Process management 1

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1 Process management 1

2 Process control subsystem user Level kernel Level trap user programs libraries system call interface kernel Level hardware Level file subsystem buffer cache character block device drivers process control subsystem hardware control hardware inter-process communication scheduler memory management 32

3 Process control subsystem Sincronizzazione tra processi. Interprocess communication (IPC): implementa e gestisce varie primitive di comunicazione tra processi, sia locali che remoti. Memory management: controlla l allocazione e la deallocazione della memoria. Schedulazione a breve termine: gestisce l allocazione della CPU tra i processi pronti. System calls: fork, exec, exit, wait, brk, signal 33

4 Overview Res sidente Switcher System calls Interrupt Handlers I/O drivers nte No on reside Processi utente Daemon Processo 1 Processo 2 Processo n Memoria centrale 2

5 bootstrap Processo Ø fork exec /etc/init fork exec /etc/getty exec /bin/login exec LOGIN SHELL swapper fork exec /etc/getty exec /bin/login exec LOGIN SHELL fork exec /etc/getty exec /bin/login exec LOGIN SHELL fork exec /etc/getty exec /bin/login exec LOGIN SHELL fork exec demoni

6 Immagine di un processo L immagine di memoria di un processo è organizzata in tre regioni: E rientrante, e può essere condiviso fra più processi Stack Dati Testo Ogni regione è uno spazio di indirizzamento autonomo 3

7 Cosa genera il compilatore C #include... char buffer[1000]; int version=1; main(int argc, char *argv[]) { int i; } while exit (0); int fun(int n) { int j; } if NON INIZIALIZZATI INIZIALIZZATI STACK TESTO 4

8 Formato di un eseguibile Un eseguibile è costituito da un insieme di header e un insieme di sezioni, contenenti codice o dati: Main header, con magic number Header della Sezione 1 Header della Sezione 2 Sezione 1 Sezione 2 5

9 Strutture dati per la gestione dei processi Process Table - si trova nel kernel, ed è residente; - contiene una entry per ogni processo, ed è dimensionata staticamente al momento della configurazione del sistema; - per ogni processo contiene le informazioni che ne permettono la schedulazione, e che devono essere sempre residenti. U-Area (user area) - si trova nel kernel, ma non è residente; - contiene quelle informazioni necessarie al kernel per la gestione del processo, ma che non è necessario che siano sempre residenti in memoria. Ready Queue - Liste dei processi ready (una per ciascun livello di priorità). 6

10 Strutture dati per la gestione dei processi Process Table U-Area PID PPID Stato del processo Flag di residenza Parametri di schedulazione (priorità, tempo di CPU usato, tempo di attesa) Dimensione del processo Maschere per i segnali locazione della entry nella kernel address map per la U-Area del processo associato 7

11 Strutture dati per la gestione dei processi Ptr alla Process Table entry 0 Registers & PC save area Stack del kernel per il processo Info relative alla system call corrente File descriptors dei file aperti dal processo Parametri per operazioni di I/O Directory corrente e root directory Informazioni per l accounting Puntatori alle region del processo UID e GID reale ed effettivo Process Table U-Area Text Table Stack Dati Testo Processo 8

12 Process table Text table residente swappable User structure Stack del kernel kernel utente dati globali stack heap codice

13 Strutture dati per la gestione dei processi Priorità Ready Q Process Table Stack Dati Testo Lista dei processi che hanno priorità 0 Processo U-Area Text Table 9

14 Sintesi fin qui Ready queue Ker rnel Process Table Switcher System calls Interrupt handlers U-Area U-Area U-Area Stack Stack Stack Dati Dati Dati Testo Testo Testo Processo 1 Processo 2 Processo n 10

15 Scheduling 28

16 Stati di un processo Un processo non ha controllo sulle transizioni di stato; Un processo parte in esecuzione sempre in kernel mode, e subito transita in user mode; Un processo in esecuzione transita da user mode a kernel mode ogni volta che invoca una chiamata di sistema; Un processo può terminare volontariamente, ma anche involontaramente per effetto di eventi esterni (segnali). 29

17 Sintesi fin qui Ready queue Ker rnel Process Table Switcher System calls Interrupt handlers U-Area U-Area U-Area Stack Stack Stack Dati Dati Dati Testo Testo Testo Processo 1 Processo 2 Processo n 10

18 Process switching La schedulazione viene effettuata t da una routine del kernel chiamata switcher (o schedulatore di breve termine) Uno switch di processo può avvenire in 4 casi: 1. quando un processo si pone in stato di Asleep; 2. quando esegue una exit; 3. quando si ritorna da una system call da esso invocata, ma ci sono processi Ready più prioritari; 4. quando si ritorna dalla gestione di un interrupt ma ci sono processi Ready più prioritari. 30

19 Scheduling Unix Tradizionale (1) Adatto per time sharing generale; Privilegiati i processi I/O bound, tra cui i processi interattivi; Garantisce assenza di starvation per CPU-bound e batch; Quanto di tempo indipendente dalla priorità dei processi; Non adatto per real time; Non modulare; Poco adatto ad architetture parallele. 31

20 Scheduling Unix Tradizionale (2) Algoritmo basato su code multiple con feedback (o round robin with multilevel feedback). Il sistema si comporta come segue: - assegna la CPU ad un processo per un quanto di tempo; - la dealloca quando il processo in esecuzione (i) ha esaurito il suo quanto, o (ii) rilascia volontariamente la CPU in attesa di un evento, o (iii) ci sono processi con maggiore priorità; - aggiorna dinamicamente le priorità. Un processo può avere bisogno di più feedback loop prima di finire. 32

21 Scheduling Unix Tradizionale (3) Ogni process entry contiene un campo priorità. Il range delle priorità è partizionato in due classi: User mode e Kernel mode; Le priorità di classe Kernel sono ulteriormente suddivise in: Interruptible e Not Interruptible; tibl Le priorità di processi di classe user vengono ricalcolate dinamicamente; Le priorità ità di prcessi di classe kernel non vengono mai ricalcolate; l Quando un processo rilascia la CPU, va in Asleep in attesa di un evento; Quando l evento occorre, il kernel esegue una wakeup con l indirizzo i dell evento e il processo in Asleep in testa alla coda sull evento viene messo nella coda Ready (*); I processi che erano in attesa di un evento in modo kernel rientrano con la stessa priorità (negativa). 33

22 Scheduling Unix Tradizionale (4) (*) Nota: In Unix tradizionale gli eventi sono mappati in indirizzi del kernel; Eventi diversi possono essere mappati nello stesso indirizzo kernel (ad es. attesa su un buffer e attesa di completamento di I/O vengono mappati sull indirizzo del buffer); Più processi possono essere in Asleep sullo stesso indirizzo kernel; Il kernel non tiene traccia di quanti processi sono in attesa; A seguito di una wakeup tutti i processi in Asleep in attesa su un evento vengono risvegliati e spostati nello stato Ready; Tuttavia molti di essi torneranno subito in Asleep (quelli fortemente I/O- bound). 34

23 Scheduling Unix Tradizionale (7) Kernel Mode Priorities NOT Interruptible Range of Process Priorities Priority Levels Swapper Waiting for Disk IO Waiting for Buffer Waiting for Inode Process Interruptible Threshold Priority User Mode Priorities Waiting for TTY Input Waiting for Tty Output Waiting for Child Exit User Level0 User Level1 User Level n 37

24 Scheduling Unix Tradizionale (5) Alla fine di un quanto (5 o 6 tick = 100 msec), il processo viene prelazionato forzosamente; Quando il processo j rilascia la CPU (forzosamente o no) viene incrementato il suo contatore CPU j di uso CPU; viene messo in fondo alla stessa coda di priorità; riparte lo scheduler su tutte le code. 1 volta al secondo, vengono ricalcolate tutte le priorità dei processi in user mode (dove nice j è un parametro fornito dall utente): CPU j = CPU j /2 (fading esponenziale) Priority j = CPU j + nice j (P.S.:I processi in kernel mode non cambiano priorità) 35

25 Scheduling Unix Tradizionale (6) I processi possono esercitare un controllo crudo del valore della loro priorità mediante la chiamata di sistema nice(value) La chiamata incrementa o decrementa di value il valore della priorità e setta il campo nice nella process entry con valore value; La chiamata funziona solo dalla sua invocazione da parte di un processo che sta in Running; Solo il superuser può usare valori che incrementano la priorità (cioè usare value negativo); I processi ereditano il campo nice con la fork e possono agire solo sul proprio campo (P.S.: se un amministratore di sistema desidera abbassare la priorità di vari processi, non lo può fare. Si può solo killare). 36

26 Scheduling Unix Tradizionale (8) Kernel Mode Priorities NOT Interruptible Movement of a Process on Priority Queues Priority Levels Process Swapper Waiting for Disk IO Waiting for Buffer Waiting for Inode Interruptible Threshold Priority User Mode Priorities Waiting for TTY Input Waiting for Tty Output Waiting for Child Exit User Level0 User Level1 User Level n 38

27 Scheduling Unix Tradizionale (1) Adatto per time sharing generale; Privilegiati i processi I/O bound, tra cui i processi interattivi; Garantisce assenza di starvation per CPU-bound e batch; Quanto di tempo indipendente dalla priorità dei processi; Non adatto per real time; Non modulare; Poco adatto ad architetture parallele. 31

28 Schedulazione Unix Moderno (1) (4.4BSD, SVR4 e successivi) Applicazione del principio di separazione tra il meccanismo e le politiche. Meccanismo: livelli di priorità (numero maggiore = priorità maggiore); - ogni livello è gestito separatamente, i.e. eventi con politiche differenti; Politiche: - classi di scheduling, per ognuna delle quali si può definire una politica diversa; - intervallo delle priorità che definisce la classe; -algoritmo per il calcolo l delle priorità; ità - assegnazione di quanti di tempo diversi ai vari livelli; - migrazione dei processi da un livello ad un altro; Limitazione dei tempi di latenza per il supporto real-time: - inserimento di punti di prelazionabilità del kernel con check del flag kprunrun, settato dalle routine di gestione eventi. 39

29 Schedulazione Unix Moderno (2) (4.4BSD, SVR4 e successivi) Assegnazione di default: 3 classi: -Real time: possono prelazionare il kernel, hanno priorità e quanto di tempo fisso ed ogni coda è gestita round-robin. -Kernel: prioritari su processi time shared, hanno priorità ed ogni coda è gestita FCFS; -Time shared: per i processi normali, ogni coda è gestita roundrobin, con quanto minore per priorità maggiore; la priorità è variabile secondo una tabella fissa, e, se un processo termina il suo quanto, scende di priorità. 40

30 Segnali 41

31 Segnali Un segnale è una notifica a un processo che è occorso un particolare evento: - Un errore di floating point - La morte di un figlio - Una richiesta di terminazione - I segnali possono essere pensati come degli interrupts software ; I segnali possono essere inviati: - da un processo a un altro processo; - da un processo a se stesso; - dal kernel a un processo. Ogni segnale è identificato da un numero intero associato a un nome simbolico. 42

32 Segnali in POSIX Segnale Significato (default) 1. SIGABRT Abortisce un processo (termina con dump) 2. SIGALRM Invia un segnale di "sveglia" " (termina) i ) 3. SIGCHLD Lo stato di un figlio è cambiato (ignora) 4. SIGCONT Continua un processo stoppato (continua o ignora) 5. SIGFPE Floating Point Error (termina con dump) 6. SIGHUP Hangup su un terminale (termina) 7. SIGILL Istruzione di macchina illegale (termina con dump) 8. SIGINT Premuto il tasto DEL per interrompere il processo (termina) 9. SIGKILL Segnale per terminare un processo (non può essere ignorato) (termina) 10. SIGPIPE Tentativo di scrivere su una pipe che non ha lettori (termina) 11. SIGQUIT L'utente ha usato il tasto di quit del terminale (termina con dump) 12. SIGSEGV Riferimento a un indirizzo di memoria non valido (termina con dump) 13. SIGSTOP Per stoppare un processo (non può essere ignorato) (stoppa t il processo) 14. SIGTERM Segnale per terminare un processo (termina) 15. SIGTSTP L'utente ha usato il tasto "suspend" del terminale (stoppa il processo) 16. SIGTTIN Un processo in background tenta di leggere dal suo terminale di controllo (stoppa il processo) 17. SIGTTOU Un processo in background tenta di scrivere sul su terminale di controllo (stoppa il processo) 18. SIGUSR1 Disponibile per scopi definiti dall'applicazione 19. SIGUSR2 Disponibile per scopi definiti dall'applicazione 43

33 System calls per i segnali kill(pid, sig#) invia il segnale specificato al processo o al gruppo di processi specificato. signal (sig#, handler) associa a un segnale la sua funzione di trattamento. Per motivi di protezione, deve valere almeno una delle seguenti condizioni: 1. Il processo che riceve e il processo che invia il segnale devono avere lo stesso owner; 2. L owner del processo che invia il segnale è il superuser. 44

34 Gestione dei segnali Quando un processo riceve un segnale, può: 1. Trattarlo mediante una specificata funzione ( handler ); 2. Ignorarlo 3. Attivare l azione di default associata al segnale stesso (termina o sospendi il processo, ignora). 45

35 Esempio Per terminare o sospendere un processo in foreground, l utente può premere i tasti CTRL-C o CTRL-Z (rispettivamente). Tale carattere viene acquisito dal driver del terminale, che notifica al processo il segnale SIGINT o SIGTSTP (rispettivamente). Per default, SIGINT termina il processo e SIGTSTP lo sospende. NB: Tali segnali vengono inviati a tutto il gruppo di processi. 46

36 Quando viene notificato/gestito un segnale Nessun effetto su un processo in esecuzione in kernel mode; La notifica e la gestione avvengono poco prima che il processo vada in esecuzione in user mode. sys call, interrupt User Running return return to user Check and Handle Signal Kernel Running exit preempt Zombie Asleep In Memory sleep swap out reschedule process wakeup swap out Preempted Ready to Run In Memory swap in enough mem Created Check for Signal fork Sleep, Swapped not enough mem (swapping system only) wakeup Ready to Run, Swapped 47

37 Il kernel gestisce i segnali all interno del contesto del processo (process table entry e u-area). I segnali possono essere trattati in 3 modi: exit (default action), ignore, proper handler. Proper handler --> oldfunction = signal(sig_num, HANDLER_FUNC) HANDLER_FUNC è l indirizzo della funzione da eseguire per SIG_NUM oppure: 0: il valore di defaul che induce exit() 1: ignora le future occorrenze del segnale L u-area contiene un array di handler in cui ad ogni segnale è possibile associare una funzione dedicata.

38 Strutture dati per la gestione dei segnali un bit per ogni segnale, che viene alzato dalla kill (viene ricordato solo l ultimo segnale di ogni tipo) Process Table Stack Dati Testo Processo array di puntatori agli handler definiti dall utente per ogni segnale (null=default) U-Area Text Table 48