Architektur Verteilter Systeme Teil 2: Prozesse und Threads

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1 Architektur Verteilter Systeme Teil 2: Prozesse und Threads

2 Übersicht Prozess Thread Scheduler Time Sharing 2

3 Begriff Prozess und Thread I Prozess = Sequentiell ablaufendes Programm Thread = Faden = Sequentiell arbeitendes Programmstück als Teil eines Prozesses Jedes Programm, jeder Prozess und jeder Thread besteht aus Code und Daten Threadwechsel = Änderung der Zuordnung von Thread zur CPU Prozesswechsel = Änderung der Zuordnung von Prozess zur CPU Der Name Thread stammt von der Idee eines Fadens, der die Spur des Programm Counters im Code symbolisiert. In diesem Teil wird davon ausgegangen, dass es mehrere CPUs gibt, d.h. dass volle Parallelität zwischen Threads/Prozesses existiert. 3

4 Begriff Prozess und Thread II In einem Thread läuft jeweils ein "Programm", das aus Code, Daten und dem CPU-Status besteht. 4

5 Begriff Prozess und Thread III Thread = Coroutine = Light weight Process = ein sequentiell ablaufender Teil innerhalb eines Prozesses Ein Prozess besteht aus gegenüber anderen Prozessen getrennten Code und Daten, dem eine CPU zugeordnet werden kann, also ein eigenständiges laufendes bzw. lauffähiges Programm. Es gibt auch andere Definitionen von Thread, Coroutine etc. Diese einfache soll erst einmal reichen. 5

6 Threadwechsel I Jeder Thread wird mit einem Threaddeskriptor verwaltet: Aufbau des Threaddeskriptors: Identifikation (Name, Nummer) Verbrauchte CPU-Zeit Priorität etc. Die Zusammenfassung aller Deskriptoren in einer Tabelle wird meist Threadtabelle genannt. Ein Prozess wird durch eine MMU (Memory Management Unit) innerhalb eines virtuellen Speichers (Virtual Memory) realisiert. Auch für Prozesse gibt es Deskriptoren, die konsequenterweise in einer Prozesstabelle gespeichert werden. Der zusammenfassende Oberbegriff von Thread und Prozess soll hier Task heißen (mit einer Tasktabelle). Alle drei Namen beziehen sich auf dieselbe Tabellenart. 6

7 Thread-Tabelle struct Thread { // 1. Version int id; // Identifikation des Threads ThreadLayout data; // Datensegment } Thread threadtbl[max_threads] Die Threads erhalten eine eindeutige Nummer dies könnte auch der Index in der Tabelle threadtbl[] sein. Das Thread-Layout beschreibt die Struktur des Threads im RAM, d.h. hier stehen die Größenangaben des Stacks etc. 7

8 Speicher-Layout für mehrere Threads I Thread 1 Thread 2 Thread N 8

9 Speicher-Layout für mehrere Threads II Thread- Verwaltung Code Daten Thread1 Daten Thread2 Daten ThreadN 0 max In der Thread-Verwaltung befindet sich die Thread-Tabelle. Der Code wird von allen Threads gemeinsam benutzt. Dies ist die Sicht auf einen Prozess mit N Threads. 9

10 Scheduler I Der Scheduler wird innerhalb des Betriebssystems realisiert, er ist für folgende Aufgaben zuständig: in der Tasktabelle mitschreiben, welche Threads/Prozesse existieren, vermerken, welcher Thread zu welchem Anteil die CPU schon bekommen hat, vermerken des Thread-Zustandes (state): Running: Thread hat gerade die CPU Ready: Thread wartet auf CPU Waiting: Thread wartet auf Beendigung von I/O Sleeping: Thread benötigt irgendwann später die CPU, ändern des Threadzustands entsprechend einer neuen Situation, zuteilen der CPU dem nächsten Thread. Der Scheduler betrachtet (hier) die Threads als Basis, nicht die Prozesse. 10

11 Scheduler II Scheduler = Thread innerhalb des Betriebssystems, der die Zuteilung der CPU zu den Threads nach einem Verfahren (Scheduling Strategie) realisiert In der Tasktabelle werden dann die dafür notwendigen Informationen untergebracht. struct Thread { // 2. Version int id; // Identifikation des Threads int state; // Zustand ThreadLayout data; // Datensegment } Thread threadtbl[max_threads] 11

12 Scheduler III - Schema Start User-Mode Kernel-Mode Thread Scheduler while true do look_for_next; continue(thread); od; (2), (4), (6), (8), (10) Thread p1 Thread p2 (1) (3) (5) (9) continue(scheduler); continue(scheduler); (7) continue(scheduler); continue(scheduler); [Verkürzte Version: das continue(scheduler) ist Teil eines Syscalls Der Scheduler selbst arbeitet permanent im Kernel-Modus] 12

13 Time Sharing Verfahren Mit den vorgestellten Mechanismen lassen sich alle Nachteile bis auf die "Ungerechtigkeiten" bei der CPU-Vergabe sowie bis auf den Fall der Endlosschleifen beseitigen. Ein Timer ist ein spezielles Gerät, das nach einer eingestellten Zeit bzw. in zyklischen Abständen einen Interrupt sendet. Dieser wird immer mit dem Aktivieren des Schedulers behandelt. Zeitscheibe = Dauer zwischen zwei Timer-Interrupts Nach Ablauf einer Zeitscheibe kann damit der Scheduler die CPU an einen anderen Thread geben, unabhängig davon, ob ein I/O- Vorgang erfolgt ist oder nicht. 13

14 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... Auch ein Thread... 14

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