Modul B-PRG Grundlagen der Programmierung 1

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1 Modul B-PRG Grundlagen der Programmierung 1 Teil 3: Betriebssysteme, Dateisysteme,Sicherheit V20: Prozesse Prof. Dr. R. Brause Adaptive Systemarchitektur Institut für Informatik Fachbereich Informatik und Mathematik (12) Programme und Prozesse Warum Mehrprozessbetrieb? Effiziente Nutzung des Systems ❶ Mehrprogrammbetrieb: mehrere Teilnehmer am Rechner bzw. Server-Betrieb im Netz ❷ Parallelbetrieb: unterschiedliche CPU-Nutzung parallel auszuführender Prozesse eines Programms Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 2

2 Prozesse Parallelbetrieb durch Prozesse CPU-Idle Diskette Daten lesen Daten lesen Daten lesen Daten lesen Festplatte Platte lesen Platte schreiben Platte lesen Platte.. Drucker Daten drucken Daten drucken Daten drucken... und noch freie Prozessorkapazität für rechenintensives Programm im Hintergrund Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 3 Was sind Prozesse? Prozess = Programmdaten + Prozeßkontext Prozeß Prozeßkontext Daten CPU MMU Register Register Dateiinfo, Zugriffsrechte Programm Stack Kernel- stack Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 4

3 Unix Prozeßkontext Speicherresidente ProzeßkontrollblöckePCB der Proze ßtafel Scheduling-Parameter Speicherreferenzen: Code -, Daten-, Stackadressen im Haupt- bzw. Massenspeicher Signaldaten: Masken, Zustände Verschiedenes: Prozeßzustand, erwartetes Ereignis, Timerzustand, PID, PID der Eltern, User/Group-IDs Auslagerbarer Benutzerkontext (swappable user structure) Prozessorzustand: Register, FPU-Register, Systemaufruf: Parameter, bisherige Ergebnisse, Datei-Info-Tabelle (file descriptor table) Benutzungsinfo: CPU-Zeit, max. Stackgröße, Kernel-stack: Platz für Systemaufrufe des Prozesses Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 5 Prozeßzustände erzeugt erhalte Signal blockiert erwarte Signal Dispatcheraktionen terminiert nicht-ex. bereit Zuteilung aktiv running nicht-ex Prozesse warten... auf den Prozessor (bereit) auf eine Nachricht (blockiert) auf ein Zeitsignal (blockiert) auf Daten des I/O-Geräts (blockiert) Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 6

4 Prozeßerzeugung Ein Programm (Job) kann mehrere Prozesse erzeugen z.b. UNIX shell (Elternprozeß) cat Text1 Text2 pr lpr Kindsprozess1 Kindsprozess2 Kindsprozess3 Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 7 Unix: Prozeßerzeugung Beispiel shell Pseudocode LOOP Write(prompt); (* tippe z. B. > *) ReadLine(command, params); (* lese strings, getrennt durch Leertaste *) pid := fork(); (* erzeuge Kopie dieses Prozesses *) IF (pid=0) THEN execve(command,params,0)(* Kind: überlade mit Programm *) ELSE wait(pid) (* Eltern: warte aufs Ende vom Kind *) END; END; Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 8

5 Unix: Prozeßerzeugung Eltern Kind PID = fork() /* PID 0 */ if (PID==0) { }; /* PID = = 0 */ if (PID==0) {exec ( program )... }; wait(pid)... exit() };... Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 9 Nebenläufigkeit

6 Threads (Coroutinen) asynchroner, paralleler, unterschiedlicher Programmverlauf (eigener stack) gemeinsamer Prozeßkontext (Speicher- Addressbereich, Dateien (file handles) Thread 1 Thread 2 Thread 3 Gemeinsamer Prozeßkontext Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 11 Thread- Typen: lightweight threads kontrolliert vom Benutzerprogramm (z.b. Unix-Bibliothek) Vorteil: sehr schneller thread-wechsel Nachteil: Blockieren aller threads bei I/O-Warten von einem thread. Prozeß T1 T2 Systemaufruf Prozeß- I/O Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 12

7 Thread- Typen: heavyweight threads kontrolliert vom Betriebssystem (z.b. Windows NT) Vorteil: Unabhängiger I/O aller threads Nachteil:langsamer BS-Systemaufruf nötig fibers in NT Prozeß T1 T2 Systemaufruf thread I/O thread I/O Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 13 Threads in Python Modul thread: Funktionen zur Erstellung und Verwaltung von Threads. Low-Level Thread-Programmierung Modul threading: Basiert auf Modul thread. Gekapselte Thread-Klasse High-Level Thread-Programmierung Hinweis: Die mitgelieferte Entwicklungsumgebung von Python IDLE ist nicht thread-sicher, so sind zum Beispiel die Ausgabefunktionen nicht synchronisiert. Insbesondere bringt die gleichzeitige Ausführung von print-anweisungenidle zum Absturz!? Eigene Programme, die Threads benutzen, von der Kommandozeile aus starten! Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 14

8 Threads in Python Definition der Klasse Thread im Modul threading: Konstruktor (Auszug): Thread(target =None, name =None,...) target ist ein aufrufbares Objekt, das von der run()-methode aufgerufen wird. Aufrufbares Objekt: call () Methode ist definiert. name ist der Name des Threads. Wenn die Subklasse den Konstruktor überschreibt, so muss sichergestellt werden, dass zuerst der Konstruktor der Basisklasse (Thread. init ()) aufgerufen wird, bevor der Thread benutzt wird. Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 15 Threads in Python Methode start(): Starten des Threads. Derselbe Thread kann nicht mehrmals gestartet werden. Methode start() fügt den Thread dem Python-Scheduler hinzu, und kehrt dann sofort zurück. Methode run(): Wird vom Python-Scheduler aufgerufen Sobald die Methode run() beendet ist, beendet sich auch der Thread. Implementierung von Threads durch überladen der Methode run(self) in der Klasse Thread oder durch Übergeben eines aufrufbaren Objekts. Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 16

9 Threads in Python Beispiel (Implementierung durch Überladen der Methode run()): 3 Threads zählen gleichzeitig von 0 bis 9: import threading class countthread(threading.thread): def run(self): self.counter = 0 while self.counter!= 10: print self.getname(), self.counter self.counter = self.counter + 1 t1 = countthread(name = "Thread-1") t2 = countthread(name = "Thread-2") t3 = countthread(name = "Thread-3") t1.start() t2.start() t3.start() Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 17 Threads in Python Ausgabe: Thread-1 0 Thread-1 1 Thread-1 2 Thread-1 3 Thread-1 4 Thread-1 5 Thread-1 6 Thread-1 7 Thread-1 8 Thread-1 9 Thread-2 0 Thread-2 1 Thread-2 2 Thread-2 3 Thread-2 4 Thread-3 0 Thread-3 1 Thread-3 2 Thread-3 3 Fehlende Synchronisation! Thread-3 4 Thread-2 5 Thread 3 unterbricht Thread 2 Thread-2 6 während der Ausgabe! Thread-2 7 Thread-3 5 Thread-2 8 Thread-3 6 Thread-2 Thread Thread-3 8 Thread-3 9 Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 18

10 Prozeß-Scheduling Prozeßscheduling Vorplanung in verschiedenen Zeitma ßstäben Nutzer Langzeitschedul Kurzzeitschedul Jobende Hier: Nur Kurzzeitschedul! Ankunft Warteschlange Abgang Prozessor Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 20

11 Prozeßscheduling: Ziele Maximale Auslastung der CPU Ziel ist die 100%ige Auslastung der CPU, normal 40% 90%. Minimale Wartezeit (waiting time) Wartezeit in der bereit-liste minimieren (einziger Scheduling-parameter) Problem: Die Ziele sind weder vollständig noch konsistent Beispiel Autovermietung Werden bestimmte Kunden bevorzugt, müssen andere warten. Sind alle Wagen gut ausgelastet, müssen neue Kunden warten. Es gibt keinen idealen Schedulingalgorithmus! Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 21 Nicht-präemptives Scheduling Ankunft Warteschlange Abgang Prozessor Jeder Prozeß läuft so lange, wie er will. First Come First Serve (FCFS). Einsortieren in der Ankunftsreihenfolge (FIFO-Warteschlange). Shortest Job First (SJF) Job mit kürzester Bedienzeit zuerst (min. mittl. Wartezeit). Priority Scheduling (PS) Prio Prozeß; Bevorzugung von hoher Prio. Problem SJF und PS erlauben verhungern (starvation) von benachteiligten Prozessen Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 22

12 Präemptives Scheduling Ankunft Warteschlange Abgang Prozessor Abbruch Einführung von Zeitscheiben : Rücksichtslose Prozesse/Benutzer! Prozeß1 Prozeß2 Prozeß3 Prozeß1 Prozeß2 Zeitscheibe Jeder Prozeß läuft nur so lange, wie er darf. Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 23 Präemptives Scheduling Round Robin (RR) Einsortieren in der Ankunftsreihenfolge (FIFO-Warteschlange) + Zeitscheibe Dynamic Priority Round Robin (DPRR) wachsende Prio-Vorstufe + RR Shortest Remaining Time First Job mit kürzester verbleibender Bedienzeit zuerst. Kombinationen aller Strategien Grundlagen der Programmierung 1 R.Brause: Prozesse Folie 24