Prozesse und Prozessmanagement des BS. 1 Unterschied Prozess, Threads. 1.1 Prozess. 1.2 Threads

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1 Prozesse und Prozessmanagement des BS 1 Unterschied Prozess, Threads 1.1 Prozess Bei jedem Programm muss gespeichert werden, welche Betriebsmittel (Speicherplatz, CPU- Zeit, CPU-Inhalt,...) es benötigt. Die gesamte Zustandsinformation der Betriebsmittel für ein Programm wird als eine Einheit angesehen und als Prozess (task) bezeichnet. Zu einem Prozess gehören Zustands- und Steuerinformationen. Er stellt die Hülle für ein Programm dar. 1.2 Threads Der Speicherbedarf eines Prozesses ist meist sehr umfangreich. Dies ist bei sehr vielen Prozessen meist mehr, als in den Hauptspeicher passt, sodass bis auf wenige Daten die Prozesse auf den Massenspeicher (Festplatte) ausgelagert werden müssen. Insgesamt bedeutet das eine schwere Systemlast und dauert deshalb relativ lange. Bei vielen Anwendungen werden auch keine völlig neuen Prozesse benötigt, sondern nur unabhängige Codestücke, diese werden dann von Threads abgearbeitet. Die Verwendung von Threads ermöglicht es, innerhalb eines Prozesses ein weiteres Prozesssystem aus sog. Leichtgewichtprozessen (LWP) zu schaffen. Dabei muss jedoch jeder Prozess seine eigenen Daten unabhängig vom anderen halten, das gilt auch für Leichtgewichtprozesse. Wichtigster Unterschied von Threads zu Prozessen: Prozess hat mehrer Ablauffäden Thread holt sich die Informationen vom Prozess Jeder Thread hat eigenen Ablauffaden Umschalten von Thread 1 zu Thread 2 ist viel kürzer als von einem ganzen Prozess 1

2 2 Prozesszustände Prinzipiell durchläuft ein Prozess folgende Zustände: rechenbereit, rechend, blockiert. Die Zwischenzustände können sein: nicht existent untätig (idle) angehalten (stop) im Löschungsvorgang (Zombie) Ein blockierter Prozess kann darauf warten (Wartebedingungen): aktiv den Prozessor zu erhalten, ist aber sonst bereit (ready), eine Nachricht (message) von einem anderen Prozess zu erhalten, ein Signal von einem Zeitgeber (timer) zu erhalten, Daten eines Ein/Ausgabegerätes zu erhalten (io) Alle Prozesse, die Ereignisse (z. B. gesendete Signale, Freigabe von I/O-Geräten etc.) erhalten und so entlockt werden, werden zunächst in die bereit-liste (ready-queue) verschoben und erhalten dann in dieser Reihenfolge den Prozessor. Diese Zuteilung der Prozesse nennt man Prozesscheduling. 2

3 3 Prozessscheduling Programme und Prozesse können nicht ewig existieren, sondern müssen irgendwann erzeugt und beendet werden. Prozesse verwalten sich nicht selbst, sondern sie werden von einer Instanz des Betriebssystems, dem Scheduler, von einem Zustand in den nächsten versetzt. Die Zustellung der Signale, Abspeichern der Prozessdaten und Einordnen in die Warteschlange werden von dieser zentralen Instanz erledigt, die der Benutzer nicht direkt steuern kann. Gibt es in einem System mehr Bedarf an Betriebsmitteln, als vorhanden sind, so muss der Zugriff koordiniert werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Scheduler und seine Strategie beim Einordnen der Prozesse in Warteschlangen. 3.1 Ziele des Scheduling Max CPU-Auslastung Ist die CPU das Betriebsmittel, das am wenigsten vorhanden ist, so wollen wir den Gebrauch möglichst effizient gestalten. Max Durchsatz (throughput) Zahl der Jobs pro Zeiteinheit Fair Behandlung (fairness) Kein Job sollte dem anderen bevorzugt werden, wenn dies nicht ausdrücklich vereinbart wurde. Min Antwortzeit (response time) Zeit zwischen einer Eingabe und der Übergabe der Antwortdaten an die Ausgabegeräte. 3.2 Schedulingstrategien Non-preemptives Scheduling Im einfachsten Fall können die Prozesse so lange laufen, bis sie von sich aus den Aktivzustand verlassen, die Kontrolle an andere Prozesse abgeben oder sich selbst beenden: Sie werden nicht vorzeitig unterbrochen. First Come First Serve (FCFS) Die Prozesse werden in der Reihenfolge ihres Eintreffens in die Warteschlange einsortiert. Damit kommen alle Tasks an die Reihe, egal wie viel Zeit sie verbrauchen. 3

4 Shortest Job First (SJF) Der Prozess mit der kürzesten Bedienzeit wird allen anderen vorgezogen. Lange Prozesse können möglicherweise gar nicht drankommen, wenn viele kleine Prozesse da sind. Priority Scheduling (PS) Es werden Prioritäten vergeben. Kommt ein neuer Prozess in die Warteschlange, so wird er so einsortiert, dass die Prozesse mit höchster Priorität am Anfang der Schlange stehen. Wenn Prozesse gleicher Priorität vorhanden sind, muss innerhalb dieser Prozesse die Reihenfolge nach einer anderen Strategie (z. B. FCFS) geregelt werden Preemptives Scheduling Die verfügbare Zeitspanne für das Betriebsmittel, meist die CPU, wird in einzelne, gleich große Zeitabschnitte (Zeitscheiben) aufgeteilt. Ist ein Prozess bereit, so wird er in die Warteschlange an einer Stelle einsortiert. Zu Beginn einer neuen Zeitscheibe wird der Dispatcher per Zeitinterrupt aufgerufen, der bisher laufende Prozess wird abgebrochen und wie ein neuer Bereit-Prozess in die Warteschlange eingereiht. Dann wird der Prozess am Anfang der Schlange in den Aktivzustand versetzt. Ankunft Warteschlange Abgang Prozessor Abbruch Round Robin (RR) Die einfachste und wichtigste Strategie beim Zeitscheibenverfahren ist die FCFS-Strategie mit der FIFO-Schlange. Die Kombination von FCFS und Zeitscheibenverfahren ist auch als der Round-Robin-Algorithmus bekannt. Die Antwortzeiten sind proportional zu den Bedienzeiten. 4

5 5 Zusammenfassung Non-preemptives Scheduling Die Prozesse laufen so lange, bis sie von sich aus den Aktivzustand verlassen und auf ein Ereignis warten, die Kontrolle an andere Prozesse abgeben oder sich selbst beenden. Sie werden nicht vorzeitig unterbrochen. Beispiel: Drei Prozesse haben folgende Ausführungszeiten: A = 3, B = 5, C = 1. Berechne die durchschnittliche Antwortzeit (response time = RT) und den Durchsatz. Wende die beiden wichtigsten Schedulingstrategien FCFS und SJF an. Preemptives Scheduling Jeder Job kann vorzeitig unterbrochen werden. Die CPU wird in einzelne, gleich große Zeitscheiben aufgeteilt. Wenn ein Prozess bereit ist, wird er in die Warteschlange einsortiert. Wenn eine neue Zeitscheibe beginnt wird der bisher laufende Prozess abgebrochen und wie ein neuer bereiter Prozess in die Warteschlange eingereiht Der Prozess am Anfang der Warteschlange wird in den Aktivzustand versetzt. Beispiel: Drei Prozesse haben folgende Ausführungszeiten: A = 3, B = 5, C = 1. Berechne die durchschnittliche Antwortzeit (response time = RT) und den Durchsatz. Wende die als Scheduling Strategie Round Robin (RR) an. Die Länge der Zeitscheibe ist 1. 5

6 6 Übungsaufgaben 1) Günstigere und ev. ältere Mobiltelefone und PDAs verwalten deren Prozesse mit der nonpreemptive Scheduling Strategie. Berechne für folgende Prozesse die response time (RT) und den Durchsatz (Prozesse/ms) und vergleiche die beiden Strategien FCFS und SJF: A= 3 ms, B= 7 ms, C=1 ms, D=2 ms 2) Moderne Mobiltelefone und PDAs verwalten deren Prozesse mit der preemptive Scheduling Strategie. Berechne für die Prozesse aus 1) die RT und den Durchsatz. Die Länge der Zeitscheibe ist 1 ms. 3) Berechne für ein preemptive Computersystem die RT für folgende Prozesse: A= 3 ms, B=1 ms, C=5 ms, D=2 ms. Verwende dabei die unterschiedliche Zeitscheibenlängen 1 ms, 2 ms,3 ms 4) Vergleiche bei einem non-preemtive Computersystem die beiden Scheduling Strategien FCFS und SJF für folgende Prozesse A=4 ms, B=2 ms, C=9 ms, D=3 ms anhand der RT. 5) Berechne für ein preemptive Computersystem die RT für folgende Prozesse: A= 5 ms, B=3 ms, C=4 ms, D=2 ms. Verwende dabei als Zeitscheibenlänge 1 ms und als 1 ms als context switching time. 6)Berechne den Durchsatz sowie die durchschnittliche Antwortzeit (RT) der Prozesse für das round robin Schedulingverfahren mit 3ms Zeitscheiben und 1ms context switching time: A=7 ms, B=9 ms, C=8 ms, D=3 ms, E=5 ms 6

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