Wykład 8

Sterowanie procesami

Komunikacja między procesami



Koncepcja procesu



Stany procesu



Przełączanie pomiędzy procesami



Przykład implementacji przełączania procesów



komunikacja międzyprocesowa



s

ygnały



strumienie

Wieloprogramowość

Cecha umożliwiająca „jednoczesne” wykonywanie

wielu programów

Wymagany program organizujący pracę programów

użytkowych – system nadzorczy/operacyjny

Mechanizmy sterowania wykonaniem programów
Mechanizmy przepływu informacji pomiędzy
programami

Składowe systemu operacyjnego

ładowalne moduły jądra

jądro

wspólne biblioteki systemu

programy zarządza-

nia systemem

procesy użytko-

we

pomocnicze progra-

my użytkowe

kompilatory

„przybory” systemowe

(tryb użytkownika)

Współdziałanie

aplikacji z jądrem

(tryb użytkownika)

Pamięć wirtualna,

procesy, sygnały

(tryb jądra)

Składowe systemu cd

Koncepcja procesu

System wieloprogramowy

= wiele realizacji programów może

być wykonywanych jednocześnie



proces

Cechy procesu

realizacja

wykonywania programu

wykonanie/wstrzymanie

w dowolnym momencie

równoległość

– przełączanie kontekstowe

niezależność

: wykorzystanie mechanizmów CPU dla

zapobieżenia bezpośredniego korzystania z hardware’u lub

komórek o ustalonych adresach

tryb użytkownika i tryb jądra

ochrona pamięci

Składniki procesu

Składowe procesu w systemie LINUX





Liniowa przestrzeń adresowa

, w której wydzielić można

sekcję tekstu (kod programu), sekcję danych i sekcję stosu.



Licznik programu

wskazujący na aktualnie wykonywaną

instrukcję, lub w przypadku programów wielowątkowych wiele

takich liczników.



Zapis stanu rejestrów

procesora.



Deskryptory plików

, opisujące otwarte przez proces pliki,

strumienie i połączenia sieciowe.



Dane procesu

, takie jak unikalny dla procesu numer

PID

,

numer użytkownika

UID

, numery grup

GID

, efektywny UID i

GID..



Zależności rodzinne

z innymi procesami: rodzic, lista dzieci i

braci.



Liczniki statystyczne

zapisujące m.in. zużyty czas w trybie

jądra i trybie użytkownika.

Deskryptor procesu

Każdy proces reprezentowany jest przez jego deskryptor

typ

nazwa

opis

bieżący stan procesu (executing, ready, itd.)

priorytet

polityka szeregowania (łańcuchowo, itp.)

bieżący czas przydzielony procesowi

lista deskryptorów uruchomionych procesów

identyfikator procesu (PID)

stan rejestrów CPU

Procesy i zadania

Procesy z zewnątrz widziane jako niezależne

Od strony jądra – poszczególne zadania systemu

program

użytkownika

procedura
biblioteczna

obsługa

wywołań
systemowych

procedury

jądra

Składowe systemu cd

Tryb jądra

•

Aktywny:

•



w trybie użytkownika - proces znajduje się „w procesorze” i wykonuje

swój kod.

•



w trybie jądra - jądro wykonuje wywołanie systemowe wykonane przez

proces.

•

Gotowy

do wykonania -

może być uruchomiony w każdej chwili, jednak nie

został mu jeszcze przydzielony procesor.

•

Uśpiony

– proces czeka na jakieś zdarzenie, na przykład na odczyt danych

z dysku lub z sieci.

•

Zatrzymany

– proces czeka na sygnał (wznowienia)

•

Zombie

(widmo)-

proces zakończył działanie i czeka na odebranie kodu

powrotu przez proces

, który w międzyczasie przestał istnieć.

Stany procesu

Zmiany stanu procesu

przełączenie w stan działania

ustanowienie nowego
procesu

zakończenie procesu

sygnał
zatrzymania

zdarzenie! ->
proces do
kolejki

proces uśpiony;

oczekuje zdarzenia

przełączenie
w stan

gotowości

GOTOWY

WIDMO

DZIAŁA

ZATRZYMANY

UŚPIONY

sygnał
wznowienia
od innego
procesu

UTWORZENIE

PROCESU

Przełączanie kontekstowe

Przełączanie kontekstowe

zapisz zawartość rejestrów CPU do deskryptora procesu

odczytaj zawartość rejestrów CPU z deskryptora następ-

nego procesu

Rejestry zachowywane przy przełączaniu

licznik programu i wskaźnik stosu

rejestry robocze (ogólnego przeznaczenia)

rejestry jednostki zmiennoprzecinkowej

PSW

rejestry zarządzania pamięcią

Sterowanie procesami przez jądro

Tryb jądra i tryb użytkownika

CPU pracuje w

trybie jądra

lub w

trybie użytkownika

programy w

trybie użytkownika nie mają dostępu

do

przestrzeni danych jądra i funkcji jądra

programy w

trybie jądra mają dostęp

do wszystkich

zasobów

Źródła przełączenia w tryb jądra

PRZYKŁAD IMPLEMENTACJI
PRZEŁĄCZANIA PROCESÓW

The diagram of the programme

Initial- value

label

LOOP

Copy temperature in

variable and display

Wait 250ms

Label

Arrows up

Enter

KEYBOARD

Arrows

down

Increment variable Decrement variable display OK
and display with and display with with
OK OK temperature

no enter

Wait 1.5 seconds Wait 2secondes

Put enter

Display new
Temperature display
temperature

Calculation and

Calculation and

execution of

execution of

a control

a control

Przykład: urządzenie sterujące
ogrzewaniem (mikrokontroler)

Funkcje:

-odczyt ustawień

-komunik. przez wyświetlacz

-obliczenie sterowania

-sterowanie

Procesy składowe aplikacji

Zasoby systemu wielozadaniowego

Zasoby procesów składowych aplikacji

Initialisation

stack0,1,2,3 starts at address ...H (internal ram)

values for the timer 0

Set values for variables

……………………

……………………..

main_prog

Process0

Process1

Process2

Process3

Switching routine

Budowa systemu

PROCESS 1

WAIT 100 MS

READ

INPUT EXECUTED

VARIABLE

NO

EXECUTED?

YES

READ VARIABLE

DISPLAY

PROCESS 0

(Read keyboard & save
data in a variable)

no

enter

ENTER

ARROWS DOWN

ARROWS UP

SET INPUT

DECREASE

INCREASE

EXECUTED

VARIABLE

VARIABLE

VARIABLE

VARIABLE
RESET?

YES

NO

TIMER_ROUTINE

PREPARING TIMER

RELOAD TIMER AND RESTART

SWITCH

SAVE REGISTERS USED
BY THE CURRENT PROCESS

SAVE THE CURRENT STACK

POINTER IN THE ACTIVE BANK

CHANGE THE BANK
ROUND ROBIN CYCLE ( )

STACK POINTER FROM
THE CURRENT BANK
( new process)

RESTORE REGISTERS OF THE NEXT

PROCESS FROM ITS STACK

Obsługa przerwań

Przełącznik procesów

Timer proc.

Process0

Process2

Process2

Process3

000B

0100

0103

0106

0109

............

STACK0

0030

............

STACK1

0040

............

Budowa systemu

Budowa systemu

Inicjalizacja stosów

Budowa systemu

Inicjalizacja timera i przerwań

Budowa systemu. Obsługa przerwania

TIMER_ROUTINE

PREPARING TIMER

RELOAD TIMER AND RESTART

SWITCH

SAVE REGISTERS USED
BY THE CURRENT PROCESS

SAVE THE CURRENT STACK

POINTER IN THE ACTIVE BANK

CHANGE THE BANK
ROUND ROBIN CYCLE ( )

STACK POINTER FROM
THE CURRENT BANK
( new process)

RESTORE REGISTERS OF THE NEXT

PROCESS FROM ITS STACK

Obsługa przerwań

Przełącznik procesów

Obsługa przerwań

Przełącznik procesów

Komunikacja międzyprocesowa (1)

Sygnał:

zdarzenie generowane przez system jako reakcja

na zaistniałe

okoliczności. Po otrzymaniu sygnału proces może podjąć pewne

czynności. Może być użyty do komunikacji pomiędzy uruchomiony-
mi procesami

Cechy

sygnałów:

– asynchroniczność - wysyłający

nie czeka

, aż proces odbierze

sygnał

– jedynym

przekazem jest numer

, poza tym sygnał nie niesie

żadnej innej informacji

–

nadawca

sygnału jest

nieznany

(niewyspecyfikowany)

–

ilość

przesłanych sygnałów danego typu jest

nieznana

, proces

wie tylko, czy sygnał się pojawił

–

proces nie musi odbierać

sygnału czy reagować na niego (nie

dotyczy części sygnałów)

– sygnały są

zestandaryzowane

: m

ają przyporządkowane numery,

(i ustalone nazewnictwo).

Sygnały są używane w systemie zazwyczaj do obsługi nietypowych

sytuacji a nie do przesyłania danych między procesami.

Większość typów sygnałów jest przeznaczona do użycia przez jądro.

Np. w Linux’ie tylko kilka z listy 19 służy do komunikacji

międzyprocesowej. Istnieje dodatkowa lista sygnałów poza standardem,

zależna od implementacji. Na ogół używa ich jądro do wskazywania

warunków błędu.

Źródła sygnałów:



niektóre błędy (typu: naruszenie segmentów pamięci).



powłoka i programy obsługi terminala w celu wywołania przerwania.



jawnie wysyłane z jednego procesu do innego w celu przekazania
informacji albo modyfikacji procesu.

Operacje związane z sygnałami:



generowanie,



przechwytywanie,



reagowanie,



ignorowanie.

Sygnały

Sygnały cd (przykłady)

Strumienie (1)

Koncepcja strumienia:

Jeżeli dwa lub więcej procesów korzysta w tym samym czasie

ze

wspólnych danych

to najlepiej wykorzystać

jednokierunkowy kanał

komunikacyjny łączący ze sobą powiązane procesy (=

strumień

).

Funkcje strumienia:

Przenoszenie danych

– zapis (write) przez jeden proces; odczyt (read)

przez drugi proces

Cechy:



informacja w

strumieniu

odczytywana jest

w kolejności

takiej jak

zapis.



p

roces nie musi czytać ze

strumienia

takimi samymi porcjami jakimi

informacja jest zapisywana.



j

eżeli ilość danych w

strumieniu

jest z jakichś względów

za duża

,

proces produkujący dane zostaje

zawieszony

, do czasu, gdy poziom

danych w

strumieniu

spadnie do dopuszczalnego poziomu.

Komunikacja międzyprocesowa –

strumienie (2)

W wielu systemach momencie

utworzenia

każdego procesu

zawsze otwierane

trzy pliki i nadawane im deskryptory (0,1,2):

stdin (standard input, 0) -

wejście standardowe

stdout (standard output, 1) -

wyjście standardowe

stderr (standard error, 2) -

wyjście standardowe błędów (diagnostyczne)

Domyślnie strumień wejściowy to klawiatura a wyjściowy i

błędów – ekran,

ale niekoniecznie

!

Wejścia i wyjścia różnych procesów (wątków) mogą być

ze sobą powiązane za pomocą nienazwanych procesów

komunikacji

–

strumieni.

Zastosowanie strumieni (3)

komunikacja pomiędzy procesami

posiadającymi wspólnego przodka:

powiązanie standardowych wejść i

wyjść różnych procesów.

sprzężenie zwrotne:

przywiązanie

wejścia i wyjścia

strumienia

do jednego procesu, co

stwarza mechanizm pętli.

UWAGA:

strumienie

są

nietrwałe

.

Muszą być tworzone gdy są potrzebne i

usuwane z chwilą zakończenia

działania korzystających z nich

procesów.

Pliki FIFO (strumienie nazwane)

Wad

zwykłych

strumieni

nie mają

strumienie nazwane

(

pliki

FIFO

).

Cechy plików FIFO:

Na poziomie zapisu i odczytu pliki FIFO działają jak

strumienie

zapewni

ając mechanizm komunikacji

międzyprocesowej w systemie

FIFO

.

W przeciwieństwie jednak do

strumieni

pliki FIFO

są

elementem trwałym

i posiadają

nazwy plików

.

Plik FIFO ma

ma

też

właściciela

,

wielkość

i powiązane

prawa dostępu

.

Może być

otwierany

,

zamykany

i

usuwany

jak każdy plik.