Systemy operacyjne – notatki do wykładu

Procesy i wątki.

Proces.

Proces - program (kod binarny) w czasie wykonania; wykonanie przebiega sekwencyjnie (wyjątek: procesy wielowątkowe – patrz niżej).

• Procesy wykonują się współbieżnie (ale niekoniecznie równolegle – podział czasu)

• Stany procesu:

- nowy: proces został utworzony

- wykonywany: są wykonywane instrukcje procesu

- oczekujący: proces czeka na wystąpienie zdarzenia

- gotowy: proces czeka na przydzielenie procesora

- zakończony: proces zakończył wykonanie

Reprezentacja procesu w systemie (zawartość bloku kontrolnego procesu):

- stan procesu

- identyfikator (unikalny numer – w UNIX’ie – PID)

- licznik rozkazów

- rejestry procesora

- wskaźnik do kolejki procesów

- informacje o pamięci zajętej przez proces

- wykaz otwartych (używanych plików)

Tworzenie procesu:

• za pomocą funkcji systemowej (np. fork() w UNIX)

• proces utworzony przez inny proces (macierzysty, ew. rodzic) nazywamy potomnym.

• potomek uzyskuje nową pulę zasobów lub korzysta z zasobów rodzica (mniejsze przeciążenie systemu).

Zakończenie procesu:

• po ostatniej instrukcji.

• specjalna funkcją (np. exit() w UNIX)

• na żądania rodzica ( abort() )

• niekiedy: zakończenie kaskadowe: po zakończeniu rodzica kończone są procesy potomne.

Wątek

Wątek sterowania (tzw. lekki proces): sekwencja instrukcji; tradycyjnie proces = jeden wątek sterowania, jednak czasami (w niektórych systemach) w przestrzeni adresowej procesu dopuszcza więcej wykonywanych współbieżnie wątków sterowania.

• wątek ma te same podst. cechy co proces (stany, możliwość tworzenia wątków potomnych, korzystania z urządzeń zewn. itd...)

• między wątkami tego samego procesu nie ma ochrony pamięci.

• analogia: maszyna-procesy == proces-wątki

• elementy wątku i procesu:

Wątek	Proces
licznik rozkazów	przestrzeń adresowa
stos	otwarte pliki, semafory
rejestry procesora	zmienne globalne
lista wątków potomnych	lista proc. potomnych

• Tradycyjny proces (ciężki) jest równoważny zadaniu z jednym wątkiem

• Jeżeli zadanie składa się z wielu wątków, to w czasie gdy jeden wątek jest zablokowany, może się wykonywać inny wątek tego zadania; współpraca wielu wątków w jednym zadaniu pozwala zwiększyć przepustowość i poprawić wydajność

• Wątki umożliwiają połączenie równoległości z sekwencyjnym wykonaniem:

(1) model dyspozytor-pracownik

(2) model zespołu

(3) model potoku

Wątki statyczne/dynamiczne:

- struktura wątków procesu jest ustalona (w kodzie źr. procesu) lub też proces może dowolnie tworzyć/usuwać swoje wątki

Implementacja wątków w systemie operacyjnym:

• Pakiet wątków : zbiór elementarnych działań na wątkach dostępnych w systemie (np. procedur bibliotecznych.

• Implementacja wątków w przestrzeni użytkownika:

• jądro nie wie o wątkach, widzi tylko jednowątkowe procesy

• zaleta1: można używać wątków w systemie, który ich nie implementuje (np. pierwotnie UNIX)

• możliwe szybkie przełączanie wątków – tylko przeładowania wsk. stosu i instrukcji oraz rejestrów (najszybsze działania w syst. komputerowym).

• zaleta2:każdy proces może używać własnego alg. planowania dla swoich wątków.

• problem1: przy blokowanych odwołaniach wątków do systemu – proces nie może oddać sterowania systemowi, musi czekać na swoje wątki. Używa się kodu sprawdzającego (and. jacket) czy odwołania wątków będą blokować.  a wątków używa się głownie w zadaniach z blokującymi odwołaniami, gdzie mają poprawić wydajność...

• problem2: nie ma wywłaszczania, wątki muszą same oddawać sterowanie procedurze wykonawczej procesu.

• Implementacja wątków w jądrze:

• system wykonawczy jest częścią jądra

• jądro zakłada tablicę wątków dla każdego procesu

• wszystkie funkcje mogące blokować mają postać odwołań do systemu

• gdy wątek czka, jądro wybiera następny – wydajność!

• wada: koszt odwołań do systemu (czas!)

• Ogólne problemy (najtrudniejsze do implementacji) z wątkami:

• obsługa przerwań (sygnałów)

• niewznawialne procedury systemowe

4