Von Prozessen und Prozessoren (Prozess-Management)

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1 Von Prozessen und Prozessoren (Prozess-Management) V1.1 Technische Berufsschule Zürich IT Seite 1

2 Aus dem Geschichtsbuch: Grossrechner IBM 7094, 1965: Online- und Batchbetrieb IBM-Lochkarte Technische Berufsschule Zürich IT Seite 2

3 Und heute: Einzelnes Mainboard Saal mit 672 Schränke Einzelner 19-Zoll Schrank Fujitsu-Supercomputer «K»: Petaflops, x SPARCC64VIII 2GHz 8 Cores CPU s (Zum Vergleich: Aktuelle Intel i7 haben ca. 100Gigaflops) Stand: 2011 Technische Berufsschule Zürich IT Seite 3

4 Single Task Single User Single Task Multi User Multi Task Single User Multi Task Multi User Mainframe Terminals Moderner PC Technische Berufsschule Zürich IT Seite 4

5 Stapelverarbeitung Batchprocessing Dialogbetrieb Interactive Time Sharing Teilhaberbetrieb Transaction Mode Echtzeitverarbeitung Realtime Technische Berufsschule Zürich IT Seite 5

6 Multitasking Single Task: Echtes Multitasking: Unechtes Multitasking: (Wird im weiteren genauer betrachtet ) Batchbetrieb = Stapelverarbeitung Einprozessor-System Mehrere Prozesse auf mehreren CPU s Prozessor = Prozess! Echte Parallelität Skalierbare Prozesse Multiprozessor-System Mehrere Prozesse auf einer CPU Prozessor Prozess! (Pro Prozess ein virtueller Prozessor) Interactive/Time-Sharing-Betrieb (Dialogbetrieb) Einprozessor-System, d.h. pro Prozess ein virtueller Prozessor Kooperatives Multitasking = (non preemptiv) Apple OS9, Win95 Preemptive Multitasking = Realtime-Systeme, Interaktive Systeme Windows NT, 2000, XP, Vista, WIN7/8, UNIX, Linux, Apple-OSX Hyperthreading: Aufteilung einer CPU in mehrere virtuelle CPU s Technische Berufsschule Zürich IT Seite 6

7 Multitasking: Frau Huber Der Prozessor Frau Huber s Tasklist (Aufgabenliste) Papier zurechtschneiden Couverts adressieren Diktat aufnehmen Akten verräumen Telefonate führen Kaffee servieren Briefe schreiben Frau Huber erledigt dies alles scheinbar gleichzeitig. In Tat und Wahrheit hat aber auch sie nur zwei Hände und muss die Aufgabenliste nacheinander (sequentiell) abarbeiten Kaffee servieren Briefe schreiben Telefonate führen Technische Berufsschule Zürich IT Seite 7

8 1. Variante: Kooperatives Multitasking Task-Kaffee is running Task-Briefe is running Task-Telefon is running Frau Huber serviert so lange Kaffee, bis die Kaffeekanne leer ist. Nun muss sie auf neuen Kaffee warten, der ihr vom Kantinenpersonal geliefert wird und hat nun zeit für etwas anderes. (Warten auf Ressourcen) Die Wartezeit auf den Kaffee nutz Frau Huber, indem sie die vom Chef verlangten Briefe schreibt. Sollte jetzt allerdings der Kaffee eintreffen, kann sich Frau Huber nicht sofort wieder dem Kaffee widmen, sondern erst dann, wenn Dafür wieder Zeit zur verfügung steht. Frau Huber beantwortet die Telefonate erst, wenn die Briefe fertig geschrieben sind Sollte allerdings das Schreiben der Briefe durch eine noch hängige Entscheidung des Chefs unterbrochen werden, könnte Frau Huber die Telefone beantworten. Technische Berufsschule Zürich IT Seite 8

9 1. Variante: Kooperatives Multitasking Task wartet auf etwas und ist gestoppt Task ist wieder bereit zum weiterlaufen Task-Kaffee Task-Couvert Task-Diktat Task wartet auf etwas und ist gestoppt Task-Telefon Task-Akten Task-Cartonage Task-Briefe Der laufende Task belegt den Prozessor solange, bis er von sich aus unterbricht oder nicht mehr weiterarbeiten kann (Warten auf Resourcen). Man nennt dies Non preemptives Multitasking (=Kooperatives MT) Technische Berufsschule Zürich IT Seite 9

10 2. Variante: Preemptives Multitasking (z.b. Timeslice-Betrieb) Chef-Scheduler Task-Kaffee running Task-Briefe running Task-Telefon running Task-Kaffee running Der Chef stoppt die Zeit und befiehlt Frau Huber alle 3 Min. sich mit dem nächsten Task zu beschäftigen Frau Huber serviert, solange sie Kaffee hat, längstens aber während 3 Min. Kaffee bis sie vom Chef unterbrochen wird. Frau Huber muss sich merken, wo sie beim Servieren des Kaffees stehengeblieben ist. Frau Huber schreibt während 3 Min. Briefe bis sie vom Chef unterbrochen wird. Frau Huber muss Sich merken, wo sie beim Schreiben der Briefe stehengeblieben ist. Frau Huber führt während 3 Min. Telefonate bis sie vom Chef unterbrochen wird. Frau Huber muss Sich merken, wo sie beim Telefonieren stehengeblieben ist. Solange immer noch oder schon wieder Kaffee vorhanden ist, serviert Frau Huber diesen, aber wieder für maximal 3 Min. Danach wird sie vom Chef unter- brochen- Frau Huber muss sich merken, wo sie beim Servieren des Kaffees stehengeblieben ist Technische Berufsschule Zürich IT Seite 10

11 2. Variante: Preemptives Multitasking (z.b. Timeslice-Betrieb) Task wartet auf etwas und ist gestoppt Task ist wieder bereit zum weiterlaufen Task-Kaffee Task-Couvert Task-Diktat Task wartet auf etwas und ist gestoppt Task-Telefon Task-Akten Task-Cartonage Task-Briefe Task kann vom System (Scheduler) gestoppt werden. Kann ein laufender Task vom Scheduler angehalten werden, (RESCHEDULING) so handelt es sich um Preemptives Multitasking. Dieses wird eingesetzt, wenn wichtige Prozesse den Prozessor im Bedarfsfall rasch erhalten müssen wie z.b. bei Realtime Systemen oder wo eine akzeptable Antwortzeit des Systems gefordert ist wie z.b. bei Timesharing. Technische Berufsschule Zürich IT Seite 11

12 Prozesszustände: Erzeugen des Prozesses (Create) Bereit zum Laufen (Ready) Prozessor bearbeitet Prozess (Prozess ist Running) Prozess wartet auf irgend etwas, ist somit blockiert (Blocked) Prozess wird beendet (Terminated) Der Scheduler plant + regelt die Prozesse nach folgenden Kriterien: Fairness (alle kommen einmal zum Zuge) Hoher Systemdurchsatz Minimaler Schedulingaufwand Optimale Antwortzeit Sinnvolles Verhalten bei Ueberlast Behandeln der Prozesse gemäss ihrer Wichtigkeit Scheduler-Strategien: FIFO-Scheduling (First-In-First-Out, kooperatives MT, veraltet!) Round-Robin- Scheduling (Timeslice, preemptive) Priority- Scheduling (non-preemptive & preemptive) Technische Berufsschule Zürich IT Seite 12

13 Der Scheduler plant und regelt die Prozesse nach folgenden Kriterien: Fairness (alle kommen einmal zum Zuge) Hoher Systemdurchsatz Minimaler Scheduling-Aufwand Optimale Antwortzeit Sinnvolles Verhalten bei Überlast Behandeln der Prozesse gemäss ihrer Wichtigkeit Timeslice-Betrieb. An jedem Prozess wird gearbeitet bis er auf Ressourcen warten oder aber seine zustehende Zeit abgelaufen ist. Es gibt s keine Prioritäten bzw. keine zeitlichen Optimierungen. Optimierung der Bearbeitungszeit je nach Art des Prozesses. CPU-lastige Prozesse lässt man möglichst lange arbeiten. I/O-lastige Prozesse entsprechend kurz um rasch auf andere I/O Anfragen zu reagieren. Technische Berufsschule Zürich IT Seite 13

14 Scheduler-Strategien First-Come-First-Served / Shortest-Job-First Scheduling für Stapelverarbeitungssysteme Einfachster Algorithmus Keine Unterbrechungsmechanismen Round-Robin Scheduling für interaktive Systeme Ältester, einfachster, häufigster Algorithmus Timeslice-Betrieb (Preemptive Multitasking) Alle Prozesse haben gleiche Priorität Prioritätsbasiertes Scheduling Round-Robin Scheduling mit Prioritätsklassen Jeder Prozess hat eine Priorität Dynamische Prioritätenssteuerung Preemptive Multitasking Technische Berufsschule Zürich IT Seite 14

15 Prozessmanagement unter UNIX / LINUX Jeder Prozess hat eine PID (Prozess-ID) Neuer Prozess kann nur von laufendem kreiert werden (Vater-Kind-Prozess) Jeder Prozess hat eine PPID (Parent-Prozess-ID) Kind-Prozess von /etc/init Vater-Prozess von /etc/login Kind-Prozess von /etc/getty Vater-Prozess von /bin/sh UNIX-Systemaufrufe (in einer höheren Programmiersprache wie z.b. «C») Kindprozess erzeugen: fork() Elternprozess auf Kindprozess warten lassen: wait() Prozess ersetzen: exec() Dieser Prozess ist auch als Kommando verfügbar: exec[programmname] Prozess einschläfern: sleep() Technische Berufsschule Zürich IT Seite 15

16 Die Programme init und getty Nach dem Rechnerstart: PID 0 = Scheduler PID 1 = Init Single-User Mode Multi-User Mode Run-Level getty (Verbindung zum Terminal) init konsultiert /etc/inittab (Liste der aufzustartenden Prg s) PID=Prozess-Identifikationsnummer PPID=Parent-PID (PID des Vaterprozesses) Technische Berufsschule Zürich IT Seite 16

17 Einflussnahme des Benutzers auf UNIX-Prozesse Kann Prozesse erzeugen: exec() Kann seine Prozesse beenden : kill() Kann Prozesse in Hintergrund oder Vordergrund verschieben Prozesse können als Batch laufen (ohne Bindung an ein Terminal) Prozesse können regelmässig oder zu einem bestimmten Zeitpunkt gestartet werden Zeitgesteuerte Prozessausführung unter UNIX Job einmalig ausführen: at Abarbeiten von Jobs, abhängig von Systemauslastung: batch Job wiederholt ausführen: cron Job als normaler User regelmässig ausführen lassen: crontab -e Regelmässig auszuführende Jobs verwalten: Eintrag in /etc/crontab Prozesskommunikation und Synchronisation unter UNIX Jeder Prozess hat seinen eigenen Kontext und ist von den anderen Prozessen geschützt! Die Kommunikation und Synchronisation zwischen Prozessen wird ermöglicht durch: Dateien (Mehrere Prozesse greifen auf eine Datei zu) Pipes / Named Pipes (FIFO) Signale (SW-Interrupts: zb. Ctrl-D, Programmfehler etc.) Message Queues (Betriebssystemdienstleistung) Semaphoren Spezielle Variablen) Shared Memory (Gemeinsamer Bereich im RAM) Technische Berufsschule Zürich IT Seite 17

18 Prozesse, Ressourcen und Ereignisse überwachen und konfigurieren WIN: Taskmanager > Ctr-Alt-Del WIN: tasklist, taskkill WIN: Leistungsprotokolle > Systemsteuerung/Verwaltung/Leistung UNIX: ps, pstree, top, kill UNIX: free, df, du, last, vmstat, procinfo etc. Auslagerungsspeicher (Wird beim Thema «Virtuelle Speicherverwaltung» behandelt) Dienste einrichten Dienste werden auch Services genannt. Hintergrunddienste werden unter Windows Windows-Systemdienst und unter Unix Daemon genannt. Hintergrunddienste werden üblicherweise beim Booten gestartet und nicht erst beim Einloggen. UNIX kennt verschiedene Runlevels, bei denen entsprechende Dienste gestartet werden. Je höher der Runlevel, umso mehr Dienste sind gestartet. Die Start-Scripts findet man bei UNIX unter /etc/init.d oder /etc/rc.d/init.d Bei Windows kann man mit services.exe die Dienste konfigurieren, die beim Sytemstart aktiviert werden sollen. Windows kennt keine Runlevels wie UNIX dafür aber den sogenannten abgesicherten Modus, bei dem nur die nötigsten Dienste und Treiber gestartet sind. Runlevels und abgesicherter Modus sind wichtig wenn es darum geht, Daten von einem angeschlagenen System zu retten oder notwendige Reparaturen vorzunehmen. Technische Berufsschule Zürich IT Seite 18

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