Download
1 / 31
310 likes | 393 Views
計算機システム概論・２回目. 本日のトピック：プロセスについて プロセス とは プロセスの スケジューリング について 多重プロセス の問題 排他制御 プロセス間通信. 遂次処理. 時分割処理. 時間経過. 時間経過. 実際の 計算機. 仮想計算機. 前回の復習：時分割処理. 時分割処理（タイムシェアリング） プロセッサが， 複数のプログラムを少しずつ実行 する 短い時間（タイムスライス）で，プログラムを 切替える. 考え方次第で は ... ユーザに 仮想計算機 を 割り当て， 仮想計算機の動作を，少しずつ シミュレート して進めていく. Ｖ.
E N D
計算機システム概論・２回目 本日のトピック：プロセスについて • プロセスとは • プロセスのスケジューリングについて • 多重プロセスの問題 • 排他制御 • プロセス間通信
遂次処理 時分割処理 時間経過 時間経過 実際の 計算機 仮想計算機 前回の復習：時分割処理 • 時分割処理（タイムシェアリング） • プロセッサが，複数のプログラムを少しずつ実行する • 短い時間（タイムスライス）で，プログラムを切替える 考え方次第では... • ユーザに仮想計算機を割り当て， • 仮想計算機の動作を，少しずつ シミュレートして進めていく
Ｖ シミュレートとは シミュレート ＝ 模擬，真似 • 仮想計算機をシミュレートするとは... • 計算機の中に別の仮想計算機（Ｖ）があると想定する • Ｖは独自のプログラムを持っている • Ｖがどのような振る舞いをするか，Ｖのプログラムに 従って（外部の計算機）が計算する • （必要であれば）ユーザとＶと の間で，入出力の中継を行う
実際の 計算機 仮想計算機 プロセス 仮想計算機とプロセス • 仮想計算機が保持すべきもの • 独自のプログラム • 独自のメモリ状態 • 独自のレジスタ状態 • 独自の入出力管理状態 • その仮想計算機の状態 • その仮想計算機のユーザ名 • 他の仮想計算機との関係 ： プロセス＝仮想計算機 （他の意味づけも可能）
プロセスを「見る」 身近なＯＳで，実際にプロセスを見てみる • Windows： タスクマネージャを起動 • UNIX系OS: psコマンドを利用 確認できること • 多くのプロセスが同時並行的に実行されている • ユーザのプロセス以外に，システムのプロセスが存在 • システムプロセスは，ＯＳの機能をサポートするもの
プロセスの一生 • プロセスは，動的に生成されたり消滅したりする • プロセスの典型的な一生： • ユーザまたはＯＳにより生成（起動）される (正確には，ユーザやＯＳのプロセスにより生成...後述） • 必要な処理や計算を行う [活動中] • 自主的に終了する， または外部から強制的に終了させられる
プロセスの状態 • 活動中のプロセスが取りうる状態は３種類ある： • 実行中状態 プロセッサの時分割処理の順番がまわってきて， 処理が実際に進んでいる状態 • 実行待ち状態 プロセッサがまわってくるのを待っている状態 • 入出力待ち状態 入出力処理が終わるのを待っている状態 • プロセスの状態は，ＯＳによって変更される
プロセスの状態遷移 強制終了 プロセス生成 実行待ち状態 順番がまわってくる タイムスライス終了 実行中状態 プロセス終了 入出力処理完了 入出力処理開始 入出力待ち状態 強制終了
プロセススケジューラ • システムには，一般に複数のプロセスが存在する • プロセスの交通整理が必要 • プロセススケジューラ： • プロセスの状態を制御するための，ＯＳの「部品」 • どのプロセスを，どの状態にするか管理する • 別のプロセスに切り替えるときに，プロセスを 実行する環境のセットアップを行う • 現在実行中プロセスの状態を退避 • 新しく実行されるプロセスの状態を復帰
実行中 実行待ち 入出力待ち プロセススケジューラの動作概念図 • スケジューラにより，プロセス状態が同期的に変更される • 実行中状態にあるプロセスは一個だけ （プロセッサが複数あるシステムは除く） スケジューラの動作 P1 時間経過 入出力処理中 P2 P3 入出力処理中 P4 P5
実行中プロセス P1 実行待ちプロセス P2 P3 P7 入出力待ちプロセス P4 P5 P6 P8 プロセススケジューラの仕組み • 交通整理のために，スケジューラはプロセスを分類管理 a c b • プロセススケジューラの行う操作： • 実行中プロセスを入出力待ちプロセスに(sleep) • 入出力待ちプロセスを実行待ちプロセスに(wakeup) • 実行中プロセスを切り替え (switch)
プロセススケジューラの動作イメージ プロセススケジューラは... • 常にプロセスを監視しているわけではない • 普段は眠っていて，何かのキッカケで起きて来て操作を行う キッカケ ＝ 割り込み 割り込みも何種類かある タイマー プロセス スケジューラ 外部装置 プロセス
実行中 実行待ち 入出力待ち 割り込み１：ＡＰＩ呼び出し 入出力処理依頼 • プロセスは，入出力装置に直接アクセスできない • API （Application Program Interface）を介し，OS に処理を依頼 ⇒ 仕事を依頼したら，自分は「スリープ」状態に入る ...正確には，プロセススケジューラが，プロセスを「眠らせる」 OSの入出力処理部 プロセスA プロセスB API 入出力開始 呼出元sleep switch
入出力 完了 実行中 実行待ち 入出力待ち 割り込み２：入出力完了 入出力完了 • 「Aさんに頼まれた仕事，終わったよ」 ⇒ プロセス A を「起こし」，順番待ち行列に並ばせる OSの割込み処理部 プロセスA プロセスB 割込 制御横取り 2 1 wakeup 3 制御返却 4
実行中 実行待ち 割り込み３：タイマー タイマ割込み処理からの呼び出し • タイマ...タイムスライスの終了を知らせる OSの割込み処理部 プロセスA プロセスB タイマ 割込 制御横取り 2 1 switch 3
プロセススケジュールの戦略 プロセススケジューラの仕事： • プロセスや入出力の進行にあわせ，交通整理をすること • プロセスの切り替え(switch)を行うとき， どの実行待ちプロセスを処理するか決定すること ...いくつかの戦略が知られている • スケジュール戦略を変えると，システムの振舞いが変わる
プロセス起動 プロセス終了 時間 ターンアラウンド時間 スケジューリングの性能指標（１） • スケジュール戦略を考えるときに考慮すべき要素： • CPU利用率 • スループット：単位時間あたりの仕事量 • ターンアラウンド時間： プロセスを起動してから完了するまでの時間
プロセス起動 プロセス終了 時間 待 待 待 待 待 待 待 待 待 待 応答時間 待ち時間 スケジューリングの性能指標（２） • スケジュール戦略を考えるときに考慮すべき要素： • 待ち時間： プロセスが，実行待ち状態で過ごす時間の合計 • 応答時間： 最初の処理が行われるまでの時間 平均値，最大値，最小値のどれに着目するかも重要
スケジュール戦略：単純な方式 • 横取りのない戦略（non-preemptive, 時分割処理は不要） • 先着順 • 大きなプロセスの後ろは，長時間待たされる • 早く終わりそうなものを先に済ます • 実行時間をあらかじめ見積もるのは難しい • 優先度順 • 優先度の決め方が問題 • 優先度の低いプロセスが，なかなか終わらない ⇒エージングによる優先度の調整： 長時間待っているプロセスの優先度を上げる
スケジュール戦略：やや複雑な方式 • 横取りのある戦略（preemptive, 時分割処理が必要） 「タイムスライスをどのように割り当てるか」 • ラウンドロビン • 実行待ちプロセスに公平に割り当てる A B C A B C A B C A B C • 優先度順＋ラウンドロビン • 優先度の高いプロセスは，割当の頻度を上げる A B A C A B A C A B A C ．．．プロセスAの優先度が高い場合
優先度 高 A D B E C F 低 A B C D E F スケジュール戦略：さらに複雑な方式 • 横取りのある戦略（preemptive, 時分割処理が必要） • 多段フィードバック方式 • プロセスを優先度ごとにまとめる • 同じ優先度の中ではラウンドロビン • 一定時間内に実行が終わらなければ， プロセスの優先度が下げられる
多重プロセスの問題 • ここまでの話： • 個々のプロセスは，互いに独立している...という立場 • ここからの話： • 複数のプロセスが存在する場合特有の問題 （多重プロセスの問題） • プロセスの生成について • プロセスが互いに邪魔をしないための仕組み • プロセスが互いに協力するための仕組み
プロセス１ ...プロセス３の親プロセス プロセス２ プロセス３ ...プロセス１の子プロセス プロセス４ プロセス５ プロセス６ プロセスの生成 • プロセスは誰が作るのか... 基本的には，プロセスが新しいプロセスを作る
プロセスの構成例 RedHatLinux： ps – eo“%p %c %P” で表示された情報の一部を抜粋して図示 722: syslogd 0: init 747: portmap 775: rpc.statd 2: keventd 870: rpciod 3: ksoftirqd 871: lockd 4: kswapd 31840: in.telnetd 1031: xinetd 5: bdflush 1086: lpd 6: kupdated 1320: smbd 30676: smbd 7: jfsIO 1325: nmbd 1388: gdm 1396: gdm 1397: X 18169: tcsh 32097: ps ユーザのプロセス
: child = fork(); if (child == 0) exec(子プロセス); 親プロセスの処理 : UNIXにおけるプロセスの生成 • forkシステムコールによるプロセス複製 • execシステムコールによるプログラム切り替え fork fork fork 複製 親 子 親 子 親プロセス 子プロセス
排他制御 • 複数のプロセスに共用される資源： 複数プロセスにより同時に参照される可能性がある 例：「整数値が書かれたファイルを参照し，値を１増やす」 3 3 P1 P1 P2 4 4 P2 5 4 期待する動作 少しタイミングがずれた場合 読んでから書くまで，他のプロセスにファイルを参照させない ようにプロセスを制御する必要がある ... 排他制御
クリティカルセクション クリティカルセクション（CS）： 他のプロセスとは，排他的に実行しなければならない部分 排他制御を適切に実行するためには... • CSの最初と最後で，他プロセスに “stop”, “go”をかける • CSに入るときは，“go” が出るまで待機する プロセス１ プロセス２ CS 待機 CS
排他制御を実現する仕組み • 排他制御のため，stop, go をかける必要がある • stop, go をかける操作も，排他的に実行の必要あり OSが stop, go の操作を提供することで，ジレンマを解決 stop, go 操作の実現方法：何通りか知られている • lock, unlock • セマフォ • モニタ
Ａ Ｂ プロセス１ プロセス２ ファイルＡをオープン ファイルＢをオープン ファイルＢをオープン ファイルＡをオープン × × ファイルＡをクローズ ファイルＢをクローズ ファイルＢをクローズ ファイルＡをクローズ デッドロック 同時に複数のstop, go が必要になる場合も どちらのプロセスも永久に進めない ⇒ デッドロック状態 stopのかけ方に順番を定める等，運用で回避する必要アリ
プロセス間の協調機構 • 排他制御と同じ仕組みを利用する方式： • 排他制御：CSか否かの１ビットを他プロセスに伝える • 基本的に同じ仕組みで，より大きな情報を伝達可能 • ソケット： • プロセスとプロセスをつなぐ「仮想通信路」 • パイプ： • ソケットの特殊な用法 • UNIXで頻繁に利用される
本日のまとめ • プロセスとは • ＯＳにおけるプロセスの取り扱い • プロセススケジューラについて • 排他制御と協調機構 • 次回の講義...入出力機構について 課題（結果の提出不要）： • 自分が普段使っているコンピュータで，どのような プロセスが走っているか確認せよ
