Betriebssysteme. Wintersemester Kapitel 2 Prozess und Threads. Patrick Kendzo

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1 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Kapitel 2 Prozess und Threads Patrick Kendzo ppkendzo@gmail.com

2 Programm Inhalt Einleitung Prozesse und Threads Speicherverwaltung Ein- / Ausgabe und Dateisysteme Zusammenfassung + Klausurvorbereitung 2 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

3 Wiederholung Bedingungen für das Eintreten von Verklemmungen (1) Verklemmungen werden (immer) im Zusammenhang mit Betriebsmitteln betrachtet Betriebsmitteln sind dabei Objekte, die unter gegenseitigem Ausschluss benutzt werden Bedingungen, damit es zu einer Verklemmung kommen kann: Die Betriebsmitteln sind nur unter gegenseitigem Ausschluss nutzbar Exklusive Benutzung Betriebsmitteln, die benutzt werden, können dem benutzenden Prozess/Thread nicht entzogen werden Prozess/Thread besitzt bereits Betriebsmittel und fordert weitere an 3 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

4 Wiederholung Bedingungen für das Eintreten von Verklemmungen (2) Bedingungen für eine vorhandene Verklemmung: Es existiert eine zyklische Kette von Threads, von denen jeder mindestens ein Betriebsmittel besitzt, dass der nächste Thread in der Kette benötigt (Zyklisches Warten) Darstellung des zyklisches Wartens erfolgt anhand eines Betriebsmittelgrafen Ein Betriebsmittelgraf stellt die Belegungs- und Anforderungssituation von Betriebsmitteln grafisch dar In allen bis jetzt in den Vorlesungen geschilderten Verklemmungsbeispiele waren jeweils alle vier Bedingungen erfüllt 4 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

5 Vermeidung von Verklemmungen (1) Die vier Bedingungen, die genau dann gelten, wenn eine Verklemmung vorliegt, geben Hinweise, wie Verklemmungen vermieden werden können. Also: Keine Verklemmung, wenn eine der Bedingung nicht gilt Gegenmaßnahme Bedingung 1: Es lässt sich hier nichts ändern. Denn in vielen Fällen ist der gegenseitige Ausschluss notwendig! Bedingung 2: Von Zeit zu Zeit wird überprüft, ob Verklemmung vorliegt. Trifft es zu, werden Prozesse/Threads Betriebsmitteln entzogen. Betriebsmittelentzug kann z.b. durch Abbrechen von Prozessen/Threads realisiert werden 5 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

6 Vermeidung von Verklemmungen (2) Gegenmaßnahme (continued) Bedingung 3: Ein Prozess/Thread darf nur Betriebsmitteln anfordern, wenn er keine Betriebsmittel besitzt. Anforderung von Betriebsmitteln auf einen Schlag Implementierung mit Hilfe einer Semaphorengruppe Bedingung 4: Damit keine zyklischen Wartebeziehungen entstehen, fordern Prozesse/Threads Betriebsmitteln in einer bestimmten Reihenfolge an Anforderung von Betriebsmitteln gemäß einer vorgegebenen Ordnung Einem Prozess/Thread, der Betriebsmitteln des Typs s anfordert, dürfen zu diesem Zeitpunkt nur Betriebsmitteln der Typen t < s zugeteilt sein Beim Anfordern von Betriebsmitteln wird anhand einer Bedarfsanalyse untersucht, ob es im Worst Case bei Erfüllung dieser Forderung zu einer Verklemmung kommen könnte (s. nächste Folie) Nur wenn es im Worst Case nicht zu einer Verklemmung kommen kann, wird die Anforderung erfüllt 6 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

7 Vermeidung von Verklemmungen durch Bedarfsanalyse (1) Mit dieser Technik dürfen Prozesse/Threads Betriebsmitteln (BM) anfordern, auch wenn ihnen bereits welche zugewiesen worden sind. Außerdem muss keine bestimmte Reihenfolge beim Anfordern eingehalten werden. Vorrausetzung: Von jedem Prozess/Thread muss im Voraus bekannt sein, wie viele Exemplare von jedem BM-Typen sie höchstens brauchen Bei jeder Anforderung Verklemmungsgefahr prüfen: Falls Gefahr besteht, Anforderung nicht erfüllen Annahme: Maximaler Betriebsmittelbedarf jedes Threads bekannt 7 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

8 Vermeidung von Verklemmungen durch Bedarfsanalyse (2) Beispiel (Betriebsmittelbelegungen) Bei jeder Anforderung Verklemmungsgefahr prüfen: Falls Gefahr besteht, Anforderung nicht erfüllen Annahme: Maximaler Betriebsmittelbedarf jedes Threads bekannt Ein Belegungszustand ist sicher, falls es eine Folge von Belegungen gibt, so dass jeder Prozess/Thread seine Restforderungen erfüllt bekommt, damit er zu Ende laufen kann und alle belegten Betriebsmitteln freigibt, die anschließend vom nächsten Prozess/Thread benutzt werden können 8 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

9 Vermeidung von Verklemmungen durch Bedarfsanalyse (3) Obiges Beispiel: (Belegung ist sicher) 9 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

10 Vermeidung von Verklemmungen durch Bedarfsanalyse (4) Unsichere Zustände können zu Verklemmungen führen, müssen aber nicht Obiges Beispiel: A fordert zunächst ein weiteres Exemplar an, falls gewähr Belegung ist unsicher Zwar kann B zu Ende laufen, falls dann aber A und C beide ihre maximale Restforderung stellen, so tritt ein Verklemmungszustand ein 10 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

11 Vermeidung von Verklemmungen durch Bedarfsanalyse (5) Das Verfahren der Bedarfsanalyse wird in der Literatur auch Bankier- Algorithmus genannt. Bankier-Algorithmus zur Zuteilung von Betriebsmitteln Algorithmus prüft, ob bei Gewährung der Anforderung der Belegungszustand noch sicher ist. (Es müssen nicht alle möglichen Belegungsfolgen (Anzahl = n!) getestet werden, sondern sobald die bis jetzt gefundene Folge nicht weiter fortgesetzt werden kann, hat man unsicheren Zustand entdeckt) Falls ja Zuteilung Falls nein Keine Zuteilung 11 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

12 Vermeidung von Verklemmungen durch Bedarfsanalyse (6) Verallgemeinerung auf mehrere Betriebsmitteltypen Beispielbelegung ist sicher, da es Folge von sicheren Belegungen gibt A - C- B 12 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

13 Prozessorzuteilungsstrategie: CPU-Scheduling (1) Nur relevant für die Zustandsübergänge "bereit <=> rechnend" (zuordnen und verdrängen) Nächster Thread, der in den Zustand rechnend überführt werden soll: Auswahl nur unter der Menge der bereiten Threads CPU-Scheduling entspricht Zuteilung von Rechenzeit an ablaufbereiten Prozessen/Threads Bei Vergabe von CPU-Zeiten, werden folgende Ziele angestrebt: Fairness, d.h. für jeden Prozess eine garantierte Mindestzuteilung Effizienz, durch möglichst volle Auslastung der CPU Minimierung der Antwortzeit sowie Minimierung der Wartezeiten von Prozessen Optimierung des Durchsatzes Minimierung der Durchlaufzeit eines Prozesses 13 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

14 CPU-Scheduling (2) Zwei Klassen von Scheduling-Verfahren: 1) Nicht verdrängende Verfahren (non-preemptive) In non-preemptive (run-to-completion) Verfahren, darf ein Prozess/Thread nicht unterbrochen werden, bis er seien Aufgabe vollständig erledigt hat (z.b. MS-DOS) Zustandswechsel "rechnend => bereit" (verdrängen) nur durch expliziten Aufruf einer Methode bzw. Prozedur des zu verdrängenden Threads in Klasse Thread von Java: public static void yield(); 2) Verdrängende Verfahren (preemptive) Im Gegensatz dazu darf im preemptive Verfahren eine Vorrang-Unterbrechung stattfinden Zustandswechsel "rechnend => bereit" (aufgeben) auch ohne Dazutun des zu verdrängenden Threads möglich (z.b. beim Starten, Deblockieren, bei Prioritätenänderung anderer Threads) oder nach Ablauf einer gewissen Zeit (zeitgesteuertes Umschalten) 14 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

15 Beispiele von Scheduling-Verfahren: 1) Nicht verdrängend CPU-Scheduling (3) First Come First Serve (FCFS): Bearbeitet die im System ankommenden Aufträge in der Reihenfolge ihres Eintreffens Shortest Job First (SJF): Sucht sich den Job bzw. Prozess/Thread aus, von dem die kürzeste Bedienzeit erwartet wird 2) Verdrängend Round Robin (RR): Ähnlich dem Ansatz des FCFS-Verfahrens in Verbindung mit einer Zeitleiste Für RR sind alle Prozesse gleich wichtig Jeder Prozess hat ein bestimmtes (gleiches) Quantum (Zeitscheibe oder engl. time slice) Ist Quantum abgelaufen, wird der Prozess unterbrochen und ein anderer Prozess erhält die CPU Dadurch zyklische CPU-Zuteilung Länge der Zeitscheibe von enormen Bedeutung für die Leistung des Systems 15 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

16 CPU-Scheduling (4) Round Robin - Wahl des Zeitquantums: Wahl zu klein Schlechte Effizienz, da Anteil des Kontextwechsels relativ hoch Wahl zu groß Schlechtes, träges Reagieren, da lange Wartezeit, bis Thread den Prozessor erhält Typische Werte: msecs (Zeit für einen Kontextwechsel Mikrosekunden) Für weitere Scheduling-Verfahren siehe Mandl, Grundkurs Betriebssysteme S.109ff. 16 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

17 Priorität für Prozesse/Threads: CPU-Scheduling (5) Jede Prozess/Thread hat eine Priorität, die bei jeder Prozessorzuteilungsstrategien berücksichtigt wird Mehrere Möglichkeiten zur Festlegung von Prioritäten: Statisch (durch Anwendung): Einmal festgelegt, kann es zur Laufzeit nicht mehr verändert werden Dynamisch (durch Betriebssystem) Mischformen Probleme bei Prioritätengesteuertem Scheduling Wenn dauernd Prozesse mit höher Priorität im System sind, werden Prozesse mit niedriger Priorität vernachlässig und müssen verhungern (engl. Starvation) Lösung: Vorbeugung durch kurzeitige, dynamische Erhöhung der Priorität für benachteiligte Prozesse 17 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo