2. Upravljanje procesima

8/13/2019 2. Upravljanje procesima

1/56

Prof. dr Dragan Stojanovi

Operativni sistemi

Raunarstvo i informatika

Operativni sistemi

- Upravljanje procesima-


Katedra za raunarstvoUniverzitet u Niu, Elektronski fakultet


2/56

Korien materijal

Operating Systems: Internals and Design Principles,5th edition, W. Stallings, Pearson Education Inc.,2005) 6th edition 2008, 7th edition 2012

http://williamstallings.com/OS/OS6e.html

http://williamstallings.com/OperatingSystems/Poglavlje 3: Opis procesa i upravljanje


Upravljanje procesima

Operativni sistemi 2
http://williamstallings.com/OS/OS6e.htmlhttp://williamstallings.com/OperatingSystems/http://williamstallings.com/OperatingSystems/http://williamstallings.com/OS/OS6e.html


3/56

Sadraj

Predstavljanje procesa u OS.Stanja procesa koja karakteriu ponaanje procesa.Strukture podataka koje se koriste za upravljanjeprocesima.

Naini na koje OS koristi ove strukture podataka daupravlja izvrenjem procesa.Upravljanje procesima u UNIX SVR4.





4/56

Zahtevi operativnog sistema

Osnovni zadatak: Upravljanje procesimaOperativni sistem mora da obezbedi:

Meanje (preplitanje) izvrenja vie procesaDodelu (alokaciju) resursa procesima i zatitu resursa

svakog procesa od strane drugih procesaMogunost deljenja i razmene podataka izmeu procesaMogunost sinhronizacije izmeu procesa

Raunarska platforma se sastoji od kolekcije

hardverskih resursa; OS obezbeuje reprezentacijuresursa i interfejs za aplikacije u cilju korienja tihresursa





5/56

ta je proces ?

Proces je osnovni koncept operativnog sistema ipredstavlja program u izvravanju na CPU

Proces se ponekad naziva zadatak (task)Svi multiprogramski OS su izgraeni oko koncepta

procesaGledano sa strane OS-a, proces je osnovna jedinicaizvravanja i najmanji entitet koji se moe planirati,dodeliti i izvravati na procesoru

Jedinica aktivnosti koju karakterie izvrenjesekvence instrukcija, trenutno stanje i pridruenskup sistemskih resursa





6/56

Elementi procesa

Proces se sastoji od:Programskog kda

Skupa podataka nad kojima se izvravaju instrukcijeprograma

Atributa koji opisuju stanje procesa dok se izvrava: Identifikator Stanje Prioritet Programski broja (Program counter)

Pokazivai na memoriju koju zauzima proces Kontekstni podaci Informacije o U/I statusu Informacije o obraunu korienja resursa





7/56

Upravljaki blok procesa

Process Control Block- PCBSadri atribute procesaKreiran i upravljan od straneOS

Obezbeuje podrku zaviestruke procesePCB-i svih procesa ine Tabelu

procesa





8/56

Trag (putanja, trace) procesa

Ponaanje individualnog procesa je prikazanosekvencom instrukcija koje se izvravajuOva lista instrukcija se naziva trag (trace)

Dispeer (dispatcher) je program koji prebacuje

(switch) procesor od jednog procesa drugom, i vrizamenu aktivnog procesa

Prof. dr Dragan Stojanovi 8


Operativni sistemi


9/56

Izvrenje procesa

Razmotriemo tri procesa koji se izvravajuSvi procesi su u glavnoj memoriji,

ukljuujui i dispeer

U ovom primeru emo ignorisati postojanjevirtuelne memorije.

Programski broja u CPU sadri adresu

instrukcije koja treba da bude izvrenaKada se aktivira sledei proces menja sesadraj programskog brojaa i njegovavrednost postavlja na adresu instrukcijekoju treba izvriti u novom procesu



Operativni sistemi


10/56

Trag procesa sa stanovitaprocesa

Svaki proces se izvrava do svog zavretka



Operativni sistemi


11/56

Trag procesa sa stanovitaprocesora

TimeoutI/OTimeoutTimeout



Operativni sistemi


12/56

Model dva stanja procesa

Proces moe biti u jednom od dva stanjaIzvrava seNe izvrava se

Red procesaProcesi se pomeraju iz reda do i nazad sve dok se nezavre





13/56

Upravljanje procesima u OS

Osnovne funkcije:Kreiranje i zavravanje procesaSuspendovanje i ponovo aktiviranje

Planiranje izvrenja procesa i upravljanje

procesorom/procesorimaObezbeenje mehanizama za sinhronizaciju ikomunikaciju izmeu procesaObezbeenje mehanizama za upravljanje deadlock-om

(samrtni zagrljaj, uzajamno blokiranje, zastoj)





14/56

Kreiranje procesa

Glavni razlozi za kreiranje procesa1. Iniciranje nekog batch posla2. Interaktivni login3. Kreiran od strane operativnog sistema za obezbeenje

nekog servisa4. Kreiran od strane postojeeg procesaRoditeljski (parent) i proces dete (child)

Aktivnosti:1. Dodela identifikatora procesu

2. Dodela inicijalnog prioriteta procesu3. Kreiranje i unos PCB novog procesa u Tabelu procesa4. Dodela poetnih resursa procesu (memorija, otvorene

datoteke, itd.)





15/56

Zavretak (terminiranje) procesa

Razlozi za zavretak procesa1. Normalni zavretak2. Isteklo dodeljeno vreme za izvravanje3. Nedovoljno raspoloive memorije

4. Greka usled naruavanja zatite (protection error) upristupu memoriji ili drugim resursima bez autorizacije5.Aritmetika greka6. U/I greka

7. Ubijen od OS ili operatera8. Zavretak roditeljskog procesa9. Na zahtev roditeljskog procesa koji ima privilegije da

zavri procese decu

Prof. dr Dragan StojanoviUpravljanje procesima



16/56

Model procesa sa pet stanja

Izvrava se (Running) - Proces koji se trenutno izvravaSpreman (Ready) - Proces koji je spreman za izvravanje kada mu se

prui prilikaBlokiran (Blocked)- Proces ne moe da se izvrava dok se ne desi nekidogaaj, poput zavretka U/I operacijeNovi (New) Proces tek kreiran, ali jo nije primljen od strane OS uskup izvrnih procesaZavren (Exit) proces izbaen iz skupa izvrnih procesa od strane OS




17/56

Prelazi izmeu stanja procesaNull Novi

Kreiranje procesa za izvrenje programaNovi Spreman

OS prebacuje proces kada ima dovoljno resursa za njegovoaktiviranje

Spreman Izvrava seOS bira jedan od spremnih procesa za izvravanje na CPUIzvrava se Zavren

Trenutno aktivan proces se zavrava od strane OS iz nekog odrazloga

Izvrava se SpremanIsteklo je vreme dodeljeno procesu za izvravanje, ili je procesvieg prioriteta postao spreman




18/56

Prelazi izmeu stanja procesa (2)Izvrava se Blokiran

Proces je zahtevao resurs zbog koga mora da eka (datoteka,memorijska sekcija, poruka od drugog procesa) ili U/I operacijukoja mora biti zavrena pre nastavka procesa

Blokiran SpremanNastao je dogaaj na koji je proces ekao

Spreman ZavrenNije prikazano na dijagramu; u nekim sistemima roditeljski procesmoe zavriti proces decu u bilo kom trenutku, pa i kad su u stanjuspreman, a takoe zavretkom roditeljskog procesa zavravaju se isva njegova deca procesi

Blokiran Zavren




19/56

Stanja procesa (1)

Vremenski dijagram izvrenja procesa za prethodniprimer



Stallings, 2005


20/56

Dva reda procesa

Jedinstveni red blokiranih procesa




21/56

Viestruki redovi blokiranih




22/56

Suspendovani procesi

Procesor je mnogo bri od U/I ureaja, tako damoe da se desi da mnogi (svi) procesi ekaju nazavretak U/I operacija

Prebaciti (Swap) ove procese na disk radi oslobaanjavie memorije i koristiti procesor za aktiviranje novihprocesa ili prethodno suspendovanih procesa

Proces u stanju blokiran prelazi u stanjesuspendovan kada se prebaci na diskDva nova stanja

Blokiran/Suspendovan (Blocked/Suspend)Spreman/Suspendovan (Ready/Suspend)




23/56

Dijagram prelaza stanja procesa

Sa jednim suspendovanim stanjem




24/56

Dijagram prelaza stanja procesa

Sa dva suspendovana stanja




25/56

Razlozi za suspendovanje procesa

Prebacivanje (swapping) OS mora da oslobodi dovoljnoglavne memorije da aktivira proces koji je spreman zaizvrenjeDrugi OS razlozi OS moe suspendovati proces za koji sesumnja da izaziva probleme tokom izvravanjaZahtev interaktivnog korisnika Suspendovanje procesa utoku debagiranja

Vremenski proces se izvrava periodino; izmeu periodamoe biti suspendovanRoditeljski proces moe suspendovati izvrenje procesa-dece




26/56

Procesi i resursi

Procesi i njima dodeljeni (alocirani) resursi u jednomvremenskom trenutku

Da bi OS upravljao procesima i resursima on mora imatiinformacije o trenutnom stanju svakog procesa i resursa.

Za svaki entitet kojim upravlja OS konstruiu seodgovarajue tabele




27/56

Upravljake tabele OS

Generalna struktura upravljakih tabela operativnogsistema




28/56


29/56


30/56

Identifikacija procesa

Svakom procesu je dodeljen jedinstveni numerikiidentifikator - (Process ID, PID)Svaki proces moe da poseduje identifikatoreroditeljskog procesa, grupe procesa korisnika koji je

kreirao proces, itd.Sve druge tabele kojima upravlja OS mogu dakoriste identifikator procesa da bi kros-referenciralePCB procesa




31/56

Statusne informacije procesora

Sastoje se od sadraja registara procesora.Registara opte namene vidljivih od strane korisnikaUpravljakih i statusnih registara (PC, uslovni kodovi,flagovi za dozvoljen/nedozvoljen prekid, mod izvrenja,...)

Stack pointera - LIFO strukture za smetanje parametara,povratnih adresa i lokalnih promenljivih pri pozivimaprocedura i sistemskim pozivima

Program Status Word (PSW)

Sadri statusne informacijePrimer : EFLAGS registar na Pentium procesorima




32/56

Upravljake informacije procesa

Informacije o stanju i planiranju (scheduling)Stanje procesaPrioritet

Informacije vezane za planiranje zavisno od algoritma

planiranjaDogaaj na koji proces ekaStruktuiranje (povezivanje, ulanavanje) PCB-a

Procesi (PCB) su povezani u razliitim strukturama

(redovima, listama, itd.): roditelj-dete, red ekanja naU/I, itd.Meuprocesna komunikacija

Razliiti flag-ovi, signali, poruke izmeu procesa




33/56

Upravljake informacije procesa (2)

Privilegije procesaPrivilegije za pristup memoriji, izvrenje odreenih tipovainstrukcija, sistemskih servisa

Upravljanje memorijom

Pokazivai (adrese) na tabele stranica/segmenata kojeopisuju virtuelnu memoriju dodeljenu procesuVlasnitvo i korienje resursa

Resursi kojima upravlja proces, poput otvorenih datoteka

Takoe moe biti ukljuena i istorija korienja procesoraili ostalih resursa za potrebe planiranja procesa




34/56

Slika procesa u virtuelnoj memoriji

Struktura slike korisnikih procesa u virtuelnoj memoriji



PCB


35/56

Struktura redova (listi) procesa

PCBje najvanija struktura podataka u operativnom sistemuOS moduli (planiranje, alokacija resursa, obrada prekida,nadgledanje i analiza performansi, itd.) itaju i/ili modifikujuPCB-ove

PCB su povezani

u razliitim redovimai tablicama koji se

esto implementirajukao lanane liste



PCB


36/56

Deskriptor procesa u Linux-u -ematski prikaz



D. Bovet, M. Cesati, Understanding the Linux Kernel.

2nd Edition, O'Reilly 2002


37/56

Deskriptor procesa u Linux-u (1)struct task_struct {

volatile long state; /*TASK_RUNNING, TASK_INTERRUPTIBLE, TASK_UNINTERRUPTIBLE,

TASK_STOPPED, TASK_ZOMBIE */long counter; //broja vremenskih taktovalong priority; //prioritet procesa

unsigned long signal;unsigned long blocked; /* bitmap of masked signals */unsigned long flags; /* per process flags, defined below */

struct task_struct *next_task, *prev_task; //pokaziva na naredni/prethodni proces ulistiunsigned long saved_kernel_stack;unsigned long kernel_stack_page;

int pid;

/* pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,* older sibling, respectively. (p->father can be replaced with* p->p_pptr->pid) */

//pokazivai na roditelja, decu i brau tekueg procesastruct task_struct *p_opptr, *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr;

...




38/56

Deskriptor procesa u Linux-u (2)

...

struct wait_queue *wait_chldexit;

unsigned short uid,euid,suid,fsuid;

unsigned short gid,egid,sgid,fsgid;

unsigned long timeout, policy, rt_priority;

long utime, stime, cutime, cstime, start_time;

struct fs_struct *fs;struct files_struct *files;

struct mm_struct *mm;

struct signal_struct *sig;

...

} //end task_struct




39/56

Upravljanje izvrenjem procesa

Veina procesora podrava najmanje dva modaizvravanjaKorisniki (user) mod

Mod sa manje privilegija zabranjen pristup svim

memorijskim adresama i izvravanje privilegovanih (U/I)instrukcijaKorisniki programi se izvravaju u ovom modu

Kernel (system, control, supervisor) mod mod

jezgraPrivilegovan mod

U ovom modu se izvrava kernel operativnog sistemaBit(-ovi) u PSW oznaavaju trenutni mod izvrenja




40/56

Kreiranje procesa

Prilikom kreiranja novog procesa OS mora da:Dodeli jedinstveni identifikator procesaDodeli (alocira) memorijski prostor za proces, tanije zasve elemente slike procesa

Inicijalizuje upravljaki blok procesa (PCB)Uspostavi odgovarajue veze novog procesaulanavanjem njegovog PCB u odgovarajue redove/listeKreira ili proiri ostale strukture podataka

Na primer, za obraun korienja resursa, ili ocenu i analizuperformansi




41/56

Zamena (komutiranje) procesa

Zamena (komutiranje, switching) procesapredstavlja zamenu aktivnog procesa od strane OS

Kada nastaje zamena procesa:Prekid (interrupt) eksterni dogaaj u odnosu na

izvrenje procesa; prekid se javlja kao reakcija naeksterne, asinhrone dogaaje Clock prekid, U/I prekid, greka memorije (memory/page fault)

Trap Odnosi se na izvrenje tekue instrukcije procesa

- ako nastane greka ili izuzetak koji je fatalanSistemski (supervisor) poziv - Zahtev od strane procesakoji se izvrava za izvrenje U/I operacije (npr. pristupdatoteci) kojim se aktivira odgovarajua procedura ukodu OS.




42/56

Promena (komutiranje) moda

Nakon izvretka svake instrukcije, procesor proverava da lije nastao prekid (interrupt signal)Ukoliko je prekid nastao, procesor izvrava sledee korake:

Postavlja programski broja na poetnu adresu rutine za obraduprekida (interrupt handler)

Prebacuje se iz korisnikog u kernel mod, tako da rutina za obraduprekida moe ukljuiti i privilegovane instrukcijeKontekst prekinutog procesa se uva u njegovom PCB

Statusne informacije procesoraIzvrava se rutina za obradu prekida

Ukoliko nastanak prekida ne zahteva zamenu (switching) procesa ipromenu stanja procesa, restauriraju se statusne informacijeprekinutog procesa

Prekid kloka ili zbog U/I operacije zahteva prebacivanje prekinutogprocesa u novo stanje (Spreman, Blokiran)




43/56

Promena stanja procesa

Promena stanja procesa (konteksta)process/context switchKoraci u promeni procesa1. Sauvati kontekst procesa ukljuujui programski

broja i registre procesora2. Aurirati PCB procesa koji je trenutno u stanju Izvravase (Running)

3. Premestiti PCB u odgovarajui red spreman, blokiran,spreman/suspendovan

4. Izabrati sledei proces za izvravanje5. Aurirati PCB procesa koji je selektovan6. Aurirati stukture podataka za upravljanje memorijom7. Obnoviti (rekonstruisati) kontekst selektovanog procesa




44/56

Izvravanje operativnog sistema

OS radi na isti nain kao i ostali raunarski softverAko je OS samo kolekcija programa i ako se oviprogrami izvravaju od strane procesora ba kao ibilo koji drugi programi, da li je OS proces?

Ako jeste, kako se njime upravlja?Ko (ta) upravlja njime?

Prof. dr Dragan Stojanovi 44Upravljanje procesima

Operativni sistemi


45/56

Izvrenje OS-aKernel bez procesa

Tradicionalni pristup u starijim OSIzvrenje kernela van bilo kog procesaOS kod se izvrava kao poseban entitet u glavnoj memoriji , sasvojim stekom, u kernel modu (privilegovanom reimu)

Izvrenje OS unutar korisnikih procesaUobiajeno u OS na PC i radnim stanicamaOS softver predstavlja kolekciju procedura koje korisniki procesmoe pozvati za izvrenje razliitih funkcija i koje se izvravajuunutar okruenja korisnikog procesaSlika procesa sadri i delove za program, podatke i stek kernel

programaProces se izvrava u kernel modu kada se izvrava kod OS-a

OS zasnovan na procesimaOS implementiran kao kolekcija sistemskih procesaKorisno je u vieprocesorskom ili vieraunarskom okruenju




46/56

Odnos izmeu OS i korisnikih procesa

Zasebno jezgro

Funkcije OS-a seizvravaju unutarkorisnikih procesa

Funkcije OS-a seizvravaju kao zasebniprocesi




47/56

Slika procesa

OS se izvrava unutarkorisnikog procesa (adresnogprostora)

Kernel stek se koristi za

upravljanje pozivima proceduradok je proces u kernel modu

OS kod i podaci su u deljenomadresnom prostoru (deljeni su

izmeu svih korisnikih procesa)




48/56


49/56

UNIX SVR4 - upravljanje procesima

Stanja procesa i promene stanja (9)Dva stanja Running(izvravanje u korisnikom i kernelmodu)




50/56

UNIX procesProces u UNIX-u je kolekcija struktura podataka koje

obezbeuju OS-u sve informacije neophodne za upravljanjei rasporeivanje procesa.Slika UNIX procesa sadri sledee elemente:

Kontekst korisnikog nivoa Tekst programa, podaci, korisniki stek, deljena memorija

Kontekst registara Programski broja, statusni registar procesora, stek pointeri, registri

opte nameneKontekst sistemskog nivoa

Ulaz (entry) u tabelu procesa (PCB)

U (user) oblast neophodne kernelu kada se izvrava u kontekstuprocesa Tabela regiona definie mapiranje izmeu virtuelnih i fizikih adresa,

kao i prava pristupa odreenim regionima koristi se od strane sistemaza upravljanje memorijom

Kernel stek za pozive/povratke iz kernel procedura



K i j


51/56

Kreiranje procesaPrednji (foreground) procesi

Pozadinski (background) procesi demoni, servisiKako videti procese u sistemu?Unix komanda psWindows - TaskManager (Ctrl+Alt+Del)

Kako kreirati proces?Proces koji se izvrava poziva sistemski poziv za kreiranje procesaUnix

fork proces kreira svoj klon; pravi se kopija slike procesa roditelja exec (execv, execve, execvp, execl, execle, execlp) - definie program

koji e se izvravati u novom procesu i okolinu novog procesa

Win32 CreateProcess - kreira novi proces i puni ga novim programom

Nakon kreiranja oba procesa imaju sopstvene slikeu memoriji i adresne prostore




52/56

Sistemski pozivi za terminiranje

Sistemski poziv kojim proces terminira sam sebe: Unix exit Windows API (Win32) ExitProcess

Sistemski poziv kojim jedan proces terminira drugi:

Unix kill Windows API (Win32) TerminateProcess




53/56

Sistemski pozivi

POSIXUNIX/Linux

Windows API




54/56

Procesi u UNIX-u

Kreiranje procesa u UNIX-u



Sistemski pozivi za upravljanje


55/56

Sistemski pozivi za upravljanjeprocesima u Unix-u

sje kod grekepidje ID procesaresidualje preostalo vreme od prethodnog alarma



Si ki i i lj j l i


56/56

Sistemski pozivi za upravljanje poslovima,procesima, nitima i fiberima u Windows API

Windows

Documents

2. Upravljanje procesima