B.5 Prozessverwaltung B.5. Prozessverwaltung Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 1

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1 Prozessverwaltung Prozessverwaltung 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 1

2 Prozesse Programme werden durch den Ablauf eines oder mehrerer Prozesse (engl.: process, task) ) von einem Rechner abgearbeitet. Prozesse sind Abfolgen von Aktionen,, die unter Kontrolle der ihnen zu- geordneten Programme ablaufen und dabei verschiedenste Betriebsmittel benötigen. Die Zuteilung der Betriebsmittel an die Prozesse ist eine der Hauptauf- gaben von Betriebssystemen. Prozesse kann man auch selbst als (logische) Betriebsmittel ansehen, die vom Betriebssystem verwaltet werden. für Stapelbetrieb auf sequentiellen Rechnern: Prozessverwaltung "trivial" (Stets ist nur ein Prozess aktiv, der alle Betriebsmittel zur Verfügung hat.) Prozessverwaltung wird anspruchsvoll im Mehrprogrammbetrieb: Mehrere Programme, d.h. mehrere Prozesse, beanspruchen Betriebs- mittel im Prinzip gleichzeitig ("multitasking multitasking") Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 2

3 Pseudoparallele Abarbeitung und Interleaving auf sequentiellen Rechnern: : Illusion einer gleichzeitigen Bearbeitung mehrerer Prozesse auf einem Prozessor erreichbar durch abwechselnde Ausführung von Programmabschnitten ("Pseudoparallelismus Pseudoparallelismus") Prozess wartend aktiv Zeit Realisierung durch "echten" Parallelismus mehrerer Prozessoren später in der Vorlesung Durch Vergabe kurzer "Zeitscheiben" an alle beteiligten Prozesse wird Illusion von Gleichzeitigkeit noch verstärkt ("time sharing") Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 3

4 Prozesszustände Ein Prozess ist zu jedem Zeitpunkt in einem genau definierten Zustand: ready (bereit): rechenbereit,, wartet auf Betriebsmittelzuteilung (dispatch) running (laufend): Prozess im Prozessor aktiv waiting (wartend): Prozess blockiert, wartet auf Signal (z.b. I/O-Ende) create ready dispatch running kill interrupt resume/ wake waiting suspend/ sleep Zustandsübergänge werden vom Betriebssystem bewirkt Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 4

5 Warteschlangenmodell Prozesse, die nicht aktiv ("running running") sind, werden vom Betriebssystem in verschiedenen Warteschlangen (engl.: "queue" queue") gehalten, bis die benötigten Betriebsmittel zugeteilt werden können ("dispatch dispatch") oder erwartete Signale eintreffen ("resume resume"). Auswahlstrategien für Warteschlangen sind wesentlich für Effizienz des Systems ("scheduling scheduling"). time out ready queue CPU I/O I/O queue! signal wait queue 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 5

6 Prozesskontrollblöcke und Prozesstabelle Zu jedem Prozess hält das Betriebssystem diverse Informationen zum aktuellen Status des jeweiligen Prozesses. Diese Informationen werden in den Feldern eines Prozesskontrollblocks abgelegt. Alle Prozesskontrollblöcke bilden zusammen die Prozesstabelle. Relevante Statusinformationen in der Prozesstabelle sind z.b.: Prozessnummer Prozesszustand (ready,,...) Inhalte der CPU-Register Schedulinginformationen (z.b. Position in der Schlange) Daten zur Hauptspeicherverwaltung I/O-Status (z.b. reservierte oder angeforderte Geräte) Daten über geöffnete Verbindungen und Dateien Zeiger zur Verkettung von Prozesskontrollblöcken 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 6

7 Prozesshierarchien Von einem existierenden Prozess aus können jederzeit neue (Unter-) Prozesse erzeugt werden: Der Prozess "verzweigt" sich ("fork fork"). Der neue "Kindprozess" Kindprozess" " ist anfangs eine exakte Kopie seines "Vater- prozesses", hat aber eine neue P.nummer nummer. Durch weitere Verzweigungen der Kindprozesse entstehen ganze Hierar- chien abhängiger Prozesse. AA BB CC DD EE Je nach Betriebssystem arbeiten Vater- und Kindprozess parallel weiter (z.b. in UNIX), oder der Vaterprozess wird suspendiert (z.b. MS-DOS) Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 7

8 Prozesswechsel Wird ein aktiver Prozess ausgelagert und durch einen anderen Prozess ersetzt (Prozesswechsel( Prozesswechsel), dann muss zunächst die gesamte Statusinforma- tion des alten Prozesses in der Prozesstabelle gesichert (engl.: "save" save") werden. Danach muss die früher bereits gesicherte Statusinformation des neuen aktiven Prozesses geladen (engl.: "load" load") werden. Solche Prozesswechsel sind relativ teuer (zeitaufwändig( zeitaufwändig). P 1 save save P 1 1 load load P 2 2 save save P 2 2 load load P 1 1 P 2 beide inaktiv! 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 8

9 Prozess-Scheduling Sind mehrere Prozesse im Zustand "ready" ready", dann muss die Scheduler- Komponente des Betriebssystems anhand einer bestimmten Scheduling- strategie entscheiden, welcher Prozess als nächster aktiv werden soll. (engl.. "schedule" schedule": Zeitplan, Fahrplan) Anforderungen an einen Scheduler: Fairness: Bekommt jeder Prozess einen Anteil an der Gesamtrechenzeit? Effizienz: Sind die Betriebsmittel gut ausgelastet? Wieviel CPU-Zeit verbraucht der Scheduler selbst? Antwortzeit: Ist die Wartezeit für interaktive Nutzer akzeptabel? Verweildauer: Ist die Zeit akzeptabel, die nicht-interaktive Hintergrundprozesse zugeteilt bekommen? Durchsatz: Werden genügend Aufträge pro Zeiteinheit vom Scheduler abgewickelt? im folgenden: : Grundlagen des CPU-Scheduling im Dialogbetrieb 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 9

10 Prozess-Scheduling (2) Probleme beim Scheduling: Anforderungen widersprechen sich oft ("BS kann es nicht jedem Prozess recht machen!") "Verhalten" der Prozesse (z.b. I/O-Verhalten) nicht vorhersagbar. daher: Regelmässige Unterbrechung (z.b. 50 mal pro Sekunde) des aktiven Prozesses sinnvoll, um ggf. Zuteilungsentscheidung revidieren zu können. Klassifizierung von Scheduling-Strategien danach, ob Unterbrechen von Prozessen durch den Scheduler möglich ist oder nicht: "präemptiv": Unterbrechung möglich "nicht-präemptiv": Prozesse werden erst beendet ("run run-to-completion") im Dialogbetrieb: Präemptive Strategie fast zwangsläufig erforderlich. aber: Präemptive Strategien sind oft Varianten von Run-to-Completion Completion- Strategien mit Zeitscheibenzuteilung Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 10

11 FIFO- und LIFO-Strategie grundlegende nicht-unterbrechende Strategien: FIFO: : "First" In, First Out!" W: Warteschlange B: Betriebsmittel LIFO: : "Last" In, First Out!" W nach Keller- prinzip organisiert (stack) wesentlicher Nachteil: : extrem lang laufende Prozesse blockieren das System 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 11

12 Prioritätsscheduling Ausweg: : Einteilung der Prozesse in verschiedene Klassen aufgrund von Vorkenntnissen über Bearbeitungsdauer der Prozesse (oder von anderen wichtigen Eigenschaften) Anordnen der Klassen in linearer Reihenfolge und Vergabe identischer Prioritäten an alle Prozesse einer Klasse. Pro Prioritätsstufe eigene Warteschlange; bevorzugen der Schlange mit höchster Priorität. Prioritäten können vom Scheduler auch dynamisch vergeben werden, d.h. je nach aktueller Situation im System 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 12

13 Round Robin-Scheduling wichtigstes Verfahren für unterbrechendes (präemptives( präemptives) Scheduling: Round Robin-Scheduling CPU-Zuteilung erfolgt mit zeitlicher Beschränkung: Jeder Prozess erhält ein Zeitquantum zugeteilt. "Reih' um" kommt jeder Prozess dran und darf sein Quantum an Zeit aktiv verbrauchen. Blockiert ein Prozess,, wird sofort er in den Wartezustand versetzt. Zugang Abgang W time out B wichtig: : Quantum darf nicht zu kurz sein, um Zeit für Prozesswechsel "amortisieren" zu können. Kombination mit Prioritäten und anderen zusätzlichen Kriterien möglich Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 13

14 SJF- und SRTF-Scheduling Besonders gut geeignet bei Stapelverarbeitung und bei bekannten Aus- führungszeiten: Auswahl des Prozesses mit der kürzesten Ausführungszeit Shortest Job Job First First (SJF)-Strategie beweisbar: : Kürzeste mittlere Bearbeitungszeit wird mit dieser Strategie erreicht. Erweiterung dieser Idee auf unterbrechende Strategien: Auswahl des Prozesses mit der kürzesten verbleibenden Bearbeitungszeit Shortest Remaining Time First First (SRTF)-Strategie Problem: Schätzung der verbleibenden Zeit erforderlich! dazu: : Messung der Bearbeitungszeiten in vergangenen Zyklen und Berechnen eines gewichteten Mittels früherer Zeiten ("Alterungsfaktor Alterungsfaktor") 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 14

15 Prozess-Kommunikation und -Synchronisation Prozesse, die sich um gemeinsam genutzte Betriebsmittel bemühen, müssen in der Lage sein, miteinander zu kommunizieren und ihr Verhalten beim Zugriff auf die Betriebsmittel zu synchronisieren. Typische Konstellation: "Erzeuger-Verbraucher-Problem" Erzeuger insert Puffer ("Lager") remove Verbraucher Puffer hat feste Länge. Erzeuger darf nicht in vollen Puffer einfügen. Verbraucher kann nicht aus leerem Puffer entfernen. Problem: : Wie kann man Wartezeiten vermeiden oder verringern? (Erzeuger wartet bei vollem Puffer auf Verbrauch, Verbraucher wartet bei leerem Lager auf Produktion) Kommunikation erforderlich!! 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 15

16 Prozess-Kommunikation und -Synchronisation (2) Erzeuger insert Puffer ("Lager") remove Verbraucher ungünstige Lösung des Problems: "aktives Warten", d.h., Erzeuger und Verbraucher prüfen regelmässig,, ob sie auf "kritisches Betriebsmittel" (Puffer) zugreifen können oder nicht. Ist dies nicht der Fall, wartet der Prozess ohne etwas zu tun bis zur nächsten (selbstständig( herbei geführten) Überprüfung. besser: : Austausch von Signalen zwischen den Prozessen Erzeuger signalisiert, wenn er leeren Puffer wieder gefüllt hat. Verbraucher signalisiert, wenn er Puffer geleert hat. Prozesse synchronisieren ihr ihr Verhalten! 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 16

17 Wechselseitiger Ausschluss in der Erzeuger-Verbraucher-Situation (und vielen ähnlichen Fällen): Zugriff auf gemeinsam genutztes Betriebsmittel sollte immer nur durch einen Prozess zur Zeit erfolgen. Beispiel: : Überweisung von einem Konto aufs andere darf nicht durch Abbuchungen unterbrochen werden, um fälschliche Überziehung zu vermeiden. Solange ein Prozess Aktionen durchführt, bei denen er exklusiv auf ein Betriebsmittel zugreift, befindet er sich in einem kritischen Bereich. Während ein Prozess in einem kritischen Bereich bzgl.. eines bestimmten Betriebsmittels ist, darf kein anderer Prozess dieses Betriebsmittel nutzen: wechselseitiger Ausschluss (engl (engl.: "mutual exclusion") Man sollte möglichst vermeiden, dass sich mehrere Prozesse gleichzeitig um ein Betriebsmittel "streiten": nur je ein Prozess im kritischen Abschnitt 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 17

18 Erzeuger-Verbraucher-Lösung mit Problemen "Lösung" für Erzeuger-Verbraucher-Problem (in java-ähnlichem Code), die zwar Kommunikation mit Signalen und inaktiven Phasen realisiert, aber noch problematisch ist: int count = 0; "Schlafen": inaktives Warten void void producer(void) {{ int int item; item; while while (true) (true){ { produce_item(&item); item); if if (count (count == == N) N) sleep(1); enter_item(item); item); count count := := count count + 1; 1; if if (count (count == == 1) 1) wakeup(consumer) }} }} void void consumer(void) {{ int int item; item; while while (true) (true){ { if if (count (count == == 0) 0) sleep(1); remove_item(&item); item); count count := := count count -- 1; 1; if if (count (count == == N-1) N-1) wakeup(producer); producer); consume_item( ( ) ) }} }} "Aufwecksignal" 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 18

19 Erzeuger-Verbraucher-Lösung mit Problemen (2) int int N = 100; 100; int int count = 0; 0; gemeinsam von beiden Prozeduren genutzte Variablen: N max. Pufferlänge count aktuelle Anzahl v. "items" im Puffer Erläuterung der beiden Einzelprozeduren: zunächst Erzeugerprozedur void void producer(void) {{ int int item; item; while while (true) (true){ { produce_item(&item); item); if if (count (count == == N) N) sleep(1); enter_item(item); item); count count := := count count + 1; 1; if if (count (count == == 1) 1) wakeup(consumer) }} }} Endlosschleife: Produziere ein Objekt (item)! Prozess suspendiert sich selbst, wenn der Puffer voll ist! sonst: : Neues Objekt in den Puffer! Inkrementiere den Zähler! Wenn direkt vorher Puffer leer war: Nimm an, dass Verbraucher schläft und wecke ihn (sende Signal)! 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 19

20 Erzeuger-Verbraucher-Lösung mit Problemen (3) ganz ähnlich: : Verbraucherprozedur void void consumer(void) {{ int int item; item; while while (true) (true){ { if if (count (count == == 0) 0) sleep(1); remove_item(&item); item); count count := := count count -- 1; 1; if if (count (count == == N-1) N-1) wakeup(producer); producer); consume_item( ( ) ) }} }} Endlosschleife: Prozess suspendiert sich selbst, wenn der Puffer leer ist! sonst: : Nimm Objekt aus dem Puffer! Dekrementiere den Zähler! Wenn direkt vorher Puffer voll war: Nimm an, dass Erzeuger schläft und wecke ihn (sende Signal)! Verbrauche das Objekt! 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 20

Programme werden durch den Ablauf eines oder mehrerer Prozesse (engl.: process, task) von einem Rechner abgearbeitet.

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