Kap. 2. Prozesse. Version vom Kap. 2 - Inhalt. Definition Prozeßzustände Threads Scheduling Beispiele. Folie 2

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1 Kap. 2 Prozesse Version vom Kap. 2 - Inhalt Definition Prozeßzustände Threads Scheduling Beispiele Folie 2

2 Definition I - Woraus bestehen Prozesse? Prozeß ist ein Programm in seiner Ausführung, d.h. besteht aus Programmdaten und Prozeßkontext Prozeß Prozeßkontext Daten CPU MMU Register Register Programm Zugriffs- Kernel- Dateiinfo, Stack rechte stack Folie 3 Definition III - Prozeßerzeugung Ein Auftrag mehrere Prozesse z.b. UNIX shell (Elternprozeß) cat Text1 Text2 pr lpr Kindprozess1 Kindprozess3 Kindprozess2 Folie 4

3 Definition IV - Prozeßerzeugung Prinzipielle Ereignisse, die die Erzeugung eines Prozesses auslösen 1. System-Initialisierung 2. Systemaufruf zum Erzeugen eines Prozesses durch einen anderen Prozeß 3. Benutzeranfrage, einen neuen Prozeß zu erzeugen (Kommandozeile, grafische Oberfläche) 4. Initialisierung eines Batch-Jobs Folie 5 Definition IV - Prozeßtermination Bedingungen, die Prozesse terminieren 1. Normales Beenden (freiwillig) 2. Beenden aufgrund eines Fehlers (freiwillig) 3. Beenden aufgrund eines schwerwiegenden Fehlers (unfreiwillig) 4. Beenden durch einen anderen Prozeß (unfreiwillig) Folie 6

4 Definition V - Prozeßhierarchie Vaterprozess kreiert einen Kindprozess, Kindprozesse können ihre eigenen Prozeß kreieren Sie bilden eine Hierarchie UNIX nennt dies eine Prozeßgruppe" Windows hat kein Konzept der Prozeßhierarchie All Prozesse sind gleich Folie 7 Prozeßzustände I erzeugt erhalte Signal blockiert erwarte Signal terminiert nicht-ex. bereit Zuteilung aktiv running nicht-ex Prozesse warten... auf den Prozessor (bereit) auf eine Nachricht (blockiert) auf ein Timersignal (blockiert) auf Daten des I/O-Geräts (blockiert) Folie 8

5 Prozeßzustände II - Unix blockiert erhalte warte auf Ereignis Signal erzeugt terminiert nicht-ex. idle bereit aktiv zombie nicht-ex. Zuteilung weitermachen stop warte auf Eltern für Tracing und Debugging Folie 9 Prozeßzustände IV Unix: Prozeßerzeugung Eltern PID = fork() /* PID 0 */ if (PID==0) { }; waitpid(pid) Kind /* PID = = 0 */ if (PID==0) {exec ( program )... };... exit () };... Folie 10

6 Prozeßzustände V Unix: Prozeßmanipulation pid_t fork(void) Erzeugen einer Kopie des Prozesses (Sohn), Vater erhält pid des Sohnes zurück oder - 1 bei Fehler, Sohn erhält 0 als Ergebnis. int execve(char* name, char* argv[], char* envp[]) Überlagern des ausgeführten Programms eines Prozesses (Code, Daten, Stack) durch neues Programm name, Übergabe von Argumenten und Environment- Variablen über NULLterminierten Vektor. Andere Varianten mit unterschiedlicher Übergabe von Argumenten und Environment: execl(), execle(), execlp(), execv(), execvp() Folie 11 Prozeßzustände VI Unix: Prozeßmanipulation pid_t getpid(void) Rückgabe der eigenen Process Id. pid_t getppid(void) Rückgabe der Process Id des Vaters. exit(status) Beende den laufenden Prozeß und stelle dem Vater den Exit- Status zur Verfügung. pid_t wait(int* status) Warten auf die Beendigung eines Sohn- Prozesses. Dessen Id wird uber den Ruckgabewert, sein Status über status zurückgegeben. pid_t waitpid(pid_t pid, int* status, int opts) Warten auf das Ende eines bestimmten Sohnes, dessen Id über den Parameter pid ubergeben wird. Folie 12

7 Prozeßzustände VII - Unix: Shell while (TRUE) { /* repeat forever */ type_prompt( ); /* display prompt */ read_command (command, parameters) /* input from terminal */ r = fork(); /* fork child process */ if (r > 0) { /* Parent code */ waitpid( -1, &status, 0); /* wait for child to exit */ } else if ( r == 0) { /* Child code */ execve (command, parameters, 0); /* execute command */ } else { /* fork error */ } } } Folie 13 Prozeßzustände VIII - Unix Prozeßkontext Speicherresidente Prozeßkontrollblöcke PCB der Prozeßtabelle Scheduling-Parameter Speicherreferenzen: Code-, Daten-, Stackadressen im Haupt- bzw. Massenspeicher Signaldaten: Masken, Zustände Verschiedenes: Prozeßzustand, erwartetes Ereignis, Timerzustand, PID, PID der Eltern, User/Group-IDs Auslagerbarer Benutzerkontext (swappable user structure) Prozessorzustand: Register, FPU-Register, Systemaufruf: Parameter, bisherige Ergebnisse, Datei-Info-Tabelle (file descriptor table) Benutzungsinfo: CPU-Zeit, max. Stackgröße, Kernel-stack: Platz für Systemaufrufe des Prozesses Folie 14

8 Prozeßzustände IX Wann kommt Wechsel? Interrupts I/O Timer (Zeitscheibe abgelaufen) Speicherfehler Speicheradresse ist im virtuellen Speicher, also muss sie in den Arbeitsspeicher gebracht werden Fehler Kann den Prozess in den Exit-Status bringen Systemaufruf Wie z.b. File open H. Weber, FH Wiesbaden. Prozeß-Zustände X - Zustandswechsel Prozessor- Kontext inklusive Programmzähler und anderer Register sichern Prozeßkontrollblock updaten mit neuem Zustand und Accounting Informationen Prozeßkontrollblock in geeignete Queue bringen - Bereit- Queue, Blockiert- Queue Einen anderen Prozeß zur Ausführung auswählen Prozeßkontrollblock des gewählten Prozesses updaten Memory- Management Datenstrukturen updaten Prozessor- Kontext des gewählten Prozesses restaurieren H. Weber, FH Wiesbaden.

9 Threads I - Motivation Motivation Prozeßerzeugung, Prozeßumschaltung und Prozeßkommunikation sind teuer (= rechenzeitaufwendig zur Laufzeit). Wie nutzt man mehrere Prozessoren eines Multiprozessors fur eine Applikation? Wie strukturiert man einen Server- Prozeß, der Anforderungen von mehreren Klienten bedienen kann? Mehrere Kind- Prozesse (Parallelität, Blockierungen erlaubt, gute Performance, hoher Aufwand für fork()) Prozeß mit einem Kontrollfluß (keine Parallelität, Blockierungen erlaubt, schlechte Performance) endlicher Automat (keine Parallelitat, keine Blockierungen, gute Performance, Multiplexing von Hand = komplexe Programmierung) Folie 17 Threads II - Motivation Lösung Einführung von billiger Nebenläufigkeit in einem Prozeßadreßraum durch "Mini-Prozesse", sogenannte Threads. => Parallelität, Blockierungen erlaubt, gute Performance, einfache Programmierung Folie 18

10 Threads III - Eigenschaften Asynchroner, paralleler, unterschiedlicher Programmverlauf (eigener stack) gemeinsamer Prozeßkontext (Speicher- Addreßbereich, Dateien (file handles) Folie 19 Threads IV - Eigenschaften (a) Drei Prozesse - jeder mit einem Thread (b) Ein Prozess mit drei Threads Folie 20

11 Threads V - Typen kontrolliert vom Benutzerprogramm (Unix-Bibliothek) lightweight threads (ULT) Vorteil: sehr schneller Thread- Wechsel Nachteil: Blockieren aller Threads bei I/O- Warten von einem Thread. kontrolliert vom Betriebssystem (Windows NT) heavyweight threads (KLT) Vorteil: Unabhängiger I/O aller Threads Nachteil: langsamer System Call nötig fibers Folie 21 Threads VII Mischformen zwischen ULT und KLT Folie 22

12 Threads VIII - Benutzung Ein Textverarbeitungssystem mit drei Threads Folie 23 Threads IX - Benutzung Ein Webserver mit mehreren Threads Folie 24

13 Threads X - Programmierung Leider nicht einheitlich! Unterschiedliche Bibliotheksfunktionen bzw. Systemaufrufe : Java-Threads Threads in Windows-NT Unix-KLTs Pthreads-Bibliothek (Unix ULTs) Solaris LWPs Folie 25 Threads XI Pthreads-Beispiel pthread_t thread1, thread2; if (pthread_create(&thread1, NULL, (void *) do_one_thing, (void *) &r1)!= 0) perror("pthread_create"), exit(1); if (pthread_create(&thread2, NULL, (void *) do_another_thing, (void *) &r2)!= 0) perror("pthread_create"), exit(1); if (pthread_join(thread1, NULL)!= 0) perror("pthread_join"), exit(1); if (pthread_join(thread2, NULL)!= 0) perror("pthread_join"), exit(1); do_wrap_up(r1, r2); Folie 26

14 Threads XII Pthread-Funktionen Folie 27 Scheduling I Neben dem Speicher ist der Prozessor (sind die Prozessoren) eines Rechners das wichtigste Betriebsmittel. Mit der zeitlichen Zuordnung des Prozessors (bzw. der Prozessoren) an die verschiedenen Prozesse im System beschäftigt sich das Scheduling, manchmal auch Dispatching genannt. Folie 28

15 Scheduling II Vorplanung in verschiedenen Zeitmaßstäben Nutzer Langzeitschedul Kurzzeitschedul Jobende Hier: Nur Kurzzeitschedul! Ankunft Warteschlange Abgang Prozessor Folie 29 Scheduling III - Ziele Auslastung der CPU Ziel ist die 100%ige Auslastung der CPU, normal 40% 90%. Durchsatz (throughput) # Jobs pro Zeiteinheit sollte maximal sein. Faire Behandlung (fairness( fairness) Jeder Benutzer sollte im Mittel den gleichen CPU-Zeitanteil erhalten. Ausführungszeit (turn-around time) Die Zeitspanne vom Jobbeginn bis zum Jobende sollte sie minimal sein. Sie enthält alle Zeiten in Warteschlangen, der Ausführung (Bedienzeit) und der Ein- und Ausgabe. Wartezeit (waiting( time) Wartezeit in der bereit-liste minimieren (einziger Scheduling-parameter) Antwortzeit (response( time) Die Zeit zwischen einer Eingabe und der Übergabe der Antwortdaten an die Ausgabegeräte sollte minimal werden (interaktive Systeme!). Folie 30

16 Scheduling IV - Konflikte Problem: Ziele sind weder vollständig noch konsistent Prozeßumschaltung (context switch) kostet Zeit. Wenn viele kurze Prozesse bevorzugt Durchsatz, Ausführungszeit, Antwortzeit werden gut, aber die Umschaltzeit verkürzt rel. Zeitanteil für lange Prozesse (fairness!) Erhöhen der Auslastung Erhöhen der Antwortzeit; Beispiel Autovermietung Werden bestimmte Kunden bevorzugt, müssen andere warten. Sind alle Wagen gut ausgelastet, müssen neue Kunden warten. Es gibt keinen idealen Schedulingalgorithmus! Folie 31 Scheduling V - Nicht-präemptives Scheduling Jeder Prozeß läuft so lange, wie er will. First Come First Serve (FCFS). Einsortieren in der Ankunftsreihenfolge (FIFO- Warteschlange). Job 1 Job 2 Job Ausführungszeit: Job1=10, Job2=14, Job3=17; Mittelwert=41/3= Shortest Job First (SJF) Job mit kürzester Bedienzeit zuerst (min. mittl. Wartezeit). Job 3 Job 2 Job Ausführungszeit: Job1=17, Job2=7, Job3=3; Mittelwert=27/3=9. Job1=10 Job2=4 Job3=3 Folie 32

17 Scheduling VI - Nicht-präemptives Scheduling Priority Scheduling (PS) Prio Prozeß; Bevorzugung von hoher Prio. Problem SJF und PS erlauben Verhungern (starvation) von benachteiligten Prozessen Folie 33 Scheduling VII - Präemptives Scheduling Rücksichtslose Prozesse (Benutzer!) Einführung von Zeitscheiben : Prozeß1 Prozeß2 Prozeß3 Prozeß1 Prozeß2 Zeitscheibe Jeder Prozeß läuft nur so lange, wie er darf. Ankunft Warteschlange Abgang Prozessor Abbruch Folie 34

18 Scheduling VIII - Präemptives Scheduling Jeder Prozeß läuft nur so lange, wie er darf. Round Robin (RR) Einsortieren in der Ankunftsreihenfolge (FIFO- Warteschlange) + Zeitscheibe Zeitscheibengröße T von Umschaltzeit des Kontextes abhängig! Richtwert: T > mittlerer CPU- Bedarf zwischen zwei I/O- Vorgängen (CPU burst) von 80% der Jobs: Dynamic Priority Round Robin (DPRR) RR + wachsende Prio- Vorstufe Shortest Remaining Time First Job mit kürzester verbleibender Bedienzeit zuerst. Folie 35 Scheduling IX - Multiple Warteschlangen und Scheduler Multiple Warteschlangen für I/O multi level scheduling Prio 0: Systemprozesse Prio 1: Interaktive Jobs Prio 2: Allgemeine Jobs Prio 3: Rechenintensive Jobs Hauptprozessor I/O Festplatte 1 I/O Festplatte 2... I/O Terminals Folie 36

19 Beispiele für Scheduling I - Unix Round-Robin, ersetzbar durch anderes. dyn. Prio, jeweils eine FCFS- Warteschlange pro prio Benutzer: nice- Kommando Umhängen in andere Schlangen bei prio- Erhöhung HP- UX: Prio Multi level- Warteschlangen 0 = hohe prio Real time System User prio run queue PCB { 0 #1 127 # #3 # # { { Folie 37 Beispiele für Scheduling II - Windows NT Round- Robin für Threads getrenntes dispatching Dyn. Prio, abhängig von Zeit und Liste Prozessoraffinitäten Symmetrisches multiprocessing prio ready queue 0 = kleinste prio Real time Variable 14 Priorität.. 1 System 0 idle thread Folie 38