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 operační 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 nebo OS), 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
(CreateProcess)
STARTUPINFO si;
PROCESS_INFORMATION pi;
ZeroMemory( &si, sizeof(si) );
si.cb = sizeof(si);
si.dwX = GetSystemMetrics(SM_CXFULLSCREEN) / 2;
si.dwY = GetSystemMetrics(SM_CYFULLSCREEN) / 2;
si.dwFlags= STARTF_USEPOSITION;
ZeroMemory( &pi, sizeof(pi) );
if(!CreateProcess(L"c:\\windows\\system32\\sol.exe", NULL, NULL, NULL, FALSE, 0, NULL,
NULL, &si, &pi))
{
printf( "CreateProcess failed (%d)\n", GetLastError() );
getch();
return;
}
WaitForSingleObject( pi.hProcess, INFINITE );
CloseHandle( pi.hProcess );
CloseHandle( pi.hThread );
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Příklad: Win32
(EnumProcesses)
DWORD aProcesses[1024], cbNeeded, cProcesses;
if ( EnumProcesses( aProcesses, sizeof(aProcesses),
&cbNeeded ) )
{
cProcesses = cbNeeded / sizeof(DWORD);
for (int i = 0; i < cProcesses; i++ )
if( aProcesses[i] != 0 )
VypisProces( aProcesses[i] );
}
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní27
Příklad: Win32
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní28
Příklad: Win32
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