Einführung. Anwendung. logischer Adreßraum. Kontrollfluß (Thread) = CPU führt Instruktionen aus. Was charakterisiert einen Kontrollfluß?

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1 Kontrollflüsse Einführung 1 Motivation Kontrollfluß Anwendung logischer Adreßraum Kontrollfluß (Thread) = führt Instruktionen aus Was charakterisiert einen Kontrollfluß? Programmzähler Registerinhalte Aufrufkeller () Adreßraum Adreßraum + Kontrollfluß = Prozeß 2 Seite 3.1

2 Beliebig viele Prozessoren Logischer Adreßraum 1 Logischer Adreßraum n Von der tatsächlichen Prozessoranzahl abstrahieren Nebenläufigkeit bei der Anwendungsentwicklung ausnutzen Maximalen Parallelitätsgrad ausnutzen Mehr Freiheitsgrade Maximale Prozessoranzahl bei Start anfordern Zusätzliche Hardware leicht nutzbar Priorisierung von Prozessen u.ä. möglich 3 Virtuelle Prozessoren Logischer Adreßraum 1 Bessere (transparente) Nutzung vorhandener Hardware Zeitmultiplexen der realen Verwendung mehrerer Prozessoren (Multiprozessorsystem) Gleichzeitige Unterstützung mehrerer Anwendungen Bessere Hardware-Auslastung 4 Seite 3.2

3 - und I/O-Bursts Typisches Programmverhalten: alternierende - und I/O- Bursts: Lesen von Datei (I/O) Daten bearbeiten () Lesen von Datei (I/O) Daten bearbeiten ()... Frequenz I/O-Burst: Hardware wird aktiv Anwendung blockiert kann anderes Programm ausführen Dauer -Burst (ms) 5 Kontextwechsel Zustand eines virtuellen Prozessors speichert ein Prozeßkontrollblock (PCB) Interrupt oder Betriebssystemaufruf Zustand in PCB1 speichern Neuen Zustand aus PCB2 laden Kontrollfluß 1 Kontrollfluß 2 6 Seite 3.3

4 Multitasking P 1 P 2 P 3 P n-1 P n Zeitmultiplexen auf einem Prozessor Kontextwechsel wird durch Timer-Interrupt angestoßen Zeitscheibe: Maximale Zeitintervall zwischen zwei Timer-Interrupts Typische Werte Millisekunden wird von allen gängigen Betriebssystemen unterstützt 7 Prozeß-Zustandsmodell resign add Bereit assign Rechnend retire ready block Blockiert Verwaltung der PCB s in 3 Listen: Rechnend: PCB s der Prozesse, die im Besitz eines realen Prozessors sind (1 Element bei Monoprozessor, n bei Multiprozessor) Bereit: Rechenwillige Prozesse, denen kein realer Prozessor zugeordnet ist Blockiert: Prozesse, die einen realen Prozessor zur Zeit nicht sinnvoll nutzen können 8 Seite 3.4

5 Scheduler und Dispatcher resign add Bereit assign Rechnend retire ready block Blockiert Scheduler Wählt aus der Bereit-Liste bei Bedarf einen Kandidaten für die Rechnend-Liste Viele Schedulervarianten Dispatcher Führt Übergänge im Prozeß- Zustandsmodell aus Meist Assembler-Routinen 9 Der Prozeßkontrollblock (PCB) Rechnend Bereit Blockiert Sonstiges: Zusatzinformation bei Blockaden (Interrupt,...) Environment Geöffnete Dateien... Prozeßidentifikation Prozeßzustand Registerzustand (Ein- und Auslesen bei Kontextwechsel) Scheduling-Informationen: Priorität Zeitscheibe verbleibende Restzeit... Adreßrauminformation: Seitentabelle... Sonstiges nächster PCB 10 Seite 3.5

6 Zustandsübergänge Übergang Rechnend - Bereit : Prozeß hat sein Zeitlimit überschritten (Multi- Tasking) Höher-priorer Prozeß wurde bereit (z.b. durch Interrupt) Übergang Rechnend - Blockiert : Seitenfehler Blockade bis Seite(n) eingelagert Prozeß liest von Datei / Netzwerk / Tastatur Blockade bis die gewünschten Daten vorliegen Prozeß wartet auf den Eintritt einer Synchronisations-bedingung, die durch einen anderen Prozeß hergestellt werden kann Blockade, bis Synchronisationsbedingung eintritt 11 Preemptives und nicht-preemptives Scheduling Preemptives Scheduling Prozessor wird einer Anwendung unfreiwillig entzogen Preemption typischerweise bei abgelaufener Zeitscheibe (Timer) einzige Möglichkeit, um eine Monopolisierung zu verhindern Gleichmäßige Aufteilung der Rechenleistung möglich im Mittel schnelle Reaktion möglich Nachteile: Zusätzliche Kontextwechsel Programmlaufzeiten unbestimmt Nicht-preemptives Scheduling Anwendung gibt den Prozessor freiwillig ab Implizit z.b. bei blockierenden Aufrufen Explizit maximale Programmlaufzeiten abschätzbar (Echtzeitsysteme) Nachteile: Monopolisierung möglich Schnelle Reaktion nicht immer garantiert 12 Seite 3.6

7 Kooperatives Scheduling verbreitete nicht-preemptive Variante Beispiel: Windows 3.1x (16-Bit Anwendungen) Ereignisschlange Maus Tastatur Fensterstatus... Graphiksystem Anwendung 1 Anwendung 2 Anwendung n Anwendungsnachrichten oder freiwillige Abgabe (Yielding) 13 Kernel-Level-Threads Adreßraum 1 Adreßraum n Scheduler BS-Kern PCB Betriebssystem kann bei Blockade rechenbereiten Thread wechseln Scheduling-Problematik auf Anwendungsebene nicht sichtbar Nachteile: u.u. bei Wechsel Thread eines anderen Adreßraums Jede E/A-Operation u.a. muß eine Kernfunktion aufrufen Schwergewichtig: Adreßraumwechsel (kalter Cache) 14 Seite 3.7

8 User-Level-Threads Adreßraum 1 UL-Scheduler Adreßraum n Scheduler BS-Kern PCB Scheduling durch Anwendung effizientes Scheduling, kein Betriebssystemaufruf Leichtgeweichtig: Kein Adreßraum-wechsel (warmer Cache) Nachteile: (Scheduling durch Anwendung) Blockierende Aufrufe für Kernel- Level-Thread vermeiden 15 Seite 3.8

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