacyjnego (1) Definicja systemu operacyjnego (2) Miejsce systemu operacyjnego w architekturze systemu komputerowego

Układ sterowania, magistrale i organizacja pamięci. Dariusz Chaberski

Systemy operacyjne. wykład dr Marcin Czarnota laboratorium mgr Radosław Maj

Architektura systemu komputerowego. Działanie systemu komputerowego. Przerwania. Obsługa przerwań (Interrupt Handling)

Celem wykładu jest wprowadzenie fundamentalnych pojęć, integralnie związanych z systemem operacyjnym, na których opiera się przetwarzanie we

Mariusz Rudnicki PROGRAMOWANIE SYSTEMÓW CZASU RZECZYWISTEGO CZ.1

Mikroprocesor Operacje wejścia / wyjścia

Zarządzanie procesami (omawiane zagadnienia)

Systemy wejścia-wyjścia. wyjścia

Podstawy informatyki. System operacyjny. dr inż. Adam Klimowicz

Wątek - definicja. Wykorzystanie kilku rdzeni procesora jednocześnie Zrównoleglenie obliczeń Jednoczesna obsługa ekranu i procesu obliczeniowego

Procesy i wątki. Blok kontrolny procesu. Proces. Proces - elementy. Stan procesu. Blok kontrolny procesu

Działanie systemu operacyjnego

Stan procesu. gotowy - czeka na przydział procesora, zakończony - zakończył działanie.

Przełączanie kontekstu. Planista średnioterminowy. Diagram kolejek. Kolejki planowania procesów. Planiści

Mechanizmy pracy równoległej. Jarosław Kuchta

Materiały pomocnicze 1

System komputerowy. System komputerowy

Jądro systemu operacyjnego

Podsumowanie. Klasyfikacja ze względu na. liczbę użytkowników. Klasyfikacja ze względu na. Inne rodzaje systemów operacyjnych. sposób przetwarzania

Podsumowanie. Systemy operacyjne Podsumowanie 1. Klasyfikacja ze względu na sposób przetwarzania

Pytania do treści wykładów:

Urządzenia wejścia-wyjścia

Języki i Techniki Programowania II. Wykład 7. Współbieżność 1

Programowanie współbieżne i rozproszone

Planowanie przydziału procesora

J. Ułasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 1

Procesy, zasoby i wątki

IdyllaOS. Prosty, alternatywny system operacyjny. Autor: Grzegorz Gliński. Kontakt:

Programowanie współbieżne i równoległe. dr inż. Marcin Wilczewski 2013

Architektura komputerów. Układy wejścia-wyjścia komputera

PROGRAMOWANIE SYSTEMÓW CZASU RZECZYWISTEGO

Podsumowanie. Klasyfikacja ze względu na sposób przetwarzania. Klas. ze względu na liczbę wykonywanych zadań

Mariusz Rudnicki PROGRAMOWANIE SYSTEMÓW CZASU RZECZYWISTEGO CZ.3

Systemy operacyjne system przerwań

Nowoczesne systemy operacyjne

Język Java wątki (streszczenie)

SYSTEMY OPERACYJNE: STRUKTURY I FUNKCJE (opracowano na podstawie skryptu PP: Królikowski Z., Sajkowski M. 1992: Użytkowanie systemu operacyjnego UNIX)

Wprowadzenie do systemu Minix

Wielowątkowość mgr Tomasz Xięski, Instytut Informatyki, Uniwersytet Śląski Katowice, 2011

Zarządzanie pamięcią operacyjną

Zarządzanie w systemach i sieciach komputerowych. Dr inż. Robert Wójcik. Wykład 2. Zasoby i procesy w systemach i sieciach komputerowych

Struktura i funkcjonowanie komputera pamięć komputerowa, hierarchia pamięci pamięć podręczna. System operacyjny. Zarządzanie procesami

Program jest więc strukturą statyczną zapisaną na jakimś nośniku. Natomiast proces jest wykonującym się programem.

Mariusz Rudnicki PROGRAMOWANIE WSPÓŁBIEŻNE I SYSTEMY CZASU RZECZYWISTEGO CZ.3

Systemy Operacyjne i Sieci Komputerowe

1. Tworzenie nowego projektu.

Materiały do wykładu Systemy operacyjne (SOI.B) 1 dla kierunku Informatyka

PROGRAMOWANIE SYSTEMÓW WBUDOWANYCH

Architektura i administracja systemów operacyjnych

Systemy plików i zarządzanie pamięcią pomocniczą. Struktura pliku. Koncepcja pliku. Atrybuty pliku

Opracowanie zadań testowych i otwartych z kolokwiów i egzaminów z przedmiotu SOI, prowadzący WBD

SYSTEMY OPERACYJNE WYKLAD 4 - zarządzanie pamięcią

Informatyka. informatyka i nauki komputerowe (computer science)

Systemy Operacyjne i Sieci Komputerowe

Transkrypt:

Systemy operacyjne Procesy i wątki [2] Proces w systemie operacyjnym Procesem nazywamy wykonujący się program wraz z jego środowiskiem obliczeniowym. Proces stanowi podstawowy obiekt dynamiczny w systemie operacyjnym. Wymagania odnośnie systemu operacyjnego odnośnie zarządzania procesami: umożliwienie przeplatania się wykonywania procesów, akceptowalnie krótki czas odpowiedzi systemu, zarządzanie przydziałem zasobów poszczególnym procesom, udostępnianie mechanizmów do komunikacji międzyprocesowej, udostępnianie mechanizmów do tworzenia procesów. [3] Wieloprogramowanie One program counter A B C switch A Four program counters B C D D C B A D Time (a) (b) (c) należy unikać programowania procesów uwarunkowanych czasowo, zależność między programem a procesem, pojęcia procesów współbieżnych, równoległych i rozproszonych, [] Tworzenie i kończenie procesów Utworzenie procesu może być rezultatem: inicjalizacji systemu,

wywołania przez już uruchomiony proces funkcji systemowej do tworzenia procesu, zlecenia użytkownika utworzenia nowego procesu, uruchomienia zadania wsadowego. Zakończenie działania procesu może być rezultatem: zakończenia algorytmu procesu, celowego zakończenia w wyniku wystąpienia błędu, wykonania niedozwolonej operacji (zakończenie wymuszone), otrzymania sygnału od innego procesu (zakończenie wymuszone). [5] Stany procesów Blocked Running 1 3 2 Ready 1. blocks for input 2. Scheduler picks another process 3. Scheduler picks this process. Input becomes available Podstawowe stany procesów: uruchomiony - (ang. running), w danej chwili wykonuje się na procesorze, gotowy - (ang. ready), gotowy do wykonania, ale wstrzymany w oczekiwaniu na przydział czasu procesora, wstrzymany - (ang. blocked), nie może kontynuować pracy do momentu wystąpienia pewnego zewnętrznego zdarzenia. [6] Stany procesów w systemie Unix uruchomiony w trybie użytkownika - (ang. user running), uruchomiony w trybie jądra - (ang. kernel running), gotowy, w pamięci - (ang. ready to run, in memory), wstrzymany, w pamięci - (ang. asleep in memory), gotowy wymieciony - (ang. ready to run, swapped), wstrzymany, wymieciony - (ang. sleeping, swapped), 2

wywłaszczony - (ang. preempted), utworzony - (ang. created), zombie - (ang. zombie). [7] Graf przejść stanów w systemie Unix [8] Planista es 0 1 n 2 n 1 Scheduler Przydziałem procesora poszczególnym procesom zajmuje się część jądra systemu operacyjnego określana mianem planisty (ang. scheduler). Implementacja procesu: system posiada strukturę danych określaną mianem tablicy procesów, element tablicy procesów nazywany jest deskryptorem procesu albo blokiem kontrolnym procesu (ang. PCB, process control block) [9] Typowe pola elementu tablicy procesów 3

Zarządzanie procesem Rejestry Licznik rozkazów (PC) Słowo stanu procesora (PSW) Wskaźnik stosu Stan procesu Priorytet Parametry szeregowania ID procesu Proces rodzic Grupa procesu Sygnały Czas startu procesu Użyty czas CPU Czas następnego alarmu Zarządzanie pamięcią Wskaźnik do segmentu kodu Wskaźnik do segmentu danych Wskaźnik do segmentu stosu Zarządzanie plikami Katalog root Katalog bieżący Deskryptory plików ID użytkownika ID grupy [10] Obsługa przerwań Obsługa przerwań przez system operacyjny: odbieranie procesora na rzecz planisty z wykorzystaniem wsparcia sprzętowego (np. przerwania zegarowego), z każdym urządzeniem I/O skojarzona jest lokalizacja w pamięci z informacją, skąd ma nastąpić kontynuacja wykonywania podprogramu w przypadku wystąpienia przerwania, tzw. wektor przerwania (ang. interrupt vector), wektor przerwania zawiera adres procedury dostarczonej przez system operacyjny (ang. interrupt handler), planista odgrywa rolę pośrednika, uzyskuje sterowanie po każdym wystąpieniu przerwania zegarowego, proces nie może przekazać sterowania innemu procesowi bez pośrednictwa planisty. [11] Obsługa przerwania - szkielet 1. Sprzętowo zapamiętane na stosie licznik rozkazów, itp. 2. Sprzętowo ładowana nowa wartość licznika rozkazów z wektora przerwań 3. Procedura w języku asemblera zapamiętuje wartości rejestrów. Procedura w języku asemblera ustala nowy stos

5. Obsługa przerwania w języku C (często odczyt i buforowanie wejścia) 6. Planista wybiera następny proces do wznowienia 7. Procedura w języku asemblera przygotowuje i wznawia nowy bieżący proces [12] Wątki wykonania Gdy potrzeba współbieżnych wykonań sterowania i rozwiązanie jako grupa procesów, to przy rozłącznych chronionych przestrzeniach adresowych: z punktu widzenia ochrony: zaleta, ale: chronimy się przed samym sobą, z punktu widzenia komunikacji: wada, z punktu widzenia łatwości współużytkowania zasobów: wada, z punktu widzenia wydajności: wada, chyba że równolegle. Więc może dwa sterowania spróbować zawrzeć tak jakby w jednym procesie, wtedy: z punktu widzenia ochrony: wada, ale jesteśmy autorami kodu, z punktu widzenia komunikacji: zaleta, z punktu widzenia łatwości współużytkowania zasobów: zaleta. [13] Atrybuty procesów i wątków Zarządzanie procesem Przestrzeń adresowa Wartości zmiennych globalnych Otwarte pliki Procesy potomne Alarmy Sygnały i obsługa sygnałów Informacje rozliczeniowe Zarządzanie pamięcią Licznik rozkazów Wartości rejestrów Stos Stan Wątki tego samego procesu mogą wymieniać informacje przez zwienne globalne procesu. co zrobić z wątkami w przypadku zlecenia stworzenia podprocesu, na jakim poziomie obsługiwać sygnały. 5

[1] Stos wątków Thread 2 Thread 1 Thread 3 Thread 1's stack Thread 3's stack [15] Serwer wielowątkowy Web server process Dispatcher thread Worker thread User space Web page cache space Network connection [16] Zarys algorytmów serwera wielowątkowego while (TRUE) { while (TRUE) { get_ next_ request(&buf); wait_ for_ work(&buf) handoff_ work(&buf); look_ for_ page_ in_ cache(&buf, &page); } if (page_not_in_cache(&page)) read_page_from_disk(&buf, &page); return_page(&page); } (a) (b) 6

[17] Metody konstrukcji serwerów Metody organizacji serwerów usług: serwery wielowątkowe - współbieżność, blokujące wywołania systemowe, procesy jednowątkowe - brak współbieżności, blokujące wywołania systemowe, automaty skończone - współbieżność, nieblokujące wywołania systemowe, przerwania. [18] Wątki poziomu jądra a wątki poziomu użytkownika Thread Thread User space space Run-time system Thread table table table Thread table [19] Wątki - rozwiązania hybrydowe Multiple user threads on a kernel thread User space thread space 7

[20] Architektura wielowątkowa w systemie Solaris Solaris wykorzystuje cztery rozłączne koncepcje: Procesy - standardowe procesy systemu Unix, Wątki poziomu użytkownika - zaimplementowane bibliotecznie, nierozróżnialne z punktu widzenia jądra, stanowią interfejs do współbieżności, Procesy lekkie (ang. Lightweight processes, LWP), LWP stanowi formę odwzorowania między wątkami poziomu użytkownika a wątkami jądra. każdy LWP obsługuje jeden bądź więcej wątków poziomu użytkownika odwzorowując w jeden wątek jądra, LWP rozróżniane i szeregowane przez jądro, LWP mogą być uruchomione równolegle w architekturze wieloprocesorowej, Wątki jądra podstawowe elementy szeregowane i rozmieszczane na procesorach. [21] Wątki w systemie Solaris - przykład [22] Migracja do kodu wielowątkowego 8

Thread 1 Thread 2 Time Access (errno set) Open (errno overwritten) Errno inspected [23] Prywatne zmienne globalne Thread 1's code Thread 2's code Thread 1's stack Thread 2's stack Thread 1's globals Thread 2's globals [2] Procesy obciążające procesor i we/ wy (a) Long CPU burst Short CPU burst Waiting for I/O (b) Time [25] Szeregowanie procesów Wyróżniamy następujące techniki szeregowania: 9

szeregowanie bez wywłaszczania (ang. nonpreemptive scheduling), szeregowanie z wywłaszczaniem (ang. preemptive scheduling). Różne wymagania dla różnych środowisk: przetwarzania wsadowego, systemów interaktywnych, systemów czasu rzeczywistego. [26] Cechy dobrego szeregowania Wszystkie systemy sprawiedliwość - każdemu równą część czasu CPU, zgodność z polityką - praca wedle założeń, wyrównywanie - zbliżona zajętość wszystkich części systemu. Systemy wsadowe przepustowość - maksymalizacja liczby zadań w czasie, czas w systemie - min. czasu między uruchomieniem a zakończeniem, wykorzystanie procesora - minimalizacja przerw w pracy procesora. Systemy interaktywne czas odpowiedzi - możliwie szybka odpowiedź na żądanie, proporcjonalność - spełnianie oczekiwań użytkownika. Systemy czasu rzeczywistego spełnianie wymagań - spełnianie ograniczeń czasowych, przewidywalność - np. unikanie spadku jakości w przekazie multimediów. [27] Najszybciej najkrótsza praca 8 8 A B C D B C D A (a) (b) Szeregowanie w systemach wsadowych FCFS, kolejka FIFO, (ang. First-Come First-Served), SJF, najszybciej najkrótsza praca (ang. Shortest Job First), SRTN, (ang. Shortest Remaining Time Next), 10

szeregowanie trzypoziomowe (ang. Three-Level Scheduling). [28] Szeregowanie trzypoziomowe CPU CPU scheduler Arriving job Input queue Main Memory Admission scheduler Memory scheduler Disk [29] Szeregowanie Round-Robin Current process Next process Current process B F D G A (a) F D G A B (b) Szeregowanie w systemach interaktywnych algorytm Round-Robin, szeregowanie priorytetowe, najkrótszy proces jako następny (estymacja). [30] Szeregowanie z klasami priorytetowymi Queue headers Runable processes Priority (Highest priority) Priority 3 Priority 2 Priority 1 (Lowest priority) 11

[31] Szeregowanie w systemach czasu rzeczywistego system z ograniczeniami twardymi i miękkimi, specyfika obsługi zdarzeń okresowych i nieokresowych, m i=1 C i P i 1 System rzeczywisty spełniający powyższą nierówność jest szeregowalny (ang. schedulable). C i czas wykonania zadania okresowego, P i okres wykonywania zadania okresowego. [32] Szeregowanie wątków Order in which threads run A B A B 2. Runtime system picks a thread 1 2 3 1 3 2 1. picks a process 1. picks a thread Possible: A1, A2, A3, A1, A2, A3 Not possible: A1, B1, A2, B2, A3, B3 (a) Possible: A1, A2, A3, A1, A2, A3 Also possible: A1, B1, A2, B2, A3, B3 (b) a. dla wątków poziomu użytkownika, b. dla wątków poziomu jądra. 12