Prozesse und Threads. Peter Puschner Institut für Technische Informatik

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1 Prozesse und Threads Peter Puschner Institut für Technische Informatik 1

2 Ziel: Gleichzeitiges, kontrolliertes Ausführen von Programmen auf einem Rechner Welche Mechanismen sind nötig? Welche Datenstrukturen brauchen wir? Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 2

3 Begriffe und Konzepte Prozesszustände Kontrollstrukturen des BS Prozesse BS-Implementierungen Threads Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 3

4 Prozess Animated Spirit of a program ausführbares Programm zugehörige Daten (Variable, Puffer, etc.) Kontext akt. Zustand des Prozesses (PC, Register, etc.) Daten zur Prozessverwaltung (Wartebedingung, Priorität, etc.) Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 4

5 Prozesse im BS d a b c Hauptspeicher Dispatcher Prozess A Prozess B Prozess C Befehlszähler c+6 Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 5

6 Trace Charakterisiert das Verhalten eines Prozesses Sequenz der Instruktionen, die für einen Prozess ausgeführt werden Überlappung von Traces verschiedener Prozesse charakterisieren das Prozessorverhalten Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 6

7 a+0 a+1 a+2 a+3 a+4 a+5 a+6 a+7 a+8 a+9 Prozesse A B C b+0 b+1 b+2 (I/O) Traces c+0 c+1 c+2 c+3 c+4 c+5 c+6 T I/O Dispatcher d+0 d+1 d+2 d+3 Timeout I/O Request T I/O a+0 a+1 a+2 a+3 a+4 d+0 d+1 d+2 d+3 b+0 b+1 b+2 T d+0 d+1 d+2 d+3 c+0 c+1 c+2 c+3 c+4 d+0 d+1 d+2 T d+3 a+5 a+6 a+7 a+8 a+9 d+0 d+1 d+2 d+3 c+5 c+6 kombinierter Trace Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 7

8 Einfachstes Prozessmodell Enter Not Running Dispatch Running Exit Pause Enter Queue Dispatch CPU Exit Pause Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 8

9 BS und Prozesse BS kontrolliert die Ausführung der Prozesse (Ausführungsmuster, Ressourcenzuteilung) Repräsentation von Prozessen muss Aufgaben des BS unterstützen Zustand des Prozesses vom Prozess belegter Speicherbereich Verwaltung von Prozessen in Datenstrukturen (Queues) entsprechend ihren Zuständen Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 9

10 Erzeugung von Prozessen BS baut Datenstrukturen auf und allokiert notwendigen Speicher. Wann wird ein Prozess erzeugt? Login eines interaktiven Benutzers BS: Ausführung eines Services Erzeugung durch einen Benutzerprozess (Process Spawning: Parent bzw. Child) Absetzen eines neuen Jobs Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 10

11 Beendigung von Prozessen Prozess zeigt Beendigung an Logout durch den Benutzer Service Request an das BS Auftreten eines Fehlers bei der Abarbeitung eines Prozesses Halt-Instruktion eines Jobs Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 11

12 Ursachen für das Terminieren Normale Beendigung Zeitlimit überschritten zuwenig Speicher Speicherbereichsverletzung unerlaubter Zugriff Arithmetischer Fehler Wartezeit zu lange I/O Fehler Ungültige Instruktion Priviligierte Instr. Falscher Datenzugriff Operator oder BS- Intervention Terminieren des Vaterprozesses Terminierung durch Vaterprozess Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 12

13 Prozesszustände Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 13

14 Wesentliche Prozesszustände Running Prozess ist im Besitz der CPU und wird ausgeführt Ready Prozess ist bereit zur Ausführung (wartet nur auf Zuteilung der CPU) Blocked Prozess wartet auf ein Ereignis (z.b. Beendigung von I/O), ist nicht laufbereit Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 14

15 Wesentliche Prozesszustände New BS hat den Prozess kreiert: Prozessnummer (process identifier) Tabellen und Tabelleneinträge zur Prozessverwaltung der Prozess ist jedoch noch nicht bereit zur Ausführung Vermeidung der Ressourcenüberlastung durch Zulassung zuvieler Prozesse Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 15

16 Wesentliche Prozesszustände Exit Zustand wird durch Terminierung erreicht Prozess wird nicht mehr weiter ausgeführt Prozessinformationen (Tabellen) werden von Hilfsprogrammen verwendet (z.b. Accounting, Debugging) Die Prozessinformationen, -tabellen werden gelöscht, wenn sie nicht mehr benötigt werden Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 16

17 5 Zustands-Prozessmodell New Admit Event occurs Ready Blocked Dispatch Running Timeout Event Wait Release Exit Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 17

18 Queuing Modell Admit Ready Queue Dispatch CPU Release Event 1 occurs Event 1 Queue Timeout Event 1 Wait Event n occurs Event n Queue Event n Wait Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 18

19 Process Switch Umschalten des aktiven Prozesses immer dann möglich, wenn das BS im Besitz der CPU ist: Supervisor Call expliziter Aufruf durch das Programm (I/O, ) Trap bedingt durch aktuelle Instruktion (z.b. Auftreten eines Fehlers) Interrupt Ursache liegt außerhalb des Prozesses, Kontrolle geht an Interrupt Handler und BS Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 19

20 Swapping zuviele Prozesse im Hauptspeicher führen zu einer Verschlechterung der Performance Abhilfe: Swapping = Auslagern von Prozessen auf einen Sekundärspeicher zur Realisierung im BS: zwei neue Prozesszustände und Queues Ready, suspend Blocked, suspend Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 20

21 Prozesszustände mit Suspend Admit New Admit Suspend Ready, suspend Event occurs Blocked, suspend Activate Suspend Activate Suspend Ready Event occurs Blocked Dispatch Running Timeout Event Wait Release Exit Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 21

22 Ursachen für Suspend Swapping BS lagert Hintergrundprozess, Utility, oder problembehafteten Prozess aus Interaktiver Request (z.b. für Debugging) Timing: periodischer Prozess kann zwischen Aktivierungen ausgelagert werden Parent Request: Untersuchung, Modifikation, Koordination von Kindprozessen Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 22

23 Kontrollstrukturen für die Prozessverwaltung Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 23

24 Kontrollstrukturen des BS Das BS verwaltet die folgenden Tabellen für Prozesse und Ressourcen Memory Tables I/O Tables (für Geräte und Kanäle) File Tables Process Tables Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 24

25 Process Image User Program User Data modifizierbarer Bereich des User Space (Daten, User Stack, modifizierbare Programme) System Stack Parameter und Calling Addr. von System Calls Process Control Block (Execution Context) Process identification, processor state information, process control information Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 25

26 Process Image Process Id. Processor State Information Process Control Information User Stack Private User Address Space Shared Address Space Process Control Block (PCB) befindet sich im Virtual Memory muss nicht zusammenhängend sein Primary Process Table enthält Verweis auf Process Image BS benötigt Teile des Images zur Prozessverwaltung im Hauptspeicher Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 26

27 PCB: Process Identification Eindeutige Prozessnummer (Process identifier) = Index in der Primary Process Table Benutzerkennung (User identifier) Benutzer, dem der Prozess gehört Nummer des Prozesses, der den Prozess generiert hat (Parent Process Identifier) Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 27

28 PCB: Processor State Information Registerinhalte Kontroll- und Statusregister Befehlszähler Program Status Word (PSW) Kontroll-, Modusinformation, Status-Bits Stack Pointers Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 28

29 PCB: Process Control Information Scheduling und Zustandsinformation Zustand, in dem sich der Prozess befindet Priorität und Schedulinginformation Ereignis, auf das der Prozess wartet Querverweise auf andere Prozesse Realisierung von Prozess-Queues Verweis auf Parent, Child, Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 29

30 PCB: Process Control Information Interprozesskommunikation (IPC) Flags, Signale, Verweise auf Nachrichten Privileges Memory Management Verweise auf Segment- oder Seitentabellen Ressourcen verwendete: geöffnete Files, I/O Devices bisher konsumierte: CPU Zeit, I/O, etc. Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 30

31 Prozesslisten Running Ready Blocked Process Control Block Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 31

32 Execution Modes Um die Datenstrukturen (z.b. PCB) des BS zu schützen, gibt es mindestens zwei Execution Modes Privileged Mode (= system mode, kernel mode, supervisor mode, control mode) für Zugriff auf Kontrollregister, MM, I/O-Primitive User Mode Mode Switch in BS-Routinen Execution Modes werden durch Mode-Bits der CPU unterstützt Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 32

33 Mode Switch vs. Process Switch Mode Switch ist Basis für Process Switch nicht jeder Mode Switch bewirkt Process Switch user mode priv. mode mode switch process switch call, trap, interrupt? update PCB (state) PCB è queue select new process update PCB update MM data! save/restore processor context Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 33

34 Example: Interrupt Handling interrupt user mode mode priv. switch mode? Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 34

35 Example: Interrupt Handling interrupt user mode 1 3 mode 2 4 priv. switch mode? PC à stack,...; load PC from interrupt vector [HW] 2. Save registers, setup new stack [assembly code] 3. Interrupt service, e.g., read/buffer inputs [C code] 4. Scheduler decides on next process 5. Return to assembly code [C code] 6. Setup for process continuation [assembly code] Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 35

36 Prozesse im Betriebssystem Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 36

37 BS und Prozesse Verschiedene Möglichkeiten, ein BS zu implementieren Strikte Trennung von Kernel und Prozessen BS exekutiert innerhalb von Benutzerprozessen Prozessbasiertes BS Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 37

38 Nonprocess Kernel P 1 P... 2 P n Kernel Prozessbegriff nur für Benutzerprogramme Verlassen des Prozesskontexts bei BS-Aktivität BS arbeitet von Prozessen getrennt im Privileged Mode (eigener Speicherbereich, eigener Stack für BS) Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 38

39 BS-Ausführung in User-Prozessen P 1 P 2... P n OS OS OS Process Switching BS ist eine Sammlung von Routinen, die vom Benutzerprogramm aufgerufen werden Fast alle BS-Routinen laufen im Prozesskontext Verlassen des Prozesskontexts nur bei Process Switch Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 39

40 BS-Ausführung in User-Prozessen BS Code und Daten werden im Shared Address Space abgelegt Getrennter Kernel Stack für Kernel Mode Im Prozess laufen sowohl User-Programm als auch BS- Routinen è Programm vs. Prozess PCB User Stack Private User Address Space Kernel Stack Shared Address Space Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 40

41 Prozessbasiertes BS U 1 U... 2 U n OS... 1 OS n Process Switching BS ist eine Sammlung von Systemprozessen Nur Basisservices (Process Switching, einfaches Memory Management, IPC, Interrupts und I/O) sind nicht als Prozesse realisiert Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 41

42 Kernel-Architekturen Monolithic Operating System Betriebssystem = Menge von Prozeduren Jede Prozedur kann jede andere Prozedur aufrufen Layered Operating System Hierarchische Organisation der BS-Funktionen Interaktionen zwischen benachbarten Schichten Mehrheit der Schichten exekutieren im Kernel Mode Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 42

43 Microkernel Architektur U 1... U n Device Driver File Server Process Server Virtual Memory Microkernel Hardware Basisservices im Kernel nicht zentrale BS Services als Server Prozesse Nachrichtenkommunikation zw. BS/Prozessen Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 43

44 Microkernel Architektur Microkernel Services Process Switching Basic Memory Management Interrupts und Hardware Access (I/O) Nachrichtenaustausch und kontrolle Eigenschaften Einheitliche Interfaces Flexibilität und Erweiterbarkeit Portabilität Unterstützung von Verteilung Kernelgröße: 300KB, 140 Sys. Calls (1 st generation) 12KB, 7 Sys. Calls (L4, 2 nd generation) Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 44

45 Zusammenfassung Prozesse Prozess ist ein zentrales Konzept in BS BS kreiert, verwaltet und beendet Prozesse Prozess durchläuft verschiedene Zustände (Ready, Running, Blocked, Suspend,...) Datenstrukturen zur Prozessverwaltung Prozesstabelle Process Image: belegter Adressbereich, PCB: ID, Zustand, Steuerinfo.; Ressourcen, Priorität, etc. Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 45

46 Zusammenfassung Prozesse Mode Switch zwischen User/Kernel Mode Interrupt, Trap oder Supervisor Call Execution Mode versus Prozess/BS Kontext Unterschiedliche Ansätze der Implementierung von BS und Prozessen strikte Trennung BS Prozesse BS-Funktionen in User-Prozessen abgearbeitet Kernel-Prozesse zur Ausführung von BS-Funktionen Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 46

47 Threads Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 47

48 Motivation Threads Bisher betrachtete Prozesse bilden Einheit für 1. Ressourcenverwaltung 2. Dispatching (kurzfristiges Scheduling) Entkopplung von (1) und (2): Process (Task): Einheit der Ressourcenverwaltung Thread (Lightweight Process): Einheit für das Dispatching Multithreading: n > 1 Threads pro Prozess Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 48

49 Prozesse und Threads Process virtueller Adressraum mit Process Image Speicherschutz, Files, I/O Ressourcen Thread Ausführungszustand (Running, Ready, ) Kontext (wenn nicht gerade laufend) Stack thread-lokale statische und lokale Variable Zugriff auf Prozessspeicher und Ressourcen Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 49

50 Singlethreaded Process Model Process Process Control Block User Address Space User Stack Kernel Stack Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 50

51 Multithreaded Process Model Thread Thread Thread Process Control Block Thread Control Block User Stack Thread Control Block User Stack Thread Control Block User Stack User Address Space Kernel Stack Kernel Stack Kernel Stack Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 51

52 Vorteile von Thread vs. Prozess Thread-Erzeugung benötigt weniger Zeit Umschaltung zwischen Threads geht schneller als ein Process Switch Terminierung eines Threads benötigt weniger Zeit als Prozessterminierung Kommunikation zwischen Theads eines Prozesses ohne Einschaltung des Kernels, aber: Synchronisation notwendig!!! Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 52

53 Einsatzbereiche von Threads Applikationen, die zusammengehörige Menge von Abarbeitungseinheiten bilden Bsp: File Server in LAN mehrere Requests in kurzer Folge ein Thread für jeden Request Bsp: Spreadsheet-Programm ein Thread zeigt Menüs an und liest Inputs ein Thread führt Berechnungen und Updates aus Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 53

54 Thread-Zustände Wichtige Zustände: Running, Ready, Blocked Zustand Suspend existiert nicht für einzelne Threads - alle Threads eines Prozesses haben Zugriff auf den selben Adressraum Bei der Terminierung eines Prozesses terminieren alle zugehörigen Threads Was bedeutet das Blockieren eines Threads? Blockiert der Thread oder der ganze Prozess? Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 54

55 User-Level Threads (ULT) Threads sind für den Kernel unsichtbar Thread Management mittels Thread Library Thread Switching im User Mode (benötigt keinen Mode Switch) applikationsspezifisches Scheduling Threads P Lib. Threads User Space Kernel Space Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 55

56 Threads Library enthält Code für Erzeugung und Terminierung von Threads Daten-, Nachrichtenaustausch zwischen Threads Thread Scheduling Sichern und Herstellen von Thread Kontexten Blockierender System Call blockiert alle ULTs eines Prozesses keine Verteilung auf mehrere Prozessoren Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 56

57 Kernel-Level Threads (KLT) Thread Management durch den Kernel Kernel Thread API, keine Library Thread Switching durch den Kernel Scheduling auf Thread- Basis P Threads User Space Kernel Space Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 57

58 Kernel-Level Threads Thread-weises Blocking Kernel-Routinen multi-threaded gleichzeitiges Schedulen mehrerer Threads eines Prozesses (bei mehreren Prozessoren) Thread Switching innerhalb eines Prozesses über den Kernel benötigt 2 Mode Switches è Verlangsamung gegenüber ULTs z.b. kombinierter (hybrider) ULT/KLT Ansatz Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 58

59 Zusammenfassung Threads Thread: Einheit für das Dispatching mehrere Threads pro Prozess möglich schnelleres Erzeugen und Umschalten als bei Prozessen verschiedene Implementierungen user-level Threads kernel-level Threads Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Prozesse; WS 14/15 59