Datalogi 1F Forår 2003

Datalogi 1FForår 2003

OS[2]: Processor, tråde og skedulering

Jørgen Sværke Hansen

[email protected]

Datalogi 1F: Operativsystemer[2] 2

Planen for idag

• Processer:– Procesbegrebet– Processkift– Processers familieliv– Kommunikerende processer

• Tråde– En lettere form for parallelisme

• Skedulering– Hvordan udnyttes ressourcerne bedst muligt– Hvordan sikres lave ventetider


Hvad er en proces?• Operativsystemet afvikler bruger- og

systemprogrammer• Programmernes funktionalitet er specificeret

en serie af instruktioner:– Eksekverbar kode– Højniveausprog og fortolker

• En proces er et program under afvikling:– Specifikation– Køretidstilstand

• Processer udføres sekventielt


Livscyklus for en proces

En proces P bevæger sig mellem følgende

tilstande gennem sin levetid:

ny: P er ved at blive oprettet

kørende: P’s instruktioner bliver pt. udført

ventende: P venter på resultat af en operation

klar: P er klar til at blive udført men venter på CPU tid

afsluttet: P er termineret


Tilstandsdiagram for en proces´ livscyklus


Hvad består en proces af?

• En aktiv instans af et program:– Program kode (ens for alle instanser)– Program data– CPU registre– Systemressourcer:

• Lager• Åbne filer

– Bogføringsinformation:• Proces ID• Forbrug af systemressourcer


Process Control Block


Processkift (kontekstskift)


Processkift (2)

• Processkift er dyrt:– Umiddelbar omkostninger:

• Opmagasinering/reetablering af CPU registre• Skift af datastrukturer for virtuel hukommelse• Evt. afbrydelseshåndtering

– Afledte omkostninger:• CPU cache fyldt op med data fra gammel proces• Andre caches har lignende problemer (eks. TLB)

• Hardware understøttelse af processkift:– CPU har flere registersæt– Intel hyperthreading (2 aktive processer per CPU)


Hvor opholder processerne sig henne når de ikke er kørende?

Når en proces ikke er aktiv, placeres dens

PCB i en ventekø:

Klar-kø: svarende til klar-tilstanden

Ventekø: proces venter på hændelse:

I/O-kø: typisk en kø for hver ydre enhed

Synkroniseringskø: ved begrænset adgang til routiner kan det være nødvendigt at vente


OS proceskøer


Sammenhængen mellem køerne


Processers familieliv• Processer (en forælder) kan starte nye processer

(børn)• Et barn kan arve (dele af) systemressourcer fra

forælder:– Åbne filer– Lagerområder

• Et barn kan startes som en instans af et andet program (typisk arves ingenting fra forælder)

• Udførsel af børn:– Forældre kan vente på afslutningen af børnene– Forældre og børn udføres samtidigt

• Hvis en forælder dør:– Slås alle børn ihjel– Forælderrettighed overgives til stamfaderen


UNIX eksempel• fork() kloner en proces:

– Opretter kopi af arbejdslageret (kan ske dovent)

• Returværdi af kaldet er:– 0 hvis det er en børneproces– Proces_id for børneproces hos kaldene forælder

• wait() venter på en børneproces afsluttes:– Zombie processer – afsluttede processer hvor

forælder endnu ikke har ventet på dem

• execv(prog) udfører det nye program ”prog”


UNIX pstree eksempel


UNIX ps eksempel


Samarbejdende processer

• Uafhængige processer påvirkes ikke af udførslen af andre processer

• Samarbejdende processer kan påvirke hinanden

• Fordele ved samarbejde:– Dele data– Hurtigere udførsel af en opgave– Modularitet– Flere processer er naturligt til opgave


Koordinering af processer:Inter Process Communication (IPC)

• Sammenkædning af inddata med uddata:– UNIX pipes, f.eks.: gunzip –v text.txt.gz | less

• Beskedudveksling:– Direkte:

• send(453,besked): send besked til process med ID 453• modtag(id, besked): modtag besked fra en eller anden

– Indirekte (via postkasser):• Nemmere at etablere mange til mange relationer• Navngivne postkasser afkobler identifikation fra proces ID

• Delt lager


Producent-konsument problemet

• Paradigme for samarbejdende processer: en producent proces skaber data som bruges af en konsument proces

• Buffer plads:– Ubegrænset = ikke de store problemer– Begrænset = P’s hastighed skal afstemmes med Ks

• Delt lager:– buffer: en tabel– in: peger på næste frie indgang i buffer– out: peger på næste færdige element


Producent-konsument via delt lageritem nextProduced;

while (1) {while (((in + 1) % BUFFER_SIZE) == out)

yield(); /* do nothing */buffer[in] = nextProduced;in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;

}

item nextConsumed;

while (1) {while (in == out)

yield(); /* do nothing */nextConsumed = buffer[out];out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;

}

buffer fuldbetingelse

buffer tombetingelse


Tråde• ”Internt” i en proces kan der være flere

parallelle arbejdsopgaver, f.eks.:– Web-server: hver forespørgsel kan

behandles separat– Tekstbehandling: formatering af tekst sker

samtidig med behandling af inddata

• Tråde giver en proces mulighed for at have flere aktive programsekvenser, der deler processens systemressourcer:– Tråde er ”lette”– Processer er ”tunge”


En proces med en eller flere tråde


2 slags trådimplementation

• Tråde på brugerniveau:– Implementeret ”inden i” en enkelt proces– Al administration af tråde sker i brugerprocessen– Lav omkostning ved skift/oprettelse/nedlæggelse af

tråde

• Kernetråde:– Kernekald ved trådadministration (dyrt)– Kernen kan skifte tråd ved blokerende systemkald– Kan udnytte flere processorer


CPU skedulering

• Målet for CPU skedulering

• Forskellige skeduleringsstrategier:– First come first served– Shortest job first– Round robin– Prioritetsbaseret– Flerniveaubaseret


CPU skeduleringens formål

• Udnyt systemressourcer i multiprogram-meret system bedst/mest muligt:– CPU– Ydre enheder

• Sikre lave ventetider for brugere

• Procesafvikling består af et mix af CPU og I/O-perioder


Proces’ CPU vs I/O brug• CPU bunden:

bruger CPU mere end ydre enheder

• I/O-bundet: bruger ydre enheder mere end CPU


Fordeling af længden af CPU ”eksplosioner”


CPU skeduler

• Skeduleren vælger en proces til udførsel ud af en mængde af klare processer

• Valg kan foretages:1. Når en kørende proces skifter til ventetilstand

2. Når en kørende proces skifter til klartilstanden

3. Når en ventende proces skifter bliver klar

4. Når en proces afsluttes

• Frivilligt processkift (nonpreemptive): 1 og 4• Tvungent processkift (preemptive): resten


Kriterier for CPU skedulering• CPU udnyttelse: MAKSIMERES

– hvor mange % af tiden er CPU uden arbejde

• Throughput: MAKSIMERES– antal processer færdige per minut

• Udførselstid: MINIMERES– hvor lang tid tager det at udføre en given proces

• Ventetid: MINIMERES– hvor lang tid har en proces opholdt sig i ventekøen

• Responstid: MINIMERES– hvor langt tid er der imellem forespørgsel og

reaktion


First Come First Served (FCFS) Proces Processor periode

P1 24

P2 3

P3 3

• Processerne ankommer i rækkefølgen: P1 , P2 , P3

Gantt diagrammet for rækkefølgen er:

• Ventetiden for P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27

• Gennemsnitlig ventetid: (0 + 24 + 27)/3 = 17

P1 P2 P3

24 27 300


Shortest Job First• Proces der har kortest tid tilbage udføres først:

– Preemptive: hvis der ankommer en kortere proces senere afbrydes den kørende proces

– Nonpreemptive: processer afbrydes ikke

• Giver den korteste ventetid for en given mængde processer

• Problem: det kræver at udførselstid kendes• Heuristikker til forudsigelse af næste

processorperiode:– Løbende gennemsnit nnn t 1 1


Round robin (RR)• En proces får adgang til CPU’en i en

begrænset periode T (en tidsskive), f.eks. 100 ms

• Når perioden udløber sættes processen bagest i klarkøen

• Med n processer i klarkøen får hver proces en 1/n-del af CPU tiden, og skal aldrig vente længere end T(n-1).

• Fastsættelse af T:– T stor betyder lange ventetider (gående mod FCFS)– T lav kan resultere i spildtid pga. mange

kontekstskift


Prioritetsbaseret afvikling• Hver proces tilknyttes et heltal, der angiver

processens prioritet, f.eks.: 0 (høj) - 7 (lav)• Processen med den højeste prioritet afvikles

først: (ved lighed bruge oftest RR)• SJF specialtilfælde hvor kortere køretid giver

højere prioritet• Problem: Udsultning – processer med lav

prioritet kommer aldrig til• Udsultning kan afhjælpes ved ældning af

processer (prioritet øges over tid)


Flerniveau skedulering• Klarkøen splittes op i flere køer, hvor hver kø

håndterer en klasse af applikationer:– Forgrund (interaktive)– Baggrund (CPU-bundne)

• Hver kø har sin egen skedulering:– Forgrund (RR)– Baggrund (SJF)

• Fordeling af procestid mellem køer:– Prioritetsbaseret: forgrund altid før baggrund– Tidsskiver: forgrund får 80% af CPU, bagrund 20%


Flerniveau med feedback

• En proces kan skifte mellem niveauer, f.eks ved ældning

• Processen overvåges løbende og placeres i en kø, der passer til observerede opførsel:– En proces i forgrundskøen, der ofte

overskrider sin tidsskive flyttes til baggrundskø


Flerniveau med feedbackEksempel


Opsummering

• Procesbegrebet: et program under udførsel, processkift, proceskøer

• Tråde: parallelisme internt i processer

• Skedulering: maksimer CPU udnyttelse, minimer ventetider, tvungent vs frivilligt processkift, forskellige skeduleringsalgoritmer


Kilder

• Disse slides er baseret på SG03 samt de af forfatterne udviklede slides

Documents

Datalogi 1F Forår 2003