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Processes and Threads

Processes and Threads. 2.1 Processes 2.2 Threads 2.3 Interprocess communication 2.4 Classical IPC problems 2.5 Scheduling. Abläufe / Vorgänge im Rechner. x:=x+1. open f1. f1 := „abc“. Chapter 2. t. Technischer Prozess.

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Presentation Transcript

  1. Processes and Threads 2.1 Processes 2.2 Threads 2.3 Interprocess communication 2.4 Classical IPC problems 2.5 Scheduling Abläufe / Vorgänge im Rechner x:=x+1 open f1 f1 := „abc“ Chapter 2 t

  2. Technischer Prozess Technischer Prozess:Nach DIN 66201 ist ein Prozess ein Vorgang zur Umformung und / oder zum Transport von Material, Energie und / oder Informationen. Man unterscheidet nach Prozessklassen − Rechenprozesse − Verfahrensprozesse, − Fertigungsprozesse, − Verteilungsprozesse, − Mess- und Prüfprozesse, ….

  3. Prozess im Sinne des BS Verwaltungseinheit des Ablaufgeschehens • Einem Nutzer zugeordnet • Einem Zweck zugeordnet • Ist gegen andere Prozesse zu schützen • Belegt eine Menge von Betriebsmitteln • Hat einen Zustand: • Ablaufzustand (wartend, rechnend, ..) • detaillierter Zustand (Prozessorregister, Speicherabbild, (Dateiabbilder)) • Fortschritt durch Prozessor-Zuteilung

  4. Prozess-Verwaltung im BS Prozessliste Prozess-kontroll-block P1 Prozess-kontroll-block P1 Prozess-kontroll-block P1 Dispatcher Short Time Scheduler Prozessor

  5. ProcessesThe Process Model • 1 Progamm, 4 Aufgaben, Programm verzweigt zwischen den Aufgaben: 1 Prozess • 4 Programme, 4 Aufgaben: 4 Prozesse • Wenn man nur 1 Prozessor hat:jeweils nur 1 Prozess kann rechnen / aktiv seinProzessumschalter (Dispatcher)

  6. Process Creation Principal events that cause process creation • System initialization • Execution of a process creation system • User request to create a new process • Initiation of a batch job

  7. Process Termination Conditions which terminate processes • Normal exit (voluntary) • Error exit (voluntary) • Fatal error (involuntary) • Killed by another process (involuntary)

  8. Process Hierarchies • Parent creates a child process, child processes can create its own process • Forms a hierarchy • UNIX calls this a "process group“ • Windows has no concept of process hierarchy • all processes are created equal Prozess Kindprozess Kindprozess Kindprozess

  9. Process States (1)Prozess-Ablaufzustände DAS PROZESS-ABLAUF-DREIECK • Possible process states • running • blocked • ready • Transitions between states shown

  10. Process States (2) • Lowest layer of process-structured OS • handles interrupts, scheduling • Above that layer are sequential processes Dispatcher / Short Term Scheduler Prozessor(en)

  11. Implementation of Processes (1) Fields of a process table entry

  12. Implementation of Processes (2) Skeleton of what lowest level of OS does when an interrupt occurs

  13. Prozesse und Threads • „Früher“1 Prozess hat genau einen Thread • „Heute“1. Mehrprozessor-Maschinen2. Nebenläufigkeit in derselben Anwendung3. E/A-Wartezeiten und Simultanaufträge • Mehrere Threads pro Prozess möglich • Prozess: • Betriebsmittel, Nutzerzuordnung, Zweck, Schutz • Thread: • Programmfortschritt, Prozessorzuordnung

  14. ThreadsThe Thread Model (1) (a) Three processes each with one thread (b) One process with three threads

  15. The Thread Model (2) • Items shared by all threads in a process • Items private to each thread Prozesszustand Threadzustand

  16. The Thread Model (3) Each thread has its own stack

  17. Thread Usage (1) A word processor with three threads

  18. Thread Usage (2) A multithreaded Web server

  19. Thread Usage (3) • Rough outline of code for previous slide (a) Dispatcher thread (b) Worker thread

  20. Ein/Ausgabe-Aufrufe Gerät Prozess • Problem: • Prozessor ist schnell, E/A-Gerät ist langsam • Prozess muss synchronisiert werden • Blockierende Aufrufe • starte Auftrag • warte • werde fortgesetzt bei Auftragsende • Nicht-blockierende Aufrufe • starte Auftrag • arbeite etwas anderes weiter, während Auftrag läuft • schaue nach, ob Auftrag schon zu Ende t

  21. Thread Usage (4) Three ways to construct a server • Wartezeiten ausnutzen:Mehrere Aufträge gleichzeitig bearbeiten • Programmierkomfort:Nicht an Menge vieler gleichzeitig anstehender Aufträge denken müssen

  22. Multithreaded Servers: Zustandsautomat Implementierung Entwurf variables Zustand loop Erkenne nächstes Ereignis Ereignis Verzweige nach Zustand x Ereignistyp Aktion Führe Aktion n aus Führe Aktion 2 aus Führe Aktion 1 aus Zustand Ereignisse werden ohne zublockieren entgegengenommen !

  23. Prozesse und Threads A] Wie werden sie im Betriebssystem unterstützt: Prozessliste, Dispatcher, Betriebsmittelzuordnung B] Was muss man beim Programmieren von nebenläufigen Prozess-Systemen beachten: Race-Conditions, Synchronisation, Interprozess-Kommunikation

  24. Probleme nebenläufiger Abläufe • Wenn Abläufe miteinander interagieren: • Race Conditions:nichtdeterministische Einflüsse der Ausführungsgeschwindigkeit der Abläufe • Inkonsistente Zustände geteilter Betriebsmittel:Überlagerung partieller Zugriffe • deshalb Interprozesskommunikation (IPC) • Explizite Abstimmung des Ablaufs: Synchronisation • Expliziter Datenaustausch

  25. Interprocess CommunicationRace Conditions Two processes want to access shared memory at same time

  26. Interprozesskommunikation (IPC) • SynchronisationBlockieren und Fortsetzen von Threads / Prozessen • DatenaustauschÜbergabe von Daten zwischen Threads / Prozessen

  27. Synchronisation • Operationen zum direkten Warten und Fortsetzen • Operationen zum gepufferten Warten und Fortsetzen,insbesondere Semaphore

  28. Datenaustausch • Zugriff auf geteilte Betriebsmittel (z.B. globale Variablen, geteilter Speicher)+Zugriffssynchronisation • Gekapselte und synchronisierte geteilte Objekte: Monitore • Nachrichtenaustauschsysteme

  29. Synchronisation • Wichtiges Synchronisationsproblem:Gegenseitiger Ausschluss (Mutual Exclusion) Geteiltes Betriebsmittel t Kritischer Abschnitt

  30. Critical Regions (1) Four conditions to provide mutual exclusion • No two processes simultaneously in critical region • No assumptions made about speeds or numbers of CPUs • No process running outside its critical region may block another process • No process must wait forever to enter its critical region

  31. Critical Regions (2) Mutual exclusion using critical regions Einfache Lösung: Interrupts sperren (1-Prozessormaschine)

  32. Mutual Exclusion with Busy Waiting (1) global var: int turn P1: P2: Proposed solution to critical region problem:Aktives Warten / Busy Wait Problem 1: Prozessorbelastung Problem 2 (diese Lösung): Nur im strikten Wechsel

  33. Mutual Exclusion with Busy Waiting (2) Peterson's solution for achieving mutual exclusion

  34. Mutual Exclusion with Busy Waiting (3) Entering and leaving a critical region using the TSL instruction Test-And-Set-Befehl als unteilbare Einheit

  35. Passives WartenBeispiel Producer - Consumer P2:Consumer P1:Producer Puffer:n Plätze Kapazität Daten- paket Daten- paket .... zyklisch Paketeverarbeiten zyklisch Pakete erzeugen

  36. Sleep and Wakeup Producer-consumer problem with fatal race condition

  37. Semaphor (nach E.W.Dijkstra) • Globales Objekt, enthaltend: • Zählvariable // Mitzählen der Sperren/Freigaben • Queue mit IDs der Wartenden • Initialisierung explizit // Startwert: gesperrt / offen • Zugriffsoperationen: • Pbzw.down// Passieren (Sperre setzen und betreten) • Vbzw.up // Verlassen (Sperre lösen und verlassen)

  38. Semaphores The producer-consumer problem using semaphores

  39. Mutexes (effiziente binäre Semaphorezur Realisierung des gegenseitigen Ausschlusses) Implementation of mutex_lock and mutex_unlock

  40. Monitor • Gekapseltes und synchronisiertes geteiltes Objekt (Operationen im gegenseitigen Ausschluss, explizites Warten und Fortsetzen) P2 P1 • Monitor: • Variablen • Warteverwaltung • Zugriffsoperationen • Initialisierung

  41. Monitors (1) • Monitor: • Variablen • Warteverwaltung • Zugriffsoperationen • Initialisierung Example of a monitor

  42. Monitors (2) our_monitor • Outline of producer-consumer problem with monitors • only one monitor procedure active at one time • buffer has N slots

  43. Monitors (3) Solution to producer-consumer problem in Java (part 1)

  44. Monitors (4) Solution to producer-consumer problem in Java (part 2)

  45. Nachrichtenaustauschsysteme Nachricht receive send P2 P1 send receive • IPC-Kanäle • „Verdrahtung“ der Prozesse / Threads • Nachrichten-Sende- und Empfangsoperationen • Pufferung der Nachrichten im Kanal • Beispiel • Unix / Linux: Pipes

  46. Message Passing The producer-consumer problem with N messages

  47. Barriers • Use of a barrier • processes approaching a barrier • all processes but one blocked at barrier • last process arrives, all are let through

  48. Dining Philosophers (1) • Philosophers eat/think • Eating needs 2 forks • Pick one fork at a time • How to prevent deadlock

  49. Dining Philosophers (2) A nonsolution to the dining philosophers problem

  50. Dining Philosophers (3) Solution to dining philosophers problem (part 1)

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