Embed Size (px)
Citation preview
Операционные Системы
4. Процессы и потоки
Брагин Алексей Владимирович[email protected]
ИУ9, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Процесс
• Определения:
– Это программа в состоянии выполнения
– Объект, выполняемый на процессоре
• Процессы – фундаментальное понятие в ОС
– Как исполняемый объект, процесс позволяет параллельное выполнение нескольких программ в системе (ЦП переключается между процессами)
– Всё ПО, работающее на компьютере, включая саму ОС, организовано в виде множества процессов
© 2013 Брагин А.В. 2
Процесс 2
• Процесс состоит из трех основных компонент– Исполняемого программного кода– Ассоциированных с ним данных, необходимых для
выполнения этой программы– Контекста (информация, необходимая ОС для
управления процессом)• № процесса• Регистры ЦП• Содержимое стэка
• Контекст – основа для переключения процессов• ОС ведёт список всех процессов, находящихся в
системе
© 2013 Брагин А.В. 3
Образ процесса
• Это выделенное место в памяти• Каждый процесс выполняется в
собственном виртуальном адресном пространстве, которое состоит из:– Сегмента стэка: используется для
вызовов функций и системных вызовов– Сегмента данных: переменные,
статические и динамические выделяемые из кучи
– Сегмент кода: код программы, обычно доступ в режиме только для чтения
• Запуск одной и той же программы несколько раз – порождает новые процессы, у каждого из которых своё виртуальное адресное пространство и окружение
© 2013 Брагин А.В. 4
стэк
код программы
данные
куча
0
макс.
Сегмент кода
Сегмент данных
Сегмент стэка
Структуры управления процессом
• Таблица процессов. Одна запись на каждый процесс
• Блок управления процессом: Process Control Block (PCB)
– Описывает свой процесс и его текущее состояние
• Образ процесса (Process Image)
– Память, выделенная для процесса
© 2013 Брагин А.В. 5
Process Control Block
• Содержит всю информацию, необходимую для приостановки и последующего возобновления процесса– Идентификатор процеса
• № процесса, информация о пользователе, …
– Состояние процессора• Регистры, указатели стэка, и т.д.
– Состояние процесса• Информация для планировщика: приоритет, …• Привилегии: доступ к памяти, допустимые инструкции• Информация о виртуальной памяти, присвоенной процессу• Статистика и ограничения (ограничения по времени выполнения,
статистика о затраченном процессорном времени)• Ввод/вывод: владение ресурсами, открытые файлы, выделенные
устройства
© 2013 Брагин А.В. 6
Диспетчеризация
• «Диспетчер» отправляет процессы на выполнение: выделяет время ЦП, переключает ЦП с одного процесса на другой
• В любой момент времени, процесс может находится в каком-либо состоянии– Ожидания ввода/вывода
– Выполнения
– Готовности к выполнению
– Выгруженном
– …
© 2013 Брагин А.В. 7
Модель состояний процесса 1• Можно выделить три основных состояния
– Выполнения (исполняется на ЦП)– Готовности (временно остановлен)– Блокировки (ожидает внешнего события)
© 2013 Брагин А.В. 8
Выполнение
Блокировка Готовность
1.
2.
3.
4.
Диспетчеризация
Таймаут
Ожидание события
Событие произошло
1. Процесс заблокирован для В/В2. Диспетчер планирует другой
процесс3. Диспетчер планирует этот
процесс4. В/В произошёл, процесс
возобновляет выполнение
Модель состояний процесса 2
• Модель из пяти состояний– Новый: процесс создан, но ещё не помещён операционной системой в
пул выполняемых процессов. Создан PCB, но процесс ещё не в памяти– Готовность: процесс полностью готов для выполнения– Выполнение: процесс исполняется– Блокировка: процесс ожидает внешнего события (В/В, и т.п.)– Завершен: процесс удаляется из пула выполняемых процессов (он
закончил работу)
© 2013 Брагин А.В. 9
ГотовНовый
Заблокирован
Выполняется Завершен
Диспетчеризация
Таймаут
Ожидание события
Событие произошло
Принят Завершение
Планирование процессов
• В ОС есть различные очереди (или списки) для планирования процессов– Очередь задач: множество всех процессов в
системе
– Очередь готовых: множество всех процессов, готовых для выполнения
– Очередь ожидающих: множество всех заблокированных процессов
• Процессы перемещаются между этими очередями
© 2013 Брагин А.В. 10
Управление процессами
• Используется одна очередь «готовых» и одна очередь «заблокированных»• Недостатки:
– При наступлении события, все ожидающие этого события процессы нужно переместить из «заблокированных» в очередь «готовых»
– ОС нужно просмотреть все заблокированные процессы в очереди, чтобы выбрать правильный
• Решение: Использовать несколько очередей «заблокированных» процессов
© 2013 Брагин А.В. 11
Очередь «готовых»Поступление Диспетчинг
ЦП
Освобождение
Таймаут
Очередь «заблокированных»Ожидание события
Произошлособытие
Создание процесса
• Загрузка системы– При инициализации системы создаются несколько процессов– В Unix, это процессы «демоны» sched (pid 0), init (pid 1), и другие более
высокоуровневые (веб-сервер, емейл-сервер и т.п.). Ядро – не процесс!– В NT, ядро - это системный процесс System (pid 4), далее загружаются
система управления подсистемами smss.exe и т.д.
• Текущий процесс порождает дочерний процесс– Напр. веб-сервер может порождать дочерний процесс для каждого
нового запроса. Ужас! :)– В UNIX процесс init ожидает авторизации пользователя для того, чтобы
запустить оболочку (новый процесс)
• Пользователь создаёт новый процесс– Пользователь вызывает команду из текстовой оболочки, или запускает
новую программу через графическую оболочку. Это создаёт новый процесс, родитель которого – оболочка.
© 2013 Брагин А.В. 12
Создание процесса 2
• Присвоить уникальный идентификатор новому процессу
• Выделить место для процесса
– Программа, данные, стэк
• Инициализировать PCB
• Добавить процесс в очередь «готовых» к выполнению
© 2013 Брагин А.В. 13
Иерархия процессов (UNIX)
• Строгая иерархия между процессами: дочерний и родительский процессы всегда взаимосвязаны
• Группы процессов• Напр. интерпретатор командной строки (shell)
является родительским для всех процессов, которые пользователь запускает из командной строки– Если пользователь посылает сигнал (напр. SIGKILL)
группе процессов, то сигнал доставляется каждому процессу из группы
© 2013 Брагин А.В. 14
Иерархия процессов (Windows)
• Её нет. Все равны.
• Хэндл процесса: когда новый процесс создаётся родительским, то родитель получает хэндл дочернего процесса. Т.о. может им управлять.
• Этот хэндл можно передавать другим процессом (в отличие от Unix, где родительский процесс не может менять множество дочерних процессов)
© 2013 Брагин А.В. 15
Создание процесса (UNIX)
• Процессы создаются через fork() / exec()– fork() создаёт точный клон вызывающего процесса, т.н.
«дочерний» процесс– exec() заменяет образ процесса этого клона новой
программой, которая должна быть выполнена– Поэтому всегда есть иерархия
• После создания у родительского и дочернего процессов собственные, разные адресные пространства. Некоторые ресурсы могут быть общими (напр. открытые файлы)
• Поэтому системный вызов fork() «возвращается дважды»– Один раз в родительский процесс, и один раз во вновь
созданный
© 2013 Брагин А.В. 16
Создание процесса (UNIX) 2
© 2013 Брагин А.В. 17
Адресное пространство родителя
(код, статические данные, куча, стэк)
Родительский PCB
Адресное пространство дочернего процесса
(код, статические данные, куча, стэк)
Дочерний PCB
идентичнаякопия(единственное исключение – аргумент PID на вершине стэка)
Похожие, но не копия
Создание процесса (UNIX) 3
• Как же создать новую программу, а не ещё одну копию старой?
• «Легко». Вначале fork(), потом exec().
• exec() не создаёт нового процесса, а заменяет данные текущего процеса новыми данными
• У такой модели есть недостатки:
– fork() очень медленный (нужно создать полную копию всего)
– Решения в виде vfork(), copy-on-write, и т.п.
© 2013 Брагин А.В. 18
Что в Linux?
• clone() заменяет fork() (и vfork() тоже). У clone() есть дополнительные опции.
• Но всё-равно нужно чётко понимать, как работает fork()
• В Linux exec() не является системным вызовом.
• execve() – единственный системный вызов, аналогичный по функционалу exec()
• Всё-равно нужно чётко понимать, как работает exec()
© 2013 Брагин А.В. 19
Создание процесса (NT)
• Процессы создаются через системный вызов NtCreateProcess().
© 2013 Брагин А.В. 20
Переключение между процессами
• При необходимости переключиться на другой процесс, ОС выполняет «переключение контекста»
– Состояние старого процесса сохраняется в его PCB
– Состояние нового процесса восстанавливается из его PCB
• Время затраченное на переключение контекста – накладные расходы ОС
• Зависит от аппаратной реализации
© 2013 Брагин А.В. 21
Переключение контекста
• События, вызывающие переключение контекста:
• Прерывания
• Исключения
• Системные вызовы
© 2013 Брагин А.В. 22
Потоки (нити)
• Процесс состоит как минимум из:– Адресного пространства
• Набор инструкций (код) программы• Данные для программы
– Состояния потока выполнения• Счётчик команд (регистр IP)• Указатель стэка SP• Другие регистры
– Множества ресурсов ОС• Открытые файлы, сетевые соединения, …
• И всё это в одном понятии процесса. Не есть хорошо.
• Разделим соответственно на 3 области
© 2013 Брагин А.В. 23
Потоки, зачем они нужны
• Потоки – для параллелизма и одновременности.• Параллелизм – это физически одновременное выполнение для
достижения наибольшей производительности.• Одновременность – логическое и/или физическое
одновременное выполнение. Далее «параллелизм».
• Один из вариантов достижения параллелизма –использование множества процессов– Программы в разных процессах изолированы друг от друга
• Потоки – другой способ достичь параллелизма– Потоки работают внутри одного процесса, все потоки
процесса имеют одно адресное пространство, и те же ресурсы ОС
– У потоков есть свой стэк и своё состояние ЦП
© 2013 Брагин А.В. 24
Параллелизм
• Возьмём пример про веб-сервер со слайда 12, который должен обслуживать несколько запросов параллельно– Ожидая данных по запросу клиента из базы данных,
сервер мог бы загрузить данные с диска для другого клиента, и обработать запрос третьего клиента
• Или, веб-браузер– В момент обращения к веб-страничке, он мог бы
параллельно загружать данные из различных источников
• Некая вычислительная программа, использующая физический параллелизм
• Нужно обработать большой массив данных
© 2013 Брагин А.В. 25
Параллелизм 2
• В каждом из этих примеров параллелизма есть общее:– Один код– Доступ к одним данным– Один уровень доступа– Одно множество ресурсов
• Но есть разное:– Стэк и указатель на стэк SP– Счётчик инструкций (регистр IP), указывающий на
следующую инструкцию– Множество регистров ЦП
© 2013 Брагин А.В. 26
Параллелизм 3
• Как этого достичь?
• Используя знания о процессах, можно– fork-нуть несколько процессов
– Заставить каждый из них отображать своё виртуальное адресное пространство на одну и ту же физическую память
• Неэффективно!– Затраты на PCB, таблицы страниц, создание
операционной системой структур данных, копирование адресного пространства, и т.д.
© 2013 Брагин А.В. 27
Решение – потоки!
• Основная мысль
– отделить понятие процесса (адресного пространства, ресурсов ОС) от
– Минимальной нити, потока управления (т.е. состояния выполнения – стэка, регистров ЦП)
• Иногда такое состояние выполнения называют «лёгким процессом» или потоком
© 2013 Брагин А.В. 28
Потоки и процессы
• Большинство современных ОС поддерживает два объекта:– Процесс, который определяет адресное пространство и
общие атрибуты процесса– Поток, который определяет последовательный поток
выполнения в рамках процесса
• Поток привязывается к одному процессу (адресному пространству)– Но может быть много потоков в одном адресном
пространстве– Лёгкий доступ к общим данным– Создание потоков занимает очень мало времени
• Потоки стали единицей планирования• Процессы – всего-лишь контейнер, в котором
выполняются потоки© 2013 Брагин А.В. 29
Потоки и процессы 2
• Многопоточность полезна для:– Обработки одновременных событий
– Построения параллельных программ
• Поддержка многопоточности – разделение понятия процесса от минимального потока управления– Для параллельного выполнения не нужно
создавать новые процессы
– Быстрее, меньше требования к памяти
© 2013 Брагин А.В. 30
Потоки и процессы 3
• Раньше: «процесс» = адресное пространство + ресурсы ОС + подразумевался единственный поток
• Теперь: «процесс» = адресное пространство + ресурсы ОС + все потоки процесса
© 2013 Брагин А.В. 31
Потоки режима ядра и пользователя
• На уровне ядра– Есть функция ядра для создания нового потока
• Выделяет стэк выполнения внутри адресного пространства процесса
• Создаёт и инициализирует Thread Control Block (указатель стэка и другие регистры ЦП)
– Каждый поток идентифицируется своим номером (TID, по аналогии с PID)
• На уровне пользователя– Есть возможность управлять потоками из
библиотеки режима пользователя
© 2013 Брагин А.В. 32
Потоки режима пользователя
• Библиотека pthreads
– Каждый поток представляется регистром PC, остальными регистрами ЦП, стэком и небольшим блоком TCB
– Создание потока, переключение между потоками и синхронизация потоков выполняется вообще без участия ядра!
– Потоки уровня пользователя могут быть в 10-100 раз быстрее, чем потоки режима ядра
© 2013 Брагин А.В. 33
Сравнение производительности
• По данным Gribble, Lazowska, Levy, Zahorjanиз Университета им. Вашингтона:
– Создание потока режима ядра pthread_create()/pthread_join() в 2.5 раза быстрее создания нового процесса fork/exit.
– Создание потока режима пользователя в 20 раз быстрее создания потока режима ядра
• В тестах использовалось ядро Linux 2.2.16
© 2013 Брагин А.В. 34
Заключение
• Множество потоков в одном адресном пространстве – это хорошо.
• Потоки режима ядра намного эффективнее процессов, но есть потери на системные вызовы
• Потоки режима пользователя имеют преимущества и недостатки– Высокая скорость и «дешевизна» создания– Могут быть проблемы с вводом/выводом и
блокировками, из-за того, что ядро «не знает» об этих потоках
• Возможно решить проблемы на уровне планировщика
© 2013 Брагин А.В. 35
