Kapitel III. Prozessverwaltung. VO Betriebssysteme

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1 Kapitel III Prozessverwaltung V 1

2 Was ist ein Prozess? Prozesse ein exekutierendes Programm (aktive Einheit) ein Prozess benötigt Ressourcen: CPU-Zeiten, Speicher, Files, I/O Systeme Betriebssystem ist verantwortlich für: Erzeugen und Terminieren von Prozessen Scheduling von Prozessen Synchronisierung von Prozessen Kommunikation zwischen Prozessen Behandlung von Deadlocks Was ist kein Prozess? Programm (passive Einheit) auf einer Speicherplatte Mehrere unabhängige Prozesse können dasselbe Programm verwenden (z.b. Mailprogramm). Prozess kann mehrere Prozesse erzeugen.

3 Multiprogrammierung Systeme, die mehr als 1 Prozess unterstützen Effizientes Nutzen von Ressourcen Während ein Prozess wartet, kann ein anderer exekutiert werden. Mehrere Aktivitäten zur gleichen Zeit: Window-System, Editor, Mail-Programm, Compiler, etc. Preemptive versus non-preemptive multiprogramming Preemptive: Prozess kann CPU durch Betriebssystem verlieren. Non-preemptive: Explizite Programmkonstrukte im Benutzerprogramm steuern die Zuordnung von

4 Context Switch CPU-Wechsel von einem Prozess zum anderen nennt man Context Switching: Sichern des Zustandes des aktuellen Prozesses Laden des Zustandes eines neuen Prozesses Context Switch kann nur durchgeführt werden, wenn das BS die CPU hat. Trap: Auftreten eines Fehlers Interrupt: Ursache liegt nicht beim Benutzerprozess. Kontrolle an BS (Interrupt Handler) Explizite Aufgabe der CPU durch Benutzerprozess (z.b. yield oder suspend, I/O Operation, etc.) preemptive scheduling Zeit für Context Switching ist kritisch!

5 CPU-Switch zwischen Prozessen Context-Switch

6 BS-Aktionen bei einem Interrupt

7 Prozesshierarchien Elternprozess erzeugt Kindprozess Kindprozess kann selbst wieder einen Prozess erzeugen definiert eine Hierarchie UNIX nennt das eine Prozessgruppe" Windows kennt keine Prozesshierarchien alle Prozesse sind gleichwertig ohne Hierarchie

8 Prozesshierarchie eines Unix-Systems

9 Prozesszustände Prozesse können in Abhängigkeit von internen und externen Ereignissen verschiedene Zustände einnehmen. Jeder Prozess befindet sich zu jedem Zeitpunkt in genau einem Zustand. Zu jedem Zeitpunkt kann immer nur 1 Prozess von der CPU exekutiert werden. Typische Zustände eines Prozesses (abhängig vom Betriebssystem): New: Prozess wurde soeben erzeugt. Running: Instruktionen werden exekutiert. Waiting: Prozess wartet auf ein Ereignis (z.b. I/O). Ready: Prozess wartet auf CPU. Terminated: Prozess ist beendet.

10 Zustandsübergänge von Prozessen new estätigt ready beenden terminated unterbrechen running bekommt CPU I/O Operation fertig oder I/O Operation oder Ereignis eingetroffen Warten auf Ereignis waiting

11 Scheduling (Prozessorzuteilung) Scheduling erfolgt bei folgenden Zustandsübergängen: Prozesszustand von Running in Waiting (z.b. I/O Anforderung) non-preemptive-scheduling Prozesszustand von Running in Ready (z.b. Interrupt) preemptive-scheduling Prozesszustand von Waiting in Ready (z.b. I/O Operation fertig) preemptive-scheduling Prozesszustand von Ready in Terminated non-preemptive-scheduling

12 Komponenten eines Prozesses Speichersegmente Programm: Textsegment Daten: Globale Variablen, Static Variablen Stack: Activation Records Heap: dynamisch angeforderte Daten CPU Register Programmzähler: nächste ausführbare Programmanweisung Allgemeine CPU Register Statusregister (Resultate von Vergleichsoperationen) Register für Fließkommazahlen

13 Betriebssystem und Prozesse (1) BS kontrolliert die Ausführung der Prozesse. Zuteilung von Ressourcen (CPU-Zeit, Speicher, Files, I/O Devices) Vergabe von Prioritäten Verwalten des Prozesszustandes Verwalten von Prozessen in Warteschlangen gemäß Prozesszuständen Erzeugen von Prozessen BS legt Speicher für Prozess an und verwaltet PCB. Wann wird ein Prozess erzeugt? Login Benutzerprozess erzeugt neuen Prozess (Process Spawning) BS erzeugt Serviceprozess etc.

14 Betriebssystem und Prozesse (2) ann wird ein Prozess beendet? Prozess exekutiert exit Systemaufruf. Prozess liefert eventuell Ergebnis an Parent-Prozess (wait Systemaufruf). Prozess terminiert anderen Prozess durch kill Systemaufruf. Laufzeitfehler bei Abarbeitung des Prozesses Logout durch Benutzer

15 Erzeugen eines Prozesses Wer erzeugt Prozesse? Jeder Prozess kann weitere Prozesse erzeugen. Verwende Fork- (oder Spawn-) Operation Prozessbaum Vater-Kind-Beziehungen zwischen Prozessen Welche Ressourcen (CPU-Zeit, Speicher, Files, I/O Systeme, etc.) bekommt ein Kindprozess? Neue Ressourcen vom Betriebssystem Kopie der Ressourcen (Adressraum) des Vaterprozesses Teilmenge des Vaterprozesses (geringere Gefahr der Überlastung des Systems) Welches Programm exekutiert der Kindprozess? Eine Kopie des Vaterprozesses (Unix fork) Ein Prozess kann sein Programm ändern (execve Systemaufruf in Unix) Ein neues Programm beim Erzeugen des Prozesses (DEC VMS spawn)

16 Erzeugen eines Prozesses (Fork) Erzeuge PCB für neuen Prozess Kopiere die meisten Einträge des Vaterprozesses Initialisiere Abrechnungsinformation eindeutige PID (Prozessoridentifikation) Speicherzuteilung Kopiere eventuell alle Speichersegmente des Vaterprozesses. Programmsegment normalerweise identisch mit Vaterprozess wird daher mit Vaterprozess geteilt. Verwende Speicherverwaltungs-HW Einfügen in Ready-Warteschlange

17 Prozessterminierung Prozess kann sich selbst terminieren. Exit Systemaufruf Prozess terminiert anderen Prozess. Kill Systemaufruf Nicht jeder Prozess kann jeden Prozess terminieren. Normalerweise kann Vorgänger- einen Nachfolgerprozess terminieren. Betriebssystem-Kernel kann Prozess terminieren bei Überschreiten der zugeteilten Ressourcen. Illegaler Operation. Vaterprozess terminiert vor Kindprozess. Kindprozess ist dann ein Orphan-Prozess. Unix: Orphan-Prozess wird Kindprozess des Root-Prozesses. VMS: Terminieren des Vaterprozesses führt zur Terminierung aller Nachfolgerprozesse.

18 Prozessterminierung in Unix Kernel Gibt Speicher frei. Speichert PCB in Terminate-Warteschlange. Beendete Prozesse Signal an Vaterprozess über Prozessende (SIGCHILD) Prozess bleibt bestehen, bis er vollständig gelöscht wird (von Vater oder Kernel) Zombie-Prozess. Vaterprozess Wait Systemaufruf wartet auf Terminierung von Kindprozess und liefert Informationen über Terminierungsstatus Abrechnungsinformation Signal Handler sammelt beendete Prozesse.

19 Kontrolldaten des BS as BS verwaltet Prozesse und Ressourcen mithilfe von abellen: Prozesstabellen (PCBs) Speichertabellen I/O-Tabellen File-Tabellen etc.

20 Prozesskontrollblock (PCB) ür jeden Prozess verwaltet das Betriebssystem einen PCB (dynamische atenstruktur), in dem Informationen über Prozesse gespeichert sind. nhalt des PCB: Prozesszustand: new, ready, etc. CPU-Register Speicherverwaltungsinformation Seitentabellen, Basis- und Offsetregister für Segmente, etc. CPU Scheduling Information Prozessprioritäten, Pointer auf Prozesswarteschlangen Abrechnungsinformation Prozessidentifikation, Benutzerzeiten, Systemzeiten, verwendete Files, etc. I/O Statusinformation Liste der offenen Files Ausstehende I/O-Operationen usw.

21 Verwaltung von PCBs Betriebssystem verwaltet Prozesse in einer Prozesstabelle. Kollektion von PCBs nennt man Prozesstabelle. Prozesse werden in Warteschlangen basierend auf Prozesszustand abgespeichert. Ready Warteschlange P1 P2 Plattenspeicherwarteschlange P3 P4 Netzwerkwarteschlange P5 P6

22 Prozess-Scheduling Ein Prozess wandert während seiner Lebenszeit von einer Warteschlange zur nächsten. Scheduler (Teil des BS) ist für die Verwaltung der Exekution von Prozessen zuständig. kontrolliert den Übergang von Prozessen zwischen den Warteschlangen.

23 Scheduling-Kriterien (1) Maximiere CPU-Leistung: CPU soll zu 100 % ausgelastet sein. Maximiere Durchsatz: Anzahl der Prozesse, die pro Zeiteinheit (z.b. Stunde oder Sekunde) vollständig exekutiert werden Minimiere Turnaround-Zeiten (Durchlaufzeit): Zeit die ein Prozess benötigt, um von der Ready- in die Terminated- Warteschlange zu kommen Minimiere Wartezeiten: Zeit, die ein Prozess in der Ready-Warteschlange verbringt Minimiere Antwortzeiten:

24 Scheduling-Kriterien (2) Allgemeine Ziele des Schedulings: maximiere CPU-Auslastung, Durchsatz minimiere Antwortzeit, Wartezeit, Turnaround-Zeit Systemorientiert: maximiere CPU-Auslastung maximiere Durchsatz Benutzerprozessorientiert: minimiere Turnaround-Zeit minimiere Wartezeit minimiere Antwortzeit (besonders wichtig für interaktive BSe)

25 Prozess-Scheduling Typen 3 Arten von Scheduler: langfristiger, mittelfristiger und kurzfristiger Scheduler Scheduler unterscheiden sich dadurch, wie häufig diese aktiv (verfügen über die CPU) sind. Scheduling verändert den Zustand von Prozessen im Zustandsübergangsdiagramm.

26 Langfristiger Scheduler angfristiger Scheduler (LS) wählt Prozesse aus lattenspeicher für Exekution im Hauptspeicher aus. LS bekommt CPU ca. einmal pro Minute. LS kontrolliert Grad des Multiprogrammierens (Anzahl der Prozesse im Hauptspeicher). Prozess wird vom LS entweder in den Hauptspeicher geladen und in Warteschlange des kurzfristigen Schedulers eingefügt, oder Warteschlange des mittelfristigen Schedulers eingefügt und bleibt im Plattenspeicher. Wann soll ein Prozess in den Hauptspeicher geladen werden? Ein anderer Prozess terminiert. CPU-Auslastung unterschreitet Grenzwert.

27 Mittelfristiger Scheduler ittelfristiger Scheduler (MS) kontrolliert das Swapping. Swapping: Auslagern von Prozessen auf einen Sekundärspeicher CPU-Belastung ist zu groß. Es ist zuwenig Speicher für alle Prozesse im Hauptspeicher vorhanden. Zuviele Prozesse im Hauptspeicher verschlechtern die Performance. Swapping wird durch 2 neue Prozesszustände realisiert. Ready, suspend Blocked, suspend

28 Kurzfristiger Scheduler (Dispatcher) er kurzfristige Scheduler (KS) wählt Prozess aus Readyarteschlange aus, der die CPU bekommen soll. KS bekommt CPU ca. einmal pro 100 msec. KS muss in dieser Zeit entscheiden, welcher Prozess als nächster die CPU bekommt. KS wird jedes mal aktiviert, wenn eine Event stattfindet, das den gerade exekutierenden Prozess unterbricht (Interrupt), oder eine Möglichkeit bietet, den gerade exekutierenden Prozess zu unterbrechen. Mögliche Events: Clock Interrupt, I/O Interrupt, BS Systemaufruf, Signal, etc. KS ist sehr zeitkritisch.

29 Prozesszustände mit Suspend (1) new ready, suspend langfristiges Scheduling ready kurzfristiges Scheduling running blocked, suspend mittelfristiges Scheduling blocked Event Wait exit

30 Prozesszustände mit Suspend (2) Zustände: ready: Prozess ist im Hauptspeicher und wartet auf die CPU. blocked: Prozess ist im Hauptspeicher und wartet auf ein Event. blocked, suspend: Prozess ist im Plattenspeicher und wartet auf ein Event. ready, suspend: Prozess ist im Plattenspeicher und bereit für die Exekution, sobald dieser in den Hauptspeicher geladen wird. Zustandsübergänge: running > blocked: Prozess fordert etwas (z.b. File) an, das noch nicht da ist. blocked > ready und blocked, suspend > ready, suspend : Event, auf das ein Prozess wartet, findet statt. new > ready, new > ready, suspend: neuer Prozess wird erzeugt. Wenn sich zu viele Prozesse im Hauptspeicher (new > ready) befinden, kann das zu Speicherproblem führen. Im Zustand ready, suspend bleibt der Prozess vorerst im Plattenspeicher.

31 Auswahl eines Prozesses für die CPU Auswahl eines Prozesses aus verschiedenen Warteschlangen für die Exekution durch die CPU nennt man Scheduling. Es gibt viele Scheduling-Strategien: First-come-First-Served (FCFS) - Prozess, der am längsten in Ready-Warteschlange ist Round-Robin Scheduling FCFS und preemption Shortest Process Next - Prozess mit geringster Verarbeitungszeit Shortest Remaining Time First - Prozess mit geringster Zeit bis zur Terminierung Prioritäten-Scheduling - Prozess mit höchster Priorität etc.

32 First-Come-First-Served (FCFS) Prozess, der CPU zuerst anfordert, bekommt CPU. Prozess, der am längsten in der Ready-Warteschlange ist, wird ausgewählt. BS bevorzugt bestimmte Prozesse. lange vor kurzen Prozessen CPU-intensive vor I/O-intensiven Prozessen Prozess P1 P2 Zeit 24 3 P3 3 Prozesse fordern CPU in der Reihenfolge P1, P2, P3 an: durchschnittliche Wartezeit? Prozesse fordern CPU in der Reihenfolge P2,P3,P1 an: durchschnittliche Wartezeit?

33 Shortest-Process-First rozess mit kürzester Laufzeit bekommt die CPU. Verfahren ist nicht preemptive. FCFS bei gleichlangen Prozessen verbessert Antwortzeit Problem: Performance-Abschätzung Schlecht für Time-Sharing-Systeme lange Prozesse Prozess P1 P2 P3 P4 Zeit rozess-scheduling unter der Annahme, dass sich P1, P2, P3 und P4 in der Ready-Warteschlange befinden. durchschnittliche Wartezeit?

34 Shortest-Remaining-Time-First Bei Ankunft eines neuen Prozesses Pi kann ein Prozess Pj, der die CPU hat, unterbrochen (Preemption) werden, wenn Pi weniger CPU-Zeit benötigt als Pj. Vorteil: bessere Turnaround-Zeiten als Shortest-Process-First Nachteile: Verzögerung von langen Prozessen Performance-Abschätzung Prozess-Scheduling wie folgt: Prozess Ankunft Zeit durchschnittliche Wartezeit? P1 0 8 P2 P3 P

35 Prioritäten-Scheduling Prozesse werden nach Prioritäten mit und ohne Preemption gescheduled. CPU wird an Prozess mit höchster Priorität (kleinster Wert) vergeben. bei gleicher Priorität verwende FCFS Problem: Verhungern von Prozessen Prozess Zeit Priorität Beispiel ohne Preemption: P Prozess-Scheduling wie folgt: durchschnittliche Wartezeit? P2 P P4 P

36 Round-Robin-Scheduling (1) FCFS mit Preemption und fixen Zeitintervallen Dispatcher geht über Warteschlange und weist jedem Prozess die CPU für eine bestimme Zeiteinheit zu. Wenn Prozess weniger als diese Zeiteinheit benötigt, dann gibt er CPU wieder ab. Wenn Prozess mehr als diese Zeiteinheit benötigt, dann erfolgt Preemption Interrupt zum BS Context-Switch Prozess ans Ende der Warteschlange Dispatcher wählt nächsten Prozess aus.

37 Round-Robin-Scheduling (2) Prozess, der die CPU zuerst anfordert, bekommt diese auch. Prozess P1 P2 P3 Zeit eispiel: Zeiteinheit ist 4 und alle Prozesse fordern CPU zur gleichen Zeit n. durchschnittliche Wartezeit?

38 Round-Robin-Scheduling (3) Länge der Zeiteinheit hat Einfluss auf System-Performance. Lange Zeiteinheit realisiert FCFS. Kurze Zeiteinheit realisiert Processor Sharing: kurze Prozesse werden schneller abgearbeitet. 1 CPU für n Prozesse erscheint wie n CPUs (1/n der Geschwindigkeit des realen Prozessors) für n Prozesse. Es scheint, als ob es 10 langsame CPUs statt einer schnellen CPU gibt. Zeit für Context Switch ist auch zu berücksichtigen. Wenn Context Switch 10 % der Zeiteinheit benötigt, so werden ca. 10 % der CPU für das Context Switching benötigt.

39 Prozesse und Threads Ein Prozess hat Ressourcen virtuellen Adressbereich in dem das Prozess-Image geladen ist und der durch Speicherschutz abgesichert ist. Files, I/O Ressourcen, etc. definiert eine Einheit für das Scheduling Getrennte Betrachtung von Ressourcen und Scheduling-Einheit Ein Prozess entspricht einer Einheit für die Ressourcenverwaltung. Ein Thread entspricht einer Einheit für das Scheduling. Bei mehr als 1 Thread pro Prozess spricht man von Multithreading.

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