Sistemi Operativi. Lezione 3 Processi e Thread

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Raffaella Carbone
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1 Lezione 3 Processi e Thread

2 Introduzione Sino ai sistemi batch la CPU di un sistema svolgeva un attività, la portava a termine e solo allora avviava un altra attività Con l avvento della multiprogrammazione la CPU di un elaboratore si trovava impegnata nella gestione di più attività in parallelo, iniziata un attività la stessa non doveva necessariamente essere terminata, prima di avviarne una nuova 2

3 Introduzione Per poter garantire la corretta implementazione di queste funzionalità era necessario: Individuare tutti i possibili scenari che potevano comprometterne il corretto funzionamento Individuare le strategie ottimali per la gestione delle varie attività 3

4 Introduzione Per risolvere questi problemi viene introdotto un modello astratto di un sistema calcolo multiprogrammato Questo modello è basato sulla concezione di un sistema di calcolo multiprogrammato come un sistema in cui vengono svolte n attività in parallelo, cioè che si sovrappongono nel tempo 4

5 Introduzione Queste attività sono chiamate PROCESSI (Sequenziali) Un processo consiste nell esecuzione di un programma Processo Vs. Programma Programma: oggetto statico un programma non evolve nel tempo Processo: oggetto dinamico, nasce e muore in un determinato arco di tempo Più processi possono essere legati a un solo programma 5

6 Il modello a processi a. Multiprogrammazione di 4 processi b. Modello concettuale c. L evoluzione temporale 6

7 Il modello a processi Nel modello a processi non si fa alcuna assunzione temporale in merito allo stato di evoluzione di un processo Ogni processo evolve indipendentemente Ogni processo nasce, evolve e termina Tutti i processi fanno riferimento allo stesso arco temporale 7

8 Creazione di un processo I processi vengono creati a fronte di: 1. Inizializzazione del sistema Tramite l esecuzione di un apposita routine di sistema 2. La richiesta di un applicazione di creare un nuovo processo 3. All avvio di nuove attività da parte dell utente o del sistema 8

9 Terminazione di un processo Le condizioni che determinano la terminazione di un processo sono: Terminazione normale Scadenza del tempo di permanenza nel sistema Memoria non disponibile Violazione delle protezioni Errore aritmetico Time overrun Un processo ha atteso troppo per un evento 9

10 Terminazione di un processo I/O failure Invalid instruction Privileged instruction Terminazione del processo padre Richiesta di terminazione da parte del processo padre 10

11 Gerarchie di processi I processi padre generano i processi figli che a loro volta generano altri processi In questo modo si crea una gerarchia di processi UNIX: process group Windows non possiede nozioni di gerarchia di processi Tutti I processi sono uguali 11

12 Evoluzione dei processi (1) 12

13 Evoluzione dei processi (2) 13

14 Evoluzione dei Processi (3) 14

15 Evoluzione dei processi 15

16 Aspetti realizzativi

17 Aspetti realizzativi Praticamente è il sistema operativo che si deve preoccupare di far funzionare il modello a processi Predisporre tutte le necessarie strutture dati e procedure per poter interrompere e riprendere l esecuzione dei processi ogni volta che se ne presenta la necessità Garantire la corretta evoluzione del sistema 17

18 Schema di riferimento Scheduler: componente del sistema op. Gestisce gli interrupts e lo scheduling 18

19 Implementazione Per gestire i processi il sis. Op. usa una particolare struttura dati, detta Process Control Block (PCB) Il PCB viene allocato all avvio di ogni processo e deallocato al termine dello stesso Esiste un PCB distinto per ogni processo 19

20 PCB 20

21 Process Control Block (1) Le informazioni per l identificazione del processo contengono: Identificatore del processo Identificatore del processo padre Identificatore dell utente proprietario del processo 21

22 Process Control Block (2) Lo stato del processore Tutti i registri del datapath accessibili dai processi utente PC Condition codes Variabili di stato: flag di interrupt, execution mode Stack pointer: puntatori allo stack associato al processo 22

23 Process Control Block (3) Process Control Information Process state: running, ready, waiting, halted. Priorità di scheduling Informazioni per l algoritmo di scheduling: tempo di permanenza nel sistema, tempo di CPU, Eventi: identificativo dell evento di cui il processo è eventualmente in attesa 23

24 Process Control Block (4) Process Control Information Campi di strutture dati: puntatori utilizzati quando il PCB è inserito in code di attesa Variabili per la comunicazione tra processi Eventuali privilegi concessi al processo: quantità di memoria, risorse del sistema 24

25 Process Control Block (5) Process Control Information Gestione della Memoria Tabelle delle pagine o dei segmenti Risorse utilizzate File aperti e/o creati 25

27 Stato del processore Contenuto dei registri Registri del datapath Control e status register Stack pointer Program status word (PSW) Contiene informazioni circa lo stato del processore Esempio: il registro EFLAGS su macchine Pentium 27

28 Pentium II EFLAGS Register 28

29 Context switch Il passaggio della CPU da un processo ad un altro è realizzato attraverso l operazione di context switch o process switch Durante questa operazione i dati significativi del processo in esecuzione vengono salvati nel suo PCB, e sostituiti da quelli del PCB del processo che deve andare in esecuzione L operazione di context switch è interrupt driven 29

30 Context switch Quando effettuare un context switch Clock interrupt I/O interrupt Memory fault Supervisor call Eccezioni 30

31 Context Switch Salva lo stato del processore Aggiorna il PCB del processo in esecuzione Sposta il suddetto PCB nella coda adeguata - ready, blocked Seleziona un altro processo per l esecuzione 31

32 Cambiamento di Stato di un Processo Aggiorna il PCB del processo selezionato Aggiorna le strutture di gestione della memoria Rispistina il contesto del processore relativo al processo selezionato 32

33 Context Switch 33

34 I Thread

35 Thread La necessità di ottimizzare al meglio il tempo di esecuzione di un processo o il suo tempo di risposta ha portato all introduzione della nozione di thread I thread sono delle sotto attività di un processo che godono della proprietà di poter essere eseguite tutte in parallelo 35

36 Thread: il modello (1) 36

37 Thread: il modello (2) 37

38 Thread: il modello (3) 38

39 Thread: Uso (1) Un word processor con tre thread 39

40 Thread: Uso (2) Un Web server multithreaded 40

41 Thread: Uso (3) Codice ad alto livello dell esempio precedente (a) Dispatcher thread (b) Worker thread 41

42 Thread nello Spazio Utente 42

43 Thread a livello Kernel 43

44 Thread Utente vs Kernel User Thread Lo switching tra thread è molto più veloce, si risparmia una chiamata al kernel Kernel Thread Quando un thread si blocca (ad esempio per compiere I/O), l intero processo può continuare la sua esecuzione, nel caso di gestione a livello utente NO! 44

45 Implementazioni ibride 45

46 Thread: alcuni problemi (1) Conflitti su variabili condivise (globali) 46

47 Thread: alcuni problemi (2) File condivisi: può accadere che un thread chiuda un file mentre un altro thread lo sta leggendo Nel processo di fork, il processo figlio eredita tutti i thread del padre? Gestione degli interrupt, più thread appartenenti allo stesso processo possono essere in attesa dello stesso tipo di evento 47

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