Sistemi Operativi. Lezione 3 Processi e Thread

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1 Sistemi Operativi Lezione 3 Processi e Thread

2 Introduzione Sino ai sistemi batch, di prima generazione, la CPU di un sistema svolgeva un attività (definita attraverso un programma), 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 Il sistema operativo doveva quindi provvedere a tenere traccia di queste attività garantendone la corretta esecuzione Ciascuna di queste attività è chiamata PROCESSO (JOB) 2

3 Pseudo parallelismo 3

4 Parallelismo 4

5 Le operazioni su un processo Un processo è quindi un attività eseguita sul sistema e come tale avrà un inizio ed una fine Per poter implementare un processo bisogna definire le operazioni di: Creazione Evoluzione Terminazione 5

6 Creazione di un processo Un processo viene creato a seguito di: una richiesta esplicita da parte dell utente; una richiesta esplicita da parte di un processo (vedi fork()) Durante l inizializzazione del sistema Tramite l esecuzione di un apposita routine di sistema 6

7 Terminazione di un processo Le condizioni che determinano la terminazione di un processo sono: Terminazione normale (esecuzione dell istruzione exit) Scadenza del tempo di permanenza nel sistema Memoria non disponibile Violazione delle protezioni Errori durante l esecuzione 7

8 Evoluzione dei processi (1) 8

9 Evoluzione dei processi (2) 9

10 Evoluzione dei Processi (3) 10

11 Evoluzione dei processi 11

12 Processi: aspetti realizzativi

13 Cos è un processo Un processo è un programma in esecuzione e quindi necessita di: Un processore con i suoi registri e componenti Una memoria in cui caricare codice e dati (text, data, stack) 13

14 Due alternative Hardware dedicato per ogni processo I processi condividono lo stesso harware P1 P2 P3 P4 Sistema Operativo P1 P2 P3 P4 Sistema Operativo H1 H2 H3 H4 Hardware 14

15 Soluzione prescelta P1 P2 P3 P4 Sistema Operativo Hardware Quando un processo non necessita più dell hardware (processore + memoria) il SO lo assegna ad un altro processo 15

16 Context Switch 16

17 Strutture Dati Per poter effettuare questa operazione efficacemente, il sistema operativo usa una particolare struttura dati, detta Process Control Block (PCB) All avvio di ogni processo il sistema provvede a costruire il PCB per il nuovo processo Il PCB è deallocato quando il processo termina Esiste un PCB distinto per ogni processo Il PCB è struttura dati del kernel e risiede nella zona di memoria corrispondente 17

18 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 18

19 Process ID I processi sono identificati attraverso un ID, numero intero positivo, assegnato loro dal SO In Unix ogni processo conosce anche l'identificatore del proprio genitore, il processo padre, il processo radice è il processo init Per conoscere il PID di un processo e di quello del padre si può fare ricorso alle funzioni getpid and getppid Esempio #include <stdio.h> #include <unistd.h> int main (void) { printf( I am process %ld\n, (long)getpid()); printf( My parent id is %ld\n, (long)getppid()); 19

20 Process Control Block (2) Lo stato del processore Tutti i registri del processore PC (EIP) Condition codes (EFLAGS) Variabili di stato: flag di interrupt, execution mode Stack pointer: puntatori allo stack associato al processo 20

21 Pentium II EFLAGS Register 21

22 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 22

23 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 23

24 Process Control Block (5) Process Control Information Gestione della Memoria Tabelle delle pagine o dei segmenti Risorse utilizzate File aperti e/o creati 24

25 PCB 25

26 Context Switch 26

27 Context switch (1) La sospensione dell attività in corso in favore di un altra attività Operazione necessaria in tutte le situazione in cui si si vogliono eseguire più attività con un unica risorsa disponibile Abbiamo un context switch ogni volta che un processo utente viene interrotto per consentire l esecuzione di un altro processo utente (process switch) Abbiamo anche un context switch quando un processo utente viene interrotto per favorire l esecuzione del Sistema Operativo 27

28 Context Switch (2) Durante questa operazione i dati significativi del processo in esecuzione devono essere salvati, e sostituiti da quelli necessari per eseguire la nuova attività L operazione di context switch è interrupt driven 28

29 Quando si effettua un context switch Clock interrupt I/O interrupt Memory fault Supervisor call Eccezioni 29

30 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 Ripristina con le informazioni contenute nel nuovo PCB lo stato del processore e le strutture per la gestione della memoria 30

31 Creazione di un processo La system call fork() crea una copia del processo chiamante Al termine dell esecuzione di una fork() da parte di un processo A saranno in esecuzione due processi: il processo A e il processo da lui generato (figlio) Il processo figlio eredita dal padre una copia esatta del codice, stack, file descriptor, heap, variabili globali, e program counter Il figlio riceve un nuovo pid, time, signals, file locks, fork() restituisce -1in caso di errore 0 al processo figlio il PID del figlio al processo padre 31

32 Esempio #include <stdio.h> #include <unistd.h> int main(void) { pid_t x; x = fork(); if (x == 0) printf( In child: fork() returned %ld\n, (long) x); else printf( In parent: fork() returned %ld\n", (long) x); } 32

33 Creazione 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 33

34 Copyright : Nahrstedt, Angrave, Abdelzaher Esempi pid_t childpid = 0;! for (i=1;i<n;i++)!!if (fork()!= 0) break;! pid_t childpid = 0;! for (i=1;i<n;i++)!! if (fork() = 0) break;! 34 34

35 Copyright : Nahrstedt, Angrave, Abdelzaher Esempi pid_t childpid = 0;! for (i=1;i<n;i++)! if (fork()!= 0) break;! pid_t childpid = 0;! for (i=1;i<n;i++)! if (fork() = 0) break;! Parent Parent Child Child Child Child 35 35

36 Terminazione di un processo Normale (volontaria) Al termine della procedura main() exit(0) Per errore (volontaria) exit(2) o abort() Errore imprevisto (involontaria) Divisione per 0, seg fault, exceeded resources Killed (involontaria) Signal: kill(procid) 36

37 Operazioni di terminazione Quando un processo termina: I file aperti vengono chiusi I file Tmp sono cancellati Le risorse dei processi figli sono deallocate File descriptor, memoria, semafori, ecc. Il processo padre viene notificato via signal Lo stato di terminazione (Exit status) è disponibile al genitore attraverso la syscall wait() 37

38 System call: wait(), waitpid() wait() il genitore si sospende in attesa che qualche processo figlio termini wait() il pid e un codice di ritorno sono restituiti al genitore waitpid() il genitore si mette in attesa della terminazione di un determinato figlio errno ECHILD EINTR EINVAL Cause Caller has no unwaited-for children Function was interrupted by signal Options parameter of waitpid was invalid 38 38

39 Esempio #include <errno.h>! #include <sys/wait.h>!! pid_t childpid;!! childpid = wait(null);! if (childpid!= -1)! printf( waited for child with pid %ld\n,!!!!!childpid);! 39

40 I Thread

41 Processi Un processo è auto consistente e possiede tutte le risorse per poter essere eseguito: Ambiente d esecuzione (execution state) (registri) Memoria Risorse del SO (file aperti, socket, semafori, ecc.) Se dovessimo eseguire n-copie dello stesso processo su di un sistema avremo n-processi pressoché identici, tranne che che per l ambito di esecuzione 41

42 Perché non condividere? Non sarebbe più efficiente se questi processi condividessero tutto tranne l execution state? IDEA: separare la nozione di processo da quella di ambito di esecuzione Processo: memoria, risorse, privilegi Execution state: EIP, Stack pointer, registri Execution state è chiamato anche THREAD of CONTROL o THREAD 42

43 Thread Nei sistemi operativi moderni i concetti di thread e processo sono separati: Il thread definisce una particolare sequenza di esecuzione nell ambito di un processo Il processo definisce le risorse usate dal thread Ogni thread è vincolato ad un processo, un processo può avere più thread 43

44 Thread e Processo 44

45 Thread: il modello (1) 45

46 Cosa condividono i thread I thread all interno di un processo condividono: Process ID (PID) Spazio degli indirizzi Codice (istruzioni) Dati non locali Open file descriptors Signals and signal handlers Current working directory User and group id 46

47 Cosa non condividono Thread ID (TID) L insieme dei registri, compresi EIP (Program counter) e Stack pointer Stack per le variabili locali e record di attivazione Maschera signal 47

48 Thread: il modello (2) 48

49 Perché usare i thread Rendono più facile la realizzazione di applicazioni parallele (concorrenti) necessarie per: la gestione di eventi concorrenti l uso efficiente di sistemi multi processing L overlapping di I/O con computazione Migliorano la struttura del programma 49

50 Operazioni sui Thread Tre sistemi (librerie) principali Win32 threads C-Threads POSIX Pthreads Operazioni comuni Create Exit Suspend Resume Sleep Wake Join (invece di wait()) Le operazioni sui thread sono di solito molto più veloci che le corrispondenti operazioni sui processi 50

51 Thread in User Space 51

52 Thread Modello #1 User-level threads Implementati attraverso librerie a user-level Creazione, scheduling, sincronizzazione thread OS ignora la presenza dei thread OS vede solo i processi con un singolo thread Vantaggi Non è richiesto alcun supporto da parte del SO à portabilità Possono essere predisposte politiche di scheduling adeguate all applicazione Le operazioni su thread sono efficienti perché non richiedono l esecuzione di syscall Svantaggi Non può sfruttare sistemi multiprocessore L intero processo si blocca quando si blocca un solo thread 52

53 Thread a livello Kernel 53

54 Thread Modello #2 Kernel-level threads: SO associa ad ogni thread a livello user un kernel thread Ogni kernel thread viene schedulato indipendentemente Tutte le operazioni sui thread sono eseguite dal SO operations (creazione, scheduling, sincronizzazione) Vantaggi Ogni kernel-level thread può essere eseguito in parallelo su un sistema multiprocessore Quando un thread si blocca, altri thread appartenenti allo stesso processo possono essere eseguiti Svantaggi Operazioni sui thread più costose in termini di tempo Il SO must scale well con un numero crescente di thread 54

55 Hybrid Implementations 55

56 Thread Modello #3 Modello ibrido basato su Kernel e user-level threads L applicazione crea m threads Il SO fornisce un pool di n kernel thread Ad un kernel thread sono solitamente associati più user-level thread Vantaggi Strategia per ottenere il meglio dalle implemenentazioni user-level e kernel-level Funziona bene con molti user threads di breve durata, suddivisi in gruppi di dimensione costante Svantaggi Complicato Selezione del mapping tra le due tipologie di thread Determinazione del numero ottimale di kernel thread Definito dall utente Il SO aggiusta in numero dinamicamente in funzione del carico 56

57 Interprocess Communication (IPC) Per poter cooperare fattivamente, thread e/o processi devono poter comunicare tra loro Esistono tre meccanismi principali per lo svolgimento di questa attività Shared Memory Message Passing Signals 57

58 IPC: Shared Memory Processi Ogni processo dispone di una spazio privato di indirizzamento Per poter comunicare deve esplicitamente predisporre un segmento di memoria condivisa Thread Condividono per costruzione lo spazio di memoria del processo Vantaggi La condivisione di memoria è facile e veloce Svantaggi Gli accessi ai dati condivisi devono essere opportunamente sincronizzati per evitare errori 58

59 IPC: Message Passing Usato principalmente tra processi I dati sono trasmessi esplicitamente da un processo sender (src) a un processo receiver (destination) Esempio: Unix pipes Vantaggi: La condivisione dei dati è esplicita -> più facile individuare i legami trai vari moduli Non è necessario un rapporto di fiducia tra sender e receiver Svantaggi: Performance overhead per la copia dei messaggi Problematiche: Come identificare mittente e destinatario? Processo, insieme di processes, o mailbox (port) Il processo mittente deve bloccarsi in attesa del destinatario? Blocking: rallenta il mittente Non-blocking: richiede buffering nei due processi 59

60 IPC: Signal Signal Interrupt Software che notifica il verificarsi di un evento ad un processo Esempi: SIGFPE, SIGKILL, SIGUSR1, SIGSTOP, SIGCONT Quando un processo riceve una signal può svolgere una delle seguenti azioni: Catch: specificare la routine (signal handler) per la sua gestione Ignore: basarsi su azioni standard previste dal SO Abort, memory dump, suspensione Mask: bloccare il segnale affinchè non sia consegnato Svantaggi Non possono essere comunicati dati Sono a livello processo, quindi difficili da gestire con i thread 60

61 Thread e Signal Problema: in un sistema multi threaded a quale thread di un processo il SO consegna la signal? Opzione 1: il sender specifica il thread id del destinatario Il Sender può non conoscere i thread che compongono un processo Opzione 2: il SO sceglie il thread di destinazione POSIX: ogni thread ha una signal mask (serve per disabilitare specifici signal) Il SO consegna un signal a tutti i thread che non lo hanno disabilitato 61