PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní1
Procesy
PB153
Operační systémy a jejich
rozhraní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní2
Co je to proces
Pro spuštěný program máme řadu pojmenování
dávkové systémy: úlohy, dávky, jobs
multiprogramové systémy: procesy (processes,
tasks), vlákna (threads)
Společné pojmenování pro spuštěný program je
proces (někdy používáme synonymum task)
Dále zavádíme pojem vlákno pro ,,dílčí" proces v rámci
,,procesu"
Proces obsahuje
čítač instrukcí
zásobník
datovou sekci
program
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní3
Proces v OS
Hierarchie procesů
rodič, potomek (proces vytvořený na žádost jiného
procesu ­ rodiče)
sourozenci (procesy vytvořené jedním rodičem)
Procesy a mutiprogramování
prokládáním běhů procesů maximalizujeme využití
procesoru a minimalizujeme dobu odpovědi
procesu jsou přidělovány zdroje systému
* bereme v úvahu priority a vzájemnou výlučnost operací
* musíme zabránit ,,uváznutí" procesů (deadlock)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní4
Stavy procesu
Proces se může nacházet v jednom ze stavů:
nový (new): právě vytvořený proces
běžící (running): některý procesor právě
vykonává instrukce procesu
čekající (waiting): čeká na určitou událost
připravený (ready): čeká na přidělení času
procesoru
ukončený (terminated): ukončil své provádění
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní5
Stavy procesu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní6
Informace OS o procesu
Process Control Block -- tabulka
obsahující informace potřebné pro
definici a správu procesu
stav procesu (běžící, připravený, ...)
čítač instrukcí
registry procesoru
informace potřebné pro správu
paměti
informace potřebné pro správu I/O
účtovací informace
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní7
Přepnutí procesu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní8
Přepnutí kontextu
Vyžádá se služba, akceptuje se některé asynchronní přerušení,
obslouží se a nově se vybere jako běžící proces
Když OS přepojuje CPU z procesu X na proces Y, musí:
uchovat (uložit v PCB procesu X) stav původně běžícího procesu
zavést stav nově běžícího procesu (z PCB procesu Y)
Přepnutí kontextu představuje režijní ztrátu (zátěž)
během přepínání systém nedělá nic efektivního
Doba přepnutí závisí na konkrétní HW platformě
Počet registrů procesoru, speciální instrukce pro uložení/načtení
všech registrů procesoru apod.
Při přerušení musí procesor
* uchovat čítač instrukcí
* zavést do čítače instrukcí hodnotou adresy vstupního bodu
ovladače přerušení z vektoru přerušení
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní9
Fronty plánování procesů
Fronta úloha
seznam všech procesů v systému
Fronta připravených procesů
seznam procesů uložených v hlavní paměti a připravených k běhu
Fronta na zařízení
seznam procesů čekajících na I/O operaci
Fronta odložených procesů
seznam procesů čekajících na přidělení místa v hlavní paměti
Fronta na semafor
seznam procesů čekajících na synchronizační událost
...
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní10
Příklad: fronty procesů
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní11
Strategický plánovač
Obecně nemusím mít všechny úlohy, které chci
spustit, v operační paměti
Fronta všech úloh může být značně dlouhá a plánovač
musí rozhodnout, které úlohy zavést do paměti a
spustit
Toto je úkol dlouhodobého (strategického) plánovače
vybírá který proces lze zařadit mezi připravené
procesy
plánovač je spouštěn je relativně málo často ­ typicky
při ukončení jednoho procesu rozhodne, kterou úlohu
dále vybrat k zavedení do paměti a spuštění
nemusí být super rychlý
určuje stupeň multiprogramování
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní12
Krátkodobý plánovač
Přiděluje procesor připraveným procesům
Je spouštěn často (např. každých 10ms)
Proto musí být rychlý
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní13
Odkládání procesů
Každý proces musíme jednou zavést do RAM
alespoň částečně (část může zůstat na disku a
dohrána on-demand ­ viz některé optimalizace)
Příliš mnoho procesů v RAM však snižuje
výkonnost i při využití virtuální paměti
OS musí provádění některých procesů odložit -
,,vrátit" na disk
Dva nové stavy
odložený čekající
odložený připravený
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní14
Střednědobý plánovač
Střednědobý (taktický) plánovač
vybírá který proces lze zařadit mezi odložené procesy
vybírá který odložený proces lze zařadit mezi připravené
procesy
Náleží částečně i do správy hlavní paměti
kapacita FAP je omezená a odložené procesy uvolňují paměť
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní15
Vytvoření procesu
Rodič vytváří potomky (další procesy)
Potomci mohou vytvářet další potomky ...
Vzniká strom procesů
Sdílení zdrojů ­ varianty při vytváření potomků
rodič a potomek sdílejí zdroje původně vlastněné rodičem
potomek sdílí rodičem vyčleněnou podmnožinu zdrojů s rodičem
potomek a rodič jsou plně samostatné procesy, nesdílí žádný
zdroj
Běh
rodič a potomek mohou běžet souběžně
rodič čeká na ukončení potomka
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní16
Ukončení procesu
Proces provede poslední příkaz a sám požádá OS o ukončení
výstupní data procesu se předají rodiči (pokud o to má zájem např.
čeká na ukončení potomka voláním wait)
zdroje končícího procesu se uvolňují operačním systémem
O ukončení procesu žádá jeho rodič (nebo jiný proces s
dostatečnými právy), protože např.:
potomek překročil stanovenou kvótu přidělených zdrojů
úkol přidělený potomkovi rodič již dále nepotřebuje
rodič končí svoji existenci a nebylo povoleno, aby potomek přežil
svého rodiče
* může docházet ke kaskádnímu ukončování (ukončí se celá větev
stromu procesů)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní17
Kooperující procesy
Nezávislé procesy
nemohou se vzájemně ovlivňovat
Kooperující procesy
mohou ovlivňovat běh jiných procesů nebo jiné procesy mohou
ovlivňovat jejich běh
Přínosy kooperace procesů
sdílení informací
urychlení výpočtů
modularita
pohodlí při programování
Příklady typových úloh kooperace
producent ­ konzument
klient ­ server
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní18
Příklad: MS-DOS
Neumožňuje spouštět procesy paralelně (singletaskingový
systém)
Služby OS
spusť proces a čekej na ukončení potomka (služba
4bh int21h)
ukonči proces (služba 00 int21h nebo služba 4ch
int21h nebo int20h)
zjisti návratovou hodnotu ukončeného procesu
(služba 4dh int21h)
ukonči proces, ale neuvolňuj paměť ­ (terminate, but
stay resident) ­ TSR (služba 31h int21h nebo int 27h)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní19
Příklad: MS-DOS (2)
Popisovač procesu (Program Segment Prefix)
Offset Size Contents
+0 2 EXE programs may JMP or RET here (PSP:0) to exit
+2 2 top of available system memory in paragraphs
+4 1 (reserved)
+5 5 FAR CALL to DOS function dispatcher
+6 (2) bytes available in Program Segment (for COM file only)
+0aH 4 Terminate address. See INT 22H
+0eH 4 Ctrl-Break handler address INT 23H
+12H 4 Critical Error handler addr INT 24H
+16H 16H DOS reserved area
+2cH 2 Segment address of DOS environment
+2eH 2eH DOS reserved area
+5cH 10H setup as an FCB for 1st cmd parameter
+6cH 14H setup as an FCB for 2nd cmd parameter
+80H 1 count of characters in UPA at 81H also offset of default DTA
+81H 7fH characters from DOS command line (except any redirection directives)
100H Program Segment Prefix size
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní20
Příklad: UNIX
OS s preemptivním multitaskingem
Služby OS
fork ­ vytvoří nový proces jako kopii rodiče
execve ­ nahradí současný proces spuštením
jiného programu
exit (resp. _exit) ­ ukončí proces
wait, waitpid ­ čeká na ukončení potomka
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní21
Příklad: UNIX (2)
Spuštění procesu a vyčkání na jeho ukončení
pid=fork();
if(pid<0) { perror("fork failed");
exit(1); }
else if(pid==0) { /* child */
execlp("/bin/ls","ls",NULL); }
else { /* parent */
wait(NULL);
printf("child completed");
exit(0);
}
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní22
Příklad: Linux
volání fork() implementováno jako copy-on-write (tj.
dokud paměť není měněna je sdílena a až při
pokusu o modifikaci je vytvořena kopie)
vfork ­ upravené fork, které nekopíruje stránky
paměti rodičovského procesu
rychlejší
vhodné pro okamžité spuštění execve
clone ­ upravené fork, které umožňuje sdílet
některé zdroje (například paměť, deskriptory
souborů, ovladače signálů) mezi rodičovským a
nově vytvořeným procesem.
Informace o procesu jsou uloženy ve struktuře
task_struct (viz usr/include/sched.h)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní23
Příklad: Linux (2)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní24
Příklad: Win32
Služby OS
CreateProcess ­ vytvoří nový proces (spustí
specifikovaný program)
OpenProcess ­ pro získání přístupu k existujícímu
procesu
ExitProcess ­ ukončí tento proces
TerminateProcess ­ ukonči nějaký (např. synovský)
proces
GetExitCodeProcess ­ zjisti návratovou hodnotu
ukončeného procesu (nebo fakt, že proces ještě
neskončil)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní25
Příklad: Win32 (2)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Příklad: Win32 (3)
Values for the Thread Wait Reason counter
0 Waiting for a component of the Windows NT Executive
1 Waiting for a page to be freed
2 Waiting for a page to be mapped or copied
3 Waiting for space to be allocated in the page or nonpaged pool
4 Waiting for an Execution Delay to be resolved
5 Suspended
6 Waiting for a user request
7 Waiting for a component of the Windows NT Executive
8 Waiting for a page to be freed
9 Waiting for a page to be mapped or copied
10 Waiting for space to be allocated in the page or nonpaged pool
11 Waiting for Execution Delay to be resolved
12 Suspended
13 Waiting for a user request
14 Waiting for an event pair high
15 Waiting for an event pair low
16 Waiting for an LPC Receive notice
17 Waiting for an LPC Reply notice
18 Waiting for virtual memory to be allocated
19 Waiting for a page to be written to disk
20+ Reserved