Betriebssysteme it-akademie Bayern z/os und OS/390 Lehrgang 2008 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm G. Spruth Teil 5 Prozessverwaltung

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1 Betriebssysteme it-akademie Bayern z/os und OS/390 Lehrgang 2008 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm G. Spruth Teil 5 Prozessverwaltung copyright W. G. Spruth,

2 Hardware Extern E/A Programm System- Fehler Aufruf Unterbrechungssteuerung Virtuelle E/A Prozess File Zeitgeber Speicher- Geräte Verwaltung System Debug, Verwaltung Steuerung andere Zeitscheiben - Scheduler nächster Prozess Struktur des Überwachers Der Ufruf des Überwachers (Supervisor, Kernel) erfplgt grundsätzlich über Unterbrechungen. Je nach Art der Unterbrechung werden unterschiedliche Komponenten des Überwachers aufgerufen. Der Scheduler (Zeitscheibensteuerung) sucht den nächsten auszuführenden Prozess aus. bs 0424 ww6 wgs 09-05

3 Prozesse, Scheduling Schlüsselkonzept moderner Betriebssysteme ist das Prozess-Konzept Anwendungsprogramme werden in Form von Prozessen verwaltet und zum Ablauf gebracht. Multiprogrammierung (Multitasking) bedeutet, es werden mehrere Prozesse abwechselnd bearbeiten Auswahl des nächsten zu bearbeitenden Prozesses und Umschaltung erfolgt durch Scheduler/Dispatcher- Programm, das zu bestimmten Zeitpunkten oder bei bestimmten Ereignissen gestartet wird. Scheduler/Dispatcher-Programm unterbricht dabei den gerade laufenden Prozess und startet u.u. einen anderen Prozess.

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5 Context Das eingefrorene Abbild dessen, was ein Prozess in einem gegebenem Zeitaugenblick tut. Der augenblickliche Zustand eines jeden Prozesses wird durch Daten in bestimmten Registern der CPU definiert. Diese Register sind besonders das Programm Status Wort (PSW), der Befehlszähler (in zseries Rechnern ein Teil des PSW), aber teilweise auch Mehrzweckregister, Steuerregister, Gleitkommaregister und Access Register. ar1502 wp wgs 03-94

6 Prozess (Process, Task) Auftrag (Job) Jedem Prozess sind Betriebsmittel zugeteilt : (mindestens ein Prozessleitblock - Process Control Block, PCB, Task Control Block, TCB). Weitere Betriebsmittel : Hauptspeicherplatz, Anspruch auf CPU - Zeit, Zugriffsberechtigungen. Ein Auftrag wartet darauf, daß das System für ihn einen (oder mehrere) Prozesse generiert.

7 Dynamische Scheduling-Verfahren Kooperative Verfahren: Hier muss Prozess den Prozessor freiwillig abgeben, d.h. direkt oder indirekt selbst Scheduler aufrufen, um einem anderen Prozess Ablauf zu ermöglichen. Konkurrierende Verfahren: Hier kann Scheduler dem gerade laufenden Prozess den Prozessor entziehen, was vorzeitige Unterbrechung bewirkt (Preemption). 2 Möglichkeiten, Scheduler aufzurufen: 1. zeitgesteuert (zu festen oder variablen Zeiten): Prozesse erhalten ihre Rechenzeit in abwechselnder Reihenfolge. 2. ereignisgesteuert (bei Eintritt bestimmter Ereignisse): Prozesse erhalten ihre Rechenzeit nach Priorität. Scheduler muss für anzuhaltenden Prozess Sicherung und für ausgewählten weiterlaufenden Prozess die Restaurierung des Prozess-Kontextes durchführen.

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10 Gegensatz Prozessleitblock Save Area Umladen der Mehrzweckregister der CPU

11 Prozessleitblock Task Control Block (TCB) Ein Prozess wird durch einen Prozessleitblock (PLB) beschrieben. Der Prozessleitblock enthält wichtige Funktionen für die Ausführung eines Prozesses. z/os verwendet die Bezeichnung Task Control Block (TCB) Andere Architekturen verwenden Process Control Block (PCB). Zu jedem Zeitpunkt beansprochen in der Regel viele Prozesse Platz im Hauptspeicher und könnten ausgeführt werden. In einem Rechner mit einer CPU verarbeitet die CPU aber nur einen Prozess. In einem Mehrfachrechner mit n CPUs können gleichzeitig n Prozesse ausgeführt werden.

12 Funktion des Prozessletblockes Prozess Identifikation Prozess - Status Prozess - Priorität Zeiger für Hauptspeicherbereich Zeiger auf zugeordnete Betriebsmittel Register - Save Area (Mehrzweckregister, Gleitkommaregister)

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14 Die Prozessverwaltung arbeitet mit Datenstrukturen, welche als QUEUEs ausgebildet sind. Die wichtigste Implementierungsart sind LINKED LISTS. Andere Darstellungen, z. B. TABELLEN sind möglich.

15 Prozessleitblock (PLB, TCB) Zuordnung aus bestehendem Vorrat PLB List Free List PLBs in Benutzung PLBs verfügbar für neue Prozesse Gespeichert in der System Queue Ares (SQA) System Control Block Area

16 Dispatching Reihenfolge von TCBs innerhalb von virtuellen Adressenräumen

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19 Unterschiede im Prozessmodell Grob vereinfacht: VAX VMS, z/vm, z/os erzeugen einen Prozeß pro Logon UNIX erzeugt einen neuen Prozeß bei jedem Systemaufruf (system call) Das zvm Kommando Iistfile wird als Teil des bestehenden Benutzerprozesses verarbeitet. Das UNIX Kommando Is I erzeugt einen neuen Prozess. wgs 1-93

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21 Datenstruktur zur Prozesskontrolle Process Management in UNIX ein Prozeß ist die Ausführung eines Images; ein Image ist eine Ausführungsumgebung; sie enthält: Speicherabbildung Registerbelegung Status geöffneter Dateien etc. ein Image wird repräsentiert durch einen Prozeßdescriptor Prozeßgründung geschieht durch Anlegung einer identischen Kopie des Images vom gründenden Prozeß (Vaterprozeß).

22 Vereinfachter Prozesswechsel In Unix UNIX System V Child Process erhält Kopie des Hauptspeicherinhalts des Parent Prozesses BERKELEY 4.2 UNIX (virtuell) kopiert nur Segment / Seitentafeln ( "Copy on Write" Bit im Seitentafeleintrag )

23 Threads Threads sind quasi-parallel laufende Ablauffäden innerhalb eines Prozesses, die sich alle Ressourcen des Prozesses teilen, vor allem den Speicher des Prozesses, weshalb sie auch einfach untereinander Daten austauschen können. Daher auch kein gegenseitiger Speicherschutz. Umschalten erfolgt wie zwischen Prozessen durch Scheduler. Alle modernen Betriebssysteme stellen für die dynamische Erzeugung von Threads innerhalb eines Programms bzw. Prozesses eigene spezielle Dienstfunktionsaufrufe zur Verfügung.

24 z/os Prozessverwaltung Ein z/os Prozess besteht aus mehreren Arbeitseinheiten, die als Tasks bezeichnet werden. Eine Main Task generiert Subtasks und entspricht in etwa einem Thread in Unix oder XP. Wenn ein Programm gestartet wird, erstellt z/os hierfür einen Main Task Control Block (TCB). Das Programm kann weitere Subtasks erstellen mit Hilfe des ATTACH System Aufrufes. Da der ATTACH Overhead relativ groß ist, implementieren zeitkritische Subsysteme wie z.b. CICS ihr eigenes Subtasking. Im Überwachermodus existieren zusätzlich SMB s und SRB s. Windows kennt Fibers (light weight threads, die durch die Anwendung gescheduled werden). Die CICS Portierung auf Windows benutzt Fibers. es 0542 ww6 wgs 09-99

25 Light Weight Processes, Threads Ein Prozess besteht aus mehreren Threads (Light Weight Processes). Threads werden vom Scheduler des Überwachers verwaltet. Nur 1 Thread hat in jedem Augenblick die Verfügungsgewalt über die Zentraleinheit. Die zu einem bestimmten Prozess gehörenden Threads teilen sich in den gleichen Adressenraum (Konfliktsteuerung über Semaphore, z.b. Compare und Swap). Threads haben eigene Stacks bzw. Bereiche für lokale Variablen.

26 Threads(1) Prozess definiert die Ausführungsumgebung z. B. Adressraum, Kommunikationskanäle, E/A Thread (Lightweight Process) definiert den Aktivitätsfluß z.b. Register, Befehlszähler, Stackpointer Ein Thread (Faden, Kontrollfaden) ist eine Programmeinheit, die parallel zu anderen Programmeinheiten im selben virtuellen Adressbereich arbeiten kann Dispatchable Einheit innerhalb eines Prozesses "Processes do not run, but Threads do" Können in einem von 3 Zuständen sein: laufend (running) wartend (blocked) ausführbar (ready to run, ready) Werden durch einen Systemaufruf erzeugt (z.b. "DosCreateThread" unter OS/2).

27 Threads(2) Werden durch die "Thread ID" (TID) gekennzeichnet. Das Paar PID:TID identifiziert eindeutig einen Thread. Ein Thread besteht aus einem Stack, CPU Status, Priorität, Befehlszähler, sowie einem Eintrag in der Scheduler Liste Thread 1 hat einige besondere Eigenschaften: wird gleichzeitig mit seinem Prozess geschaffen empfängt für den Prozess bestimmte Signale ist für Prozessinitialisierung und-terminierung zuständig Auf einem z/os Rechner werden in jedem Augenblick zahlreiche Jobs multiprogrammiert abgearbeitet, teilweise als unabhängige Prozesse, teilweise als Threads. CICS verwendet einen Thread-ähnlichen Mechanismus für die Abarbeitung von Transaktionen. Ein Threadwechsel entspricht einem Kontextwechsel. Damit dieser schnell erfolgen kann, ist Hardwareunterstützung erforderlich

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30 Beispiele für Thread Benutzung unter Windows Thread 1 zum lesen von Drive C: Thread 2 zum gleichzeitigen Schreiben auf Drive D: Thread 1 Thread 2 stellt Copyright Notiz auf den Bildschirm während gleichzeitig Programm lädt Word for Windows benutzt einen getrennten Thread für die Save Option um Daten auf die Platte zu schreiben. Drucken verwendet ebenfalls einen eigenen Thread.

31 FF..FF Main Request 1 Request 2 Request 3 andere Process Process Process Process Prozesse Kernel Ansatz mit mehreren Prozessen FF..FF T h r e a d T h r e a d T h r e a d andere Prozesse CICS Nucleus Kernel OO..OO Thread Ansatz Ein Hochleistungs-Transaktionssystem verarbeitet in jedem augenblick Hunderte oder Tausende von Transaktionen gleichzeitig und parallel. Zwei Alternativen: 1 Prozess pro Transaktion (Beispiel SAP R/3) 1 Thread pro Transaktion (Beispiel CICS unter z/os)

32 TX = Thread, z.b. CICS Transaktion Multiprogrammierung mit Threads

33 Vorteile vonthreads Bei der Thread Erzeugung wird der Aufwand für die Speicher-verwaltung reduziert. Kann z.b. beim UNIX FORK System Call wichtig sein. Fragen mit Threads Wer verarbeitet Exceptions? Prozess Wer besitzt Locks? Prozess Thread oder Thread oder ar 1510 ww6 wgs 12-99

34 Simultaneous Multi-Threading (SMT)

35 z/os und OS/390 Prozessverwaltung Ein OS/390 Prozess besteht aus mehreren Arbeitseinheiten, die als Tasks bezeichnet werden. Eine Main Task generiert Subtasks. Eine Subtask entspricht in etwa einem Thread in Unix oder Windows. Wenn ein Programm gestartet wird, erstellt z/os hierfür einen Main Task Control Block (TCB). Das Programm kann weitere Subtasks erstellen mit Hilfe des ATTACH System Aufrufes. Da der ATTACH Overhead relativ groß ist, implementieren zeitkritische Subsysteme wie z.b. CICS ihr eigenes Subtasking. Im Überwachermodus existieren zusätzlich SMB s und SRB s. Windows kennt Fibers (light weight threads, die durch die Anwendung gescheduled werden). Die CICS Portierung auf Windows benutzt Fibers. z/os und OS/390 Language Environment Enclaves es 0542 ww6 wgs 09-99

36 Task control blocks (TCBs) TCBs are created in response to an ATTACH macro. By issuing the ATTACH macro, a user or system routine begins the execution of the program specified on the ATTACH macro, as a subtask of the attacher s task. As a subtask, the specified program can compete for processor time and can use certain resources already allocated to the attacher s task. The region control task (RCT), which is responsible for preparing an address space for swap-in and swap-out, is the highest priority task in an address space. All tasks within an address space are subtasks of the RCT.

37 Service request blocks (SRBs) An SRB represents a request to perform a service in a specified address space. Typically, an SRB is created when one address space is executing and an event occurs that affects a different address space. Only supervisor state, key 0 functions create an SRB. They obtain storage and initialize the control block with such things as the identity of the target address space and pointers to the code that will process the request. The component creating the SRB then issues the SCHEDULE macro and indicates whether the SRB has global (system-wide) or local (address space wide) priority. SCHEDULE places the SRB on the appropriate dispatching queue where it will remain until it becomes the highest priority work on the queue. SRBs with a global priority have a higher priority than that of any address space, regardless of the actual address space in which they will be executed. SRBs with a local priority have a priority equal to that of the address space in which they will be executed, but higher than any TCB within that address space. The assignment of global or local priority depends on the importance of the request; for example, SRBs for I/O interrupts are scheduled at a global priority, to minimize I/O delays.