PB153
OPERAČNÍ SYSTÉMY
A JEJICH ROZHRANÍ
1/29
A JEJICH ROZHRANÍ
Procesy
05
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)
CO JE TO PROCES
2/29
Dále zavádíme pojem vlákno pro „dílčí“ proces v rámci
„procesu“
Proces obsahuje
● čítač instrukcí
● zásobník
● datovou sekci
● program (instrukční sekce)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
Hierarchie procesů
● rodič, potomek (proces vytvořený na žádost jiného
procesu – rodiče)
● sourozenci (procesy vytvořené jedním rodičem)
Procesy a mutiprogramování
PROCES V OS
3/29
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 ROZHRANÍ
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
STAVY PROCESU
4/29
● čekající (waiting): čeká na určitou událost
● připravený (ready): čeká na přidělení času procesoru
● ukončený (terminated): ukončil své provádění
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
STAVY PROCESU
new terminatedadmitted
interrupt
exit
5/29PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
ready running
waiting
I/O or event completion I/O or event wait
scheduler dispatch
Process Control Block --
tabulka obsahující
informace potřebné pro
definici a správu procesu
● stav procesu (běžící,
připravený, …)
INFORMACE OS O PROCESU
pointer
process
state
process number
process counter
6/29
připravený, …)
● čítač instrukcí
● registry procesoru
● informace potřebné pro
správu paměti
● informace potřebné pro
správu I/O
● účtovací informace
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
registers
memory limits
list of open files
PŘEPNUTÍ PROCESU
save state into PCB0
operating system
reload state from PCB
process P0 process P1
interrupt or system call
idle
executing
7/29PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
reload state from PCB1
save state into PCB1
reload state from PCB0
idle
idle
executinginterrupt or system call
executing
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)
PŘEPNUTÍ KONTEXTU
8/29
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 ROZHRANÍ
Fronta úloha
● seznam všech procesů v systému
Fronta připravených procesů
● seznam procesů uložených v hlavní paměti a připravených k běhu
Fronta na zařízení
FRONTY PLÁNOVÁNÍ PROCESŮ
9/29
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 ROZHRANÍ
PŘÍKLAD: FRONTY PROCESŮ
head
tail
head
tail
ready
queue
mag
mag
tape
unit 1
registers
PCB7
registers
PCB2
queue header
10/29PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
head
tail
head
tail
head
tail
terminal
unit 0
disk
unit 0
mag
tape
unit 1
PCB3 PCB14 PCB6
PCB5
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
STRATEGICKÝ PLÁNOVAČ
11/29
Toto je úkol dlouhodobého (strategického) plánovače
● vybírá který proces lze zařadit mezi připravené procesy
● plánovač je spouštěn 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 ROZHRANÍ
Přiděluje procesor připraveným procesům
Je spouštěn často (např. každých 10ms)
Proto musí být rychlý
KRÁTKODOBÝ PLÁNOVAČ
ready queue CPU
12/29PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
I/O queue I/O request
time slice
expired
fork a child
wait for a
interrupt
child
executes
intercept
occurs
I/O
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
ODKLÁDÁNÍ PROCESŮ
13/29
OS musí provádění některých procesů odložit --
„vrátit“ na disk
Dva nové stavy
● odložený čekající
● odložený připravený
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
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
STŘEDNĚDOBÝ PLÁNOVAČ
14/29PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
CPUready queue
I/O
I/O waiting
queues
partialy executed
swapped-out process
swap in swap out
end
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
VYTVOŘENÍ PROCESU
15/29
● 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 ROZHRANÍ
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.:
UKONČENÍ PROCESU
16/29
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 ROZHRANÍ
Nezávislé procesy
● nemohou se vzájemně ovlivňovat
Kooperující procesy
● mohou ovlivňovat běh jiných procesů nebo jiné procesy mohou
ovlivňovat jejich běh
Přínosy kooperace procesů
KOOPERUJÍCÍ PROCESY
17/29
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 ROZHRANÍ
Neumožňuje spouštět procesy paralelně (singletaskingový
systém)
Služby OS
● spusť proces a čekej na ukončení potomka (služba 4bh
int21h)
PŘÍKLAD: MS-DOS
18/29
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 ROZHRANÍ
Popisovač procesu (Program Segment Prefix)
PŘÍKLAD: MS-DOS (2)
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
19/29PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
+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
OS s preemptivním multitaskingem
Služby OS
● fork – vytvoří nový proces jako kopii rodiče
● execve – nahradí současný proces spuštěním jiného
PŘÍKLAD: UNIX
20/29
programu
● exit (resp. _exit) – ukončí proces
● wait, waitpid – čeká na ukončení potomka
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
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
PŘÍKLAD: LINUX
21/29
● 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 include/linux/sched.h)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
PŘÍKLAD: LINUX (2)
1
6
zombie
interrupt &
return
sys call or
interrupt &
return
running in
user mode
context switch
22/29PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
2
4 3
5
sleeping
wakeup
ready to run
fork ()
new process
running in
kernel mode
sleep
context switch
in/out
Služby OS
● CreateProcess – vytvoří nový proces (spustí
specifikovaný program)
● OpenProcess – pro získání přístupu k existujícímu
procesu
PŘÍKLAD: WIN32
23/29
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 ROZHRANÍ
PŘÍKLAD: WIN32
Initialized
Waiting ReadyTerminated
Reinitialise Place in ready queue
Create and initialize
thread object
Thread
waits on
Wait is complete
24/29PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
Running
Transition
Standby
Context-switch to it and start ist
execution (dispatching)
Execution
completes
Preempt
Select for
execution
waits on
an object
handle
Kernel stack
outswapped
Preempt (or time
quantum ends)
Výukovou pomůcku zpracovalo
Servisní středisko pro e-learning na MU
http://is.muni.cz/stech/
25/29PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ