Kap 3 & 4: Processer & trådar

Kap 3 & 4: Processer & trådar

Processkonceptet • Ett operativsystem exekverar oftast flera olika program samtidigt • Ett program som exekverar kallas för en process • En process består av: • Programkoden (text section) • Programräknare • Innehållet i CPU-registren • En stack • En datasektion • En heap (ibland)

En process i minnet

Processens tillstånd • En process kan befinna sig i olika tillstånd: • new: processen skapas • running: instruktioner exekveras • waiting: processen väntar på att något ska inträffa • ready: processen väntar på att få börja exekvera • terminated: processen har exekverat klart

OS har information om varje process i ett PCB Vilket tillstånd den befinner sig i Processnummer för identifikation Programräknare – adress till nästa instruktion Värden i CPU-registren Schemaläggningsinformation Minneshanteringsinformation I/O-status (öppna filer, allokerade I/O-enheter) Process Control Block (PCB)

Process-schemaläggning • Många processer i systemet – vem ska få exekvera när? • Beslutas av process-schemaläggaren • En process flyttar mellan olika köer: • Job queue – här ligger alla processer i systemet • Ready queue – processer som ligger i primärminnet och är klara för att börja exekvera • Device queues – processer som väntar på en I/O-enhet

Ready Queue And Various I/O Device Queues

Representation of Process Scheduling

Schemaläggare • Long-term scheduler(or job scheduler) – väljer vilka processer som skall flyttas till ready queue • Anropas sällan (sekunder, minuter) • Short-term scheduler(or CPU scheduler) – väljer vilken process som skall exekvera härnäst • Anropas ofta (millisekunder) • Processer beskrivs som antingen CPU-bound eller I/O-bound • Vissa system har också en medium-term scheduler

Addition of Medium Term Scheduling

Context Switch • När CPUn växlar till en annan process måste systemet spara tillståndet hos den gamla processen och ladda in det sparade tillståndet för den nya processen. Detta kallas för en context switch • Tillståndet sparas i processens PCB • Tiden för en context switch är overhead; systemet gör inget nyttigt under denna tid

Skapa processer • Föräldraprocesser skapar barnprocesser som i sin tur kan skapa andra processer, vilket gör att ett processträd skapas • Resursdelning • Förälder och barn delar alla resurser • Barnen delar en delmängd av förälderns resurser • Förälder och barn delar inga resurser • Exekvering • Förälder och barn exekverar parallellt • Föräldern väntar tills barnet exekverat klart • Adressutrymme • Barnet är ett duplikat av föräldern • Barnet har ett nytt program inladdat i det

Skapa en ny process i C (UNIX) int main() { pid_t pid; /* fork another process */ pid = fork(); if (pid < 0) { /* error occurred */ fprintf(stderr, "Fork Failed"); exit(-1); } else if (pid == 0) { /* child process */ execlp("/bin/ls", "ls", NULL); } else { /* parent process */ /* parent will wait for the child to complete */ wait (NULL); printf ("Child Complete"); exit(0); } }

Avsluta en process • En process avslutas genom systemanropet exit() • Kan returnera ett värde till föräldern (via wait()) • Processens resurser avallokeras • En förälder kan avsluta en barnprocess genom abort() • Barnet har överutnyttjat sina resurser • Barnets tjänster behövs inte längre

Kommunikation mellan processer • Processer är antingen oberoende eller samarbetande • En samarbetande process kan dela data med andra processer • Anledningar till samarbete: • Dela information • Snabba upp beräkningar • Modularitet • Underlätta för användaren • En mekanism för interprocess communication (IPC) behövs • Två modeller: • Delat minne • Meddelande-utbyte

Communications Models

Trådar • Processer kan vara antingen enkel- eller flertrådiga • Enkeltrådig process – gör en sak i taget • Flertrådig process – gör flera saker parallellt • En tråd har en egen programräknare, en egen stack och egna register • Tråden delar kod, data, öppna filer mm med andra trådar i processen • Exempel Webbläsare: en tråd för att visa bilder/text och en för att hämta data från nätverket.

Single and Multithreaded Processes

Fördelar med trådar Minskade svarstider – en tråd kan ta emot indata från användaren när en annan tråd laddar en bild Resursdelning – trådar delar minne & andra resurser “by default” Ekonomi – det kostar mycket mer att skapa och hantera processer än trådar Skalbarhet – en flertrådad process kan köras på flera processorer samtidigt

Multicore-programmering Flertrådade program innebär att flerkärniga processorer kan användas mer effektivt Flerkärniga system innebär utmaningar för programmerare, bl a: Dela upp aktiviteter – hitta programdelar som går att köra parallellt Balans – programdelarna ska utföra lika mycket arbete Data splitting – data måste delas upp på de olika kärnorna Databeroenden – finns det beroenden mellan olika programdelar? Testning och debugging – blir mycket svårare Behövs ett helt nytt sätt att designa mjukvara i framtiden?

Trådbibliotek Ett trådbibliotek är ett API för att skapa och hantera trådar Biblioteket kan antingen ligga i user space eller i kernel space Huvudsakligen tre bibliotek används: POSIX Pthreads (user/kernel) Win32 (kernel) Java (använder trådbiblioteket i värd-OS:et)

Pthreads Finns både som user-level och kernel-level POSIX standard (IEEE 1003.1c) definierar ett API för att skapa och synkronisera trådar Standarden är bara en specifikation, implementationen är upp till utvecklaren Vanlig i UNIX-operativsystem (Solaris, Linux, Mac OS X)

Java Threads Det grundläggande sättet att köra program på i Java Många funktioner finns Javatrådar hanteras av JVM Javatrådar kan skapas på två sätt: Skapa en klass som ärver Thread-klassen & överlagra run-metoden Skapa en klass som implementerar interfacet Runnable

Linux Threads Linux kallar dem tasks istället för threads Trådar skapas genom systemanropet clone() clone() tillåter ett barn att dela adressutrymme med föräldern

Kap 3 & 4: Processer & trådar