PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní1
Procesy
PB153
Operační systémy a jejich
rozhraní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní2
Co je to proces
 Pro spuštěný program máme řadu pojmenování
 dávkové systémy: úlohy, dávky, jobs
 multiprogramové systémy: procesy (processes,
tasks), vlákna (threads)
 Společné pojmenování pro spuštěný program je
proces (někdy používáme synonymum task)
 Dále zavádíme pojem vlákno pro „dílčí“ proces v rámci
„procesu“
 Proces obsahuje
 čítač instrukcí
 zásobník
 datovou sekci
 program (instrukční sekce)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní3
Proces v OS
 Hierarchie procesů
 rodič, potomek (proces vytvořený na žádost jiného
procesu – rodiče)
 sourozenci (procesy vytvořené jedním rodičem)
 Procesy a mutiprogramování
 prokládáním běhů procesů maximalizujeme využití
procesoru a minimalizujeme dobu odpovědi
 procesu jsou přidělovány zdroje systému
• bereme v úvahu priority a vzájemnou výlučnost operací
• musíme zabránit „uváznutí“ procesů (deadlock)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní4
Stavy procesu
 Proces se může nacházet v jednom ze stavů:
 nový (new): právě vytvořený proces
 běžící (running): některý procesor právě
vykonává instrukce procesu
 čekající (waiting): čeká na určitou událost
 připravený (ready): čeká na přidělení času
procesoru
 ukončený (terminated): ukončil své provádění
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní5
Stavy procesu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní6
Informace OS o procesu
 Process Control Block -- tabulka
obsahující informace potřebné pro
definici a správu procesu
 stav procesu (běžící, připravený, …)
 čítač instrukcí
 registry procesoru
 informace potřebné pro správu
paměti
 informace potřebné pro správu I/O
 účtovací informace
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní7
Přepnutí procesu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní8
Přepnutí kontextu
 Vyžádá se služba, akceptuje se některé asynchronní přerušení,
obslouží se a nově se vybere jako běžící proces
 Když OS přepojuje CPU z procesu X na proces Y, musí:
 uchovat (uložit v PCB procesu X) stav původně běžícího procesu
 zavést stav nově běžícího procesu (z PCB procesu Y)
 Přepnutí kontextu představuje režijní ztrátu (zátěž)
 během přepínání systém nedělá nic efektivního
 Doba přepnutí závisí na konkrétní HW platformě
 Počet registrů procesoru, speciální instrukce pro uložení/načtení
všech registrů procesoru apod.
 Při přerušení musí procesor
• uchovat čítač instrukcí
• zavést do čítače instrukcí hodnotou adresy vstupního bodu
ovladače přerušení z vektoru přerušení
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní9
Fronty plánování procesů
 Fronta úloha
 seznam všech procesů v systému
 Fronta připravených procesů
 seznam procesů uložených v hlavní paměti a připravených k běhu
 Fronta na zařízení
 seznam procesů čekajících na I/O operaci
 Fronta odložených procesů
 seznam procesů čekajících na přidělení místa v hlavní paměti
 Fronta na semafor
 seznam procesů čekajících na synchronizační událost
 …
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní10
Příklad: fronty procesů
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní11
Strategický plánovač
 Obecně nemusím mít všechny úlohy, které chci
spustit, v operační paměti
 Fronta všech úloh může být značně dlouhá a plánovač
musí rozhodnout, které úlohy zavést do paměti a
spustit
 Toto je úkol dlouhodobého (strategického) plánovače
 vybírá který proces lze zařadit mezi připravené
procesy
 plánovač je spouštěn je relativně málo často – typicky
při ukončení jednoho procesu rozhodne, kterou úlohu
dále vybrat k zavedení do paměti a spuštění
 nemusí být super rychlý
 určuje stupeň multiprogramování
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní12
Krátkodobý plánovač
 Přiděluje procesor připraveným procesům
 Je spouštěn často (např. každých 10ms)
 Proto musí být rychlý
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní13
Odkládání procesů
 Každý proces musíme jednou zavést do RAM
 alespoň částečně (část může zůstat na disku a
dohrána on-demand – viz některé optimalizace)
 Příliš mnoho procesů v RAM však snižuje
výkonnost i při využití virtuální paměti
 OS musí provádění některých procesů odložit -
„vrátit“ na disk
 Dva nové stavy
 odložený čekající
 odložený připravený
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní14
Střednědobý plánovač
 Střednědobý (taktický) plánovač
 vybírá který proces lze zařadit mezi odložené procesy
 vybírá který odložený proces lze zařadit mezi připravené
procesy
 Náleží částečně i do správy operační paměti
 kapacita FAP je omezená a odložené procesy uvolňují paměť
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní15
Vytvoření procesu
 Rodič vytváří potomky (další procesy)
 Potomci mohou vytvářet další potomky …
 Vzniká strom procesů
 Sdílení zdrojů – varianty při vytváření potomků
 rodič a potomek sdílejí zdroje původně vlastněné rodičem
 potomek sdílí rodičem vyčleněnou podmnožinu zdrojů s rodičem
 potomek a rodič jsou plně samostatné procesy, nesdílí žádný
zdroj
 Běh
 rodič a potomek mohou běžet souběžně
 rodič čeká na ukončení potomka
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní16
Ukončení procesu
 Proces provede poslední příkaz a sám požádá OS o ukončení
 výstupní data procesu se předají rodiči (pokud o to má zájem –
např. čeká na ukončení potomka voláním wait)
 zdroje končícího procesu se uvolňují operačním systémem
 O ukončení procesu žádá jeho rodič (nebo jiný proces s
dostatečnými právy nebo OS), protože např.:
 potomek překročil stanovenou kvótu přidělených zdrojů
 úkol přidělený potomkovi rodič již dále nepotřebuje
 rodič končí svoji existenci a nebylo povoleno, aby potomek přežil
svého rodiče
• může docházet ke kaskádnímu ukončování (ukončí se celá větev
stromu procesů)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní17
Kooperující procesy
 Nezávislé procesy
 nemohou se vzájemně ovlivňovat
 Kooperující procesy
 mohou ovlivňovat běh jiných procesů nebo jiné procesy mohou
ovlivňovat jejich běh
 Přínosy kooperace procesů
 sdílení informací
 urychlení výpočtů
 modularita
 pohodlí při programování
 Příklady typových úloh kooperace
 producent – konzument
 klient – server
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní18
Příklad: MS-DOS
 Neumožňuje spouštět procesy paralelně (singletaskingový
systém)
 Služby OS
 spusť proces a čekej na ukončení potomka (služba
4bh int21h)
 ukonči proces (služba 00 int21h nebo služba 4ch
int21h nebo int20h)
 zjisti návratovou hodnotu ukončeného procesu
(služba 4dh int21h)
 ukonči proces, ale neuvolňuj paměť – (terminate, but
stay resident) – TSR (služba 31h int21h nebo int 27h)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní19
Příklad: MS-DOS (2)
 Popisovač procesu (Program Segment Prefix)
Offset Size Contents
+0 2 EXE programs may JMP or RET here (PSP:0) to exit
+2 2 top of available system memory in paragraphs
+4 1 (reserved)
+5 5 FAR CALL to DOS function dispatcher
+6 (2) bytes available in Program Segment (for COM file only)
+0aH 4 Terminate address. See INT 22H
+0eH 4 Ctrl-Break handler address INT 23H
+12H 4 Critical Error handler addr INT 24H
+16H 16H DOS reserved area
+2cH 2 Segment address of DOS environment
+2eH 2eH DOS reserved area
+5cH 10H setup as an FCB for 1st cmd parameter
+6cH 14H setup as an FCB for 2nd cmd parameter
+80H 1 count of characters in UPA at 81H also offset of default DTA
+81H 7fH characters from DOS command line (except any redirection directives)
100H Program Segment Prefix size
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní20
Příklad: UNIX
 OS s preemptivním multitaskingem
 Služby OS
 fork – vytvoří nový proces jako kopii rodiče
 execve – nahradí současný proces spuštěním
jiného programu
 exit (resp. _exit) – ukončí proces
 wait, waitpid – čeká na ukončení potomka
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní21
Příklad: UNIX (2)
 Spuštění procesu a vyčkání na jeho ukončení
pid=fork();
if(pid<0) { perror(“fork failed”);
exit(1); }
else if(pid==0) { /* child */
execlp(“/bin/ls”,”ls”,NULL); }
else { /* parent */
wait(NULL);
printf(“child completed”);
exit(0);
}
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní22
Příklad: Linux
 volání fork() implementováno jako copy-on-write (tj.
dokud paměť není měněna je sdílena a až při
pokusu o modifikaci je vytvořena kopie)
 vfork – upravené fork, které nekopíruje stránky
paměti rodičovského procesu
 rychlejší
 vhodné pro okamžité spuštění execve
 clone – upravené fork, které umožňuje sdílet
některé zdroje (například paměť, deskriptory
souborů, ovladače signálů) mezi rodičovským a
nově vytvořeným procesem.
 Informace o procesu jsou uloženy ve struktuře
task_struct (viz usr/include/sched.h)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní23
Příklad: Linux (2)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní24
Příklad: Win32
 Služby OS
 CreateProcess – vytvoří nový proces (spustí
specifikovaný program)
 OpenProcess – pro získání přístupu k existujícímu
procesu
 ExitProcess – ukončí tento proces
 TerminateProcess – ukonči nějaký (např. synovský)
proces
 GetExitCodeProcess – zjisti návratovou hodnotu
ukončeného procesu (nebo fakt, že proces ještě
neskončil)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní25
Příklad: Win32
(CreateProcess)
STARTUPINFO si;
PROCESS_INFORMATION pi;
ZeroMemory( &si, sizeof(si) );
si.cb = sizeof(si);
ZeroMemory( &pi, sizeof(pi) );
if(!CreateProcess(L"c:\\windows\\system32\\sol.exe", NULL, NULL, NULL, FALSE,
0, NULL, NULL, &si, &pi))
{
printf( "CreateProcess failed (%d)\n", GetLastError() );
getch();
return;
}
WaitForSingleObject( pi.hProcess, INFINITE );
CloseHandle( pi.hProcess );
CloseHandle( pi.hThread );
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Příklad: Win32
(EnumProcesses)
DWORD aProcesses[1024], cbNeeded, cProcesses;
if ( EnumProcesses( aProcesses, sizeof(aProcesses),
&cbNeeded ) )
{
cProcesses = cbNeeded / sizeof(DWORD);
for (int i = 0; i < cProcesses; i++ )
if( aProcesses[i] != 0 )
VypisProces( aProcesses[i] );
}
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní27
Příklad: Win32
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní28
Příklad: Win32
Values for the Thread Wait Reason counter
 0 Waiting for a component of the Windows NT Executive
 1 Waiting for a page to be freed
 2 Waiting for a page to be mapped or copied
 3 Waiting for space to be allocated in the page or nonpaged pool
 4 Waiting for an Execution Delay to be resolved
 5 Suspended
 6 Waiting for a user request
 7 Waiting for a component of the Windows NT Executive
 8 Waiting for a page to be freed
 9 Waiting for a page to be mapped or copied
 10 Waiting for space to be allocated in the page or nonpaged pool
 11 Waiting for Execution Delay to be resolved
 12 Suspended
 13 Waiting for a user request
 14 Waiting for an event pair high
 15 Waiting for an event pair low
 16 Waiting for an LPC Receive notice
 17 Waiting for an LPC Reply notice
 18 Waiting for virtual memory to be allocated
 19 Waiting for a page to be written to disk
 20+ Reserved