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1 Kapitel 4 Prozesse Seite 1 4 Prozesse 4.1 Prozeßkonzept Prozess- ein Programm in Ausführung Die Ausführung geschieht über die sequentielle Abarbeitung der Instruktionen. Üblicher Start: über eine Kommandozeileneingabe (Dialog) oder über eine Jobeingabe (Batch) oder Mausklick. Das Bedienprogramm zb Shell ruft eine Systemfunktion "Starte Prozeß" auf. Ein Prozess besteht aus folgenden Komponenten: Prozesssteuerblock (ProcessControlBlock, PCB) oder Prozessdeskriptor Datenstruktur zur Verwaltung eines Prozesses Programmadresse: Zeiger auf einen im Speicher geladenen Programmtext Programmtext im Speicher Stack Datenteil Daten im Speicher

2 Kapitel 4 Prozesse Seite 2 Der Prozess innerhalb der wichtigen Komponenten eines Betriebssystems. Programm Prozess Prozessumgebung Hardware, Systemfunktionen, Systemdienste Dateisystem Deadlock Schutzmechanismen Prozessdeskriptor Geräte- Speicher- Synchronisation Manager Manager Scheduler Resourcemanager Geräte Speicher CPU Resourcen andere Resourcen

3 Kapitel 4 Prozesse Seite 3 Wie wird verwaltet? Wie üblich: Verwaltungsfelder Tabellen Listen Prozessdeskriptor - Information, die zur Verwaltung eines Prozesses benötigt wird. Prozeßzustand Programmadresse CPU-Register Information für den CPU-Scheduler Information der Speicherverwaltung Informationen zur Betriebsmittelvergabe und Abrechnung Information zum I/O-Status 4.2 Adressraum eines Prozesses Menge der Adressen der dem Prozess zur Verfügung stehenden Speicherfelder. Die Speicherfelder werden benötigt, um den Programmtext, die Datenfelder, den Stack des Prozesses im Hauptspeicher unterzubringen.

4 Kapitel 4 Prozesse Seite 4 Adressraum des Prozesses - ein Überblick Prozess Adressraum (Adressen des Prozesses) Hauptspeicher andere Objekte Wie entsteht der Adressraum? Dieser Vorgang läuft mit der Programmverarbeitung ab: Programmtext editieren. Übersetzen. Binden (Link). Programmaufruf zur Ausführung. Ausführung.

5 Kapitel 4 Prozesse Seite 5 Quellmodule Compiler Objektmodule - Adressraum verschiebbar Linker Absolutes Image in exe-datei Programm Lader Image im Speicher Bei Windows und Linux steht dem Prozess ein logischer und virtueller Adressraum zur Verfügung. Das Betriebssystem und die Hardware stellen einen Abbildungsmechanismus zur Verfügung, der die logischen Adresse in die physikalische Adressen des Hauptspeichers umwandelt.

6 Kapitel 4 Prozesse Seite 6 Speicherhierarchie EAX IP Adressregister EBX Flags EDI Register der CPU Hauptspeicher Primärer Speicher Massenspeicher Sekundärer Speicher Die Speicherhierarchie Dateien im Sekundärspeicher Prozesskomponenten im Hauptspeicher Temporäre Daten und Instruktionen in Registern der CPU Diese drei Speicher sind beim Programmieren sichtbar (die Registerebene mit Hilfe des Compilers). Es gibt noch weitere Speicherebenen, die aber nicht sichtbar für die Programme sind (L1-Cache, L2-Cache).

7 Kapitel 4 Prozesse Seite 7 Die dauerhaften Daten liegen im Sekundärspeicher. Das Programm hat dafür zu sorgen, dass die dauerhaft zu haltenden Daten aus den anderen Speicherebenen dauerhaft in den Sekundärspeicher geschrieben werden. Der Übergang Register zum Hauptspeicher geschieht mit Hilfe des Compilers, der Programmierer hat damit i.a. nichts zu tun. Das Schreiben in den Sekundärspeicher hat aber der Programmierer zu veranlassen. Stürzt der Prozess ab oder ist das Programm fehlerhaft, so kann ein inkonsistenter Datenzustand (unstimmiger Datenzustand) entstehen. 4.3 CPU-Ablaufplanung (Scheduling) Die verschiedenen Prozesse: Konkurrenz um die Resourcen! Im Zeitablauf der Ausführung kann ein Prozeß folgende Zustände einnehmen: neu: Der Prozeß wird erstellt. aktiv (running): Instruktionen werden ausgeführt. wartend (waiting, blockiert): Der Prozeß wartet auf ein Ereignis (z.b. Ende einer Ein- oder Ausgabe). bereit (ready): Der Prozeß wartet auf die Zuweisung an einen Prozessor (CPU). beendet (terminated): Der Prozeß hat die Ausführung beendet. Prozeßlisten Bereitliste - Liste aller bereiten Prozesse Wartelisten I/O-Warteliste - einem Gerät zugeordnet, Liste der Prozesse, die auf ein I/O- Ende des Gerätes warten. Ereignisliste - Liste der Prozesse, die auf das Ereignis warten.

8 Kapitel 4 Prozesse Seite 8 Zweistufige CPU-Planung CPU-Entzug (Preemption) Langzeitplanung Kurzzeitplanung Ende Bereitliste CPU I/O läuft I/O Warteliste Kurzzeitplanung: Prozesse im Hauptspeicher Verwaltung der CPU-Zeit! Die Kurzzeitplanung wird sehr oft aufgerufen: Liegt im Millisekundenbereich, muß schnell sein. Langzeitplanung: Starten neuer Prozesse, Aus- und Einlagern von Prozessen Manipulation der Bereit-Listen Verplanung der Betriebsmittel Die Langzeitplanung wird weniger oft aufgerufen: Sekunden-, Minutenbereich. Die Langzeitplanung legt den Grad des Mehrprogrammbetriebs fest (Zahl der Prozesse). Klasseneinteilung von Prozessen: I/O-intensiv: Die meiste Zeit wird I/O durchgeführt, dazwischen viele kurze CPU-Bursts. CPU-intensitiv: Die meiste Zeit werden Berechnungen durchgeführt, wenige, lange CPU-Bursts.

9 Kapitel 4 Prozesse Seite Operationen auf Prozessen Kontext-Umschaltung Wenn die CPU auf einen anderen Prozeß umschaltet, muß der Zustand des geräumten Prozesses abgespeichert werden. Der anderswo abgespeicherte Zustand des neuen Prozesses muß geladen werden. Da diese Umschaltung ein Systemoverhead ist, muß dafür gesorgt werden daß a) sie nicht zu oft auftritt und b) nicht zu lange dauert. Prozeß-Erstellung Bei der Prozesserstellung muss das Betriebssystem den Adressraum für den Prozess einrichten, den Programmtext laden. Beispiel UNIX - Der Child-Adreßraum besteht aus deinem Duplikat des Parent. - In den Child-Adreßraum wurde bei der Erstellung ein Programm geladen. - Ein fork System-Call erstellt durch Duplizieren einen Child-Prozeß. - Ein execve System-Call lädt nach dem fork ein neues Programm in den Adreßraum. Beispiel Windows NT - Die Windows API stellt die Funktion BOOL CreateProcess ( ) zur Verfügung. Wichtigstes Argument ist der (Pfad)name der auszuführenden Programmdatei. Schema der normalen Programmausführung Es gibt mindestens einen Prozeß, der mit dem Systemstart eingerichtet wird und mit dem Systemende beendet wird. Seine Struktur besteht aus einer Endloschleife. Bei jedem Durchlauf wird eine Programmausführung als Child-Prozeß erstellt und nach dem Ablauf gelöscht.

10 Kapitel 4 Prozesse Seite 10 Für die Prozeßoperationen ruft dieser Prozeß die zur Verfügung stehenden Systemfunktionen auf. Beispiele für die Parent -Prozesse der Anwendungen MS-DOS: "Command.com"-Prozeß UNIX: "Root"-Prozeß, Shell-Prozesse Windows: Programm-Manager SYSTEMFUNKTIONEN Systemaufrufe Systemprozeß (Parent) Childprozeß 1 eine Programmausführung 2 1 Prozeßerstellung 2 Synchronisation Prozeßende 4.5 Zusammenarbeit von Prozessen Ein unabhängiger Prozeß wird von anderen Prozessen in seinem Ablauf nicht beeinflußt - außer evtl. in der Ausführungszeit, wenn ein Warten auf Resourcen diese verlängert. Zusammenarbeitende Prozesse können sich gegenseitig beeinflussen - ähnlich wie der Ablauf von Funktionen durch Argumente gesteuert wird.

11 Kapitel 4 Prozesse Seite 11 Beispiele für zusammenarbeitende (kooperierende) Prozesse: Kooperation über Betriebsmittel Standardproblem Produzent - Konsument Ein Hauptkonstrukt für kooperierende Prozesse. Der Produzent produziert Information, der Konsument konsumiert die Information. Klassische Lösung mit einem Prozeß, strukturiert mit Funktionen. main() produziere() produziere() konsumiere() konsumiere() Lösung mit mehreren Prozessen Produzent Konsument produziere konsumiere Puffer Für die Kooperation wird ein Puffer benötigt. Ein unbegrenzter Puffer setzt kein Limit bzgl. der Puffergröße. Ein begrenzter Puffer geht von einer bestimmten Puffergröße aus.

12 Kapitel 4 Prozesse Seite 12 Kommunikation zwischen Prozessen Client/Server-Beziehung Der Serverprozeß erstellt die Kommunikationseinrichtung.und wartet auf Anfragen. Der Clientprozeß hängt sich in die Kommunikationseinrichtung ein, stellt eine Anfrage. Der Server führt die vom Client gestellte Aufgabe aus und sendet dem Client i.a. eine Antwort. Client Server 1 Internet (HTML)- Internet- Anforderung eines server Browser Dokumentes Lieferung des Dokumentes 2 Der Client wendet sich an den Server, der Server reagiert auf die Anforderung des Client. Danach findet eine symmetrische Kommunikation statt. 4.6 Threads Ein Thread ( oder ein leichtgewichtiger Prozeß, deutsch: Faden bessere Bezeichnung: Ablaufbahn) ist eine Basiseinheit der Programmausführung durch die CPU. Er besteht aus: Instruktionenadresse Registersatz Stack Ein Prozess ist die organisatorische Hülle für die Threads der Programmausführung. Ein Prozess besitzt mindestens einen Thread.

13 Kapitel 4 Prozesse Seite 13 Ein Thread teilt mit seinen zugeordneten Threads den Programmtext die Daten die vom System zugewiesenen Betriebsmittel (außer CPU-Zeit) zusammen als Prozess oder Task bezeichnet Prozess: hier mit nur einem Thread Funktion main() call f Funktion f ( ) Ausführungsbahn return Prozess: hier mit 2 Threads Funktion main() CreateThread f Funktion f ( ) zeitlich parallel ThreadEnde WarteThreadEnde Meldung (Signal)

14 Kapitel 4 Prozesse Seite 14 Ein klassischer oder schwergewichtiger Prozeß ist gleich einem Prozeß mit einem Thread. Warum Threads? Hilfmittel zur Programmstrukturierung. Man kann Parallelität bei der Programmausführung einfacher formulieren, da das Betriebssystem zusätzliche Dienste zur Verfügung stellt. Laufzeitverbesserung. Wenn ein Prozeß auf ein Ereignis oder auf eine I/O wartet, so kann keine weitere Aktion in dieser Zeit von ihm durchgeführt werden. Ist er in Thread unterteilt, so kann ein Thread warten, während andere Threads weitere Aktionen ausführen. SERVER Serverprozeß CLIENTS Thread 1 für Anforderung von \\1\a \\1\a Thread 2 für Anforderung von \\2\x NETZ \\2\x Thread 3 für Anforderung von \\3\pp Thread 4 für zentrale Netzanbindung Datenpakete \\3\pp im Netz Thread 4 holt aus dem Netz die Datenpakete und übergibt die Antwortpakete an das Netz. Bearbeitet werden die Anforderungen der einzelnen Clients von zugeordneten Threads weitgehend unabhängig voneinander. Datenpaket zum Server: \\Server\3 \\2\x Verwaltung D A T E N Verwaltung Adresse Absender

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