CAPITOLO 11 GESTIONE DEI PROCESSI

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1 CAPITOLO 11 GESTIONE DEI PROCESSI THREAD, SMP, MICROKERNEL In questo capitolo si affrontano tre nuovi concetti dei Sistemi Operativi Moderni: sono il concetto di thread, di Simmetric Multiprocessing e di Microkernel. PROCESSO Un Processo = TASK E' un elemento che possiede delle risorse: - possiede uno spazio di indirizzamento virtuale contenente l immagine (cioè i Dati utente, il Programma utente, lo Stack di memoria, il Process Control Block). - può chiedere: - ulteriore memoria; - il controllo di canali di I/O; - il controllo di dispositivi; - files. E' un elemento che consente: - accesso protetto: - ai processori; - agli altri processi; - ai files; - alle risorse di I/O. THREAD Un thread è: - un elemento che non ha risorse, ma ha la possibilità di usare un processore e la memoria principale. L accesso alla memoria principale è consentita automaticamente dall hardware. - una traccia in esecuzione In uno o più programmi, potendo l esecuzione essere alternata; Un thread ha: - un suo stato che può essere (running, ready, blocked); - una priorità; - deve essere schedulato; - ha un contesto da salvare quando non è in esecuzione; - uno stack di esecuzione con uno spazio di memoria per lo stack; - accesso alla memoria condivisa del processo di cui fa parte. Un Processo o Task è un elemento che possiede delle risorse, ha uno spazio di indirizzamento in memoria virtuale, che contiene i dati dell utente, il programma utente, lo stack di memoria e il Process Control Block. Può chiedere ulteriore memoria, il controllo dei canali di I/O, il controllo dei dispositivi e i files. Il processo è un elemento di protezione e pertanto consente l accesso protetto, ai processori, agli altri processi, ai files e alle risorse di I/O. Un Thread è un elemento senza risorse, ha unicamente la possibilità di accedere alla memoria principale perché ciò è permesso dall hardware, infatti dell indirizzamento alla memoria principale non se ne occupa il sistema operativo ma esclusivamente l hardware. SISTEMI OPERATIVI E THREAD Nella slide, un thread è rappresentato come onda verticale che indica che nel suo avanzamento il thread passa da un istruzione alla successiva del programma coinvolgendo alternativamente memoria principale e processore. Nei quattro quadranti della slide sono rappresentati quattro tipi di sistemi operativi. Nel primo, ogni processo corrisponde ad un unico thread, è il caso del sistema operativo MS/DOS; Nel secondo si vedono più processi che avanzano contemporaneamente ciascuno consistente di un singolo thread, è il caso di UNIX; Nel terzo, ci sono più thread all interno di un singolo processo, è il caso del motore Runtime Java. Infine, c è un sistema con più processi consistenti di più thread che avanzano contemporaneamente nello stesso sistema: è il caso di Solaris, OS2, Windows NT e MACH. 1

2 MODELLI A THREAD SINGOLI E MULTIPLI La maniera in cui le immagini di processo si presentano nei modelli basati su processi senza thread (cioè a singolo processo) e quelli basati su processi multithread è rappresentato in questa slide. Invero nei vecchi sistemi operativi non si parlava di thread ed era sufficiente avere un PCB, uno spazio di indirizzamento utente e i due stack, di utente e di kernel. Nei moderni Sistemi operativi, invece, con l introduzione del thread, un processo oltre ad avere un PCB ed uno spazio di indirizzamento utente, per ogni thread ha un TCB (Thread Control Block), e due stack,uno kernel ed uno utente. VANTAGGI DEI THREAD RISPETTO AI PROCESSI Nei thread si ha una maggiore rapidità nella: - creazione dei thread, - terminazione dei thread, - cambio tra due thread Unix (senza thread)/mach (con thread)=1/10 ESEMPI E VANTAGGI: Server su rete locale per la gestione di files (per ogni richiesta di file si crea un thread) (si creano e si distruggono molti thread) (se poi il server è multiprocessori molti thread possono essere eseguiti simultaneamente) Macchine monoprocessore e multithread esecuzione facilitata di programmi consistenti di parti logicamente disgiunte. I thread condividono programmi e dati e possono interagire senza il Kernel. Il motivo per cui è stata introdotta l organizzazione a thread è che un thread, proprio per essere una struttura leggera (cioè senza tutte le strutture dati dei files, dei driver, dei dispositivi, delle memorie secondarie ecc ) si crea facilmente come facilmente si termina e facilmente si fa un cambio tra thread. Già da molto tempo è stato stimato che la differenza di velocità tra un sistema MACH che è multithread ed un sistema UNIX multi processo a thread singolo (o privo del concetto di thread) è di uno a dieci. Un buon esempio per spiegare i vantaggi dei sistemi multithread può essere quello di un server per la gestione dei files. Per ogni richiesta da client, il server crea un thread, in questo modo facilmente molti thread possono essere creati e distrutti rapidamente agevolando il servizio nei confronti dei diversi client. Senza contare che, se la macchina è anche multiprocessore, i diversi thread possono andare in running anche contemporaneamente, se invece la macchina è monoprocessore più parti, logicamente distinte, possono avanzare in singoli thread contemporaneamente. Senza contare, infine, che più thread all interno di uno stesso processo possono interagire, scambiandosi dati attraverso l area condivisa, evitando di passare attraverso il kernel con l economia che ne consegue. 4 ESEMPI (di multithread a singolo utente) 1) FOGLIO DI CALCOLO - un thread gestisce il menu e legge l'input utente. - l altro thread esegue i comandi e aggiorna il foglio. Il risultato è una più rapida interazione con l utente 2) ELABORAZIONE ASINCRONA - in un elaboratore di testo, un Thread di scaricare periodicamente (ad esempio ogni 2 minuti) il testo su disco ogni minuto, ciò evita le perdite di dati in caso di caduta di tensione. 3) LETTURA E CALCOLO - Un thread calcola parte dei dati, un altro legge i nuovi dati aumento della velocità di calcolo 4) PROGRAMMI DI ORGANIZZAZIONE - (Gestione memoria, Scheduling) In questa Slide sono riportati quattro esempi d uso di thread con i commenti sui miglioramenti ottenuti. Nel primo caso ci si può riferire all applicativo Excel del pacchetto Office ed è evidenziato che due differenti thread possono essere rispettivamente usati. Il primo per gestire i menu e leggere l input dell utente, il secondo thread può occuparsi di eseguire i comandi e aggiornare il foglio. E evidente che il risultato è una più rapida esecuzione ed interazione con l utente. Nel secondo esempio è, invece, riportato un caso di thread periodico che salva di tanto in tanto i dati ad esempio scritti su un foglio word. Ovviamente l operatore viene salvato dal rischio di perdere il lavoro per caduta di tensione. Nel terzo caso si ha un accelerazione dell esecuzione. Ed infine viene sottolineato che la soluzione è ideale per l esecuzione di tutte quelle attività del sistema che vanno dalla schedulazione alla gestione di memorie e files. 2

3 AZIONI CHE INFLUISCONO SU TUTTI I THREAD La sospensione di un processo richiede che tutti i thread siano sospesi contemporaneamente perché si deve liberare spazio in memoria e tutti i thread utilizzano lo stesso spazio di memoria condivisa. La terminazione di un processo richiede che tutti i thread devono essere terminati. Ci sono delle azioni che influiscono su tutti i thread, esse sono la sospensione di un processo e la terminazione di un processo. FUNZIONALITÀ DEI THREAD Stato dei Thread READY RUNNING BLOCKED (NON ESISTE LO STATO SUSPENDED) Gli stati di un thread sono: Ready, Running e Blocked. Non c è uno stato sospeso perché si suppone che i thread sono attivi con il processo caricato in memoria centrale, e tutti i thread sono in memoria centrale. FUNZIONALITÀ DEI THREAD OPERAZIONI BASE DEI THREAD: Creazione (TCB stack): creazione di un processo creazione di un thread tutti i disc. Blocco: il contesto (PC, registri) viene salvato, modifica stato(running blocked) del TCB (Thread Control Block) viene salvato lo stack pointer,.. Sblocco: lo stato del TCB viene modificato (Blocked Ready) il thread viene accodato a quelli in attesa di processore. Terminazione: deallocazione del contesto registri (quindi del TCB) deallocazione stack Questa slide descrive le operazioni di base dei thread. Esse sono la creazione, il blocco, lo sblocco e la terminazione. VANTAGGI dei THREAD (macchina monoprocessore) Esempio MULTITHREAD su monoprocessore In questa slide è presentato un programma che esegue due chiamate remote a distinti host e se lo stesso è strutturato in un singolo thread, per lanciare la seconda RPC, è necessario che sia completata la prima. Invece, se il processo è strutturato in due thread, la seconda RPC può essere avviata senza attendere che la prima sia stata soddisfatta e il processo resterà in attesa di entrambe le risposte. E evidente che essendo gli host distinti le due chiamate invece di essere eseguite in serie vengono eseguite in parallelo. In questa slide sono rappresentati due processi che avanzano su una macchina monoprocessore. Il primo processo consiste di due thread, il primo Thread A va in running, ma ad un certo punto fa una richiesta di I/O e quindi si porta in stato blocked. Può allora andare in running il Thread B del primo processo e quando questo passerà in stato di ready potrà continuare il Thread A. Poi quando il Thread A passerà in ready andrà in running il Thread C del processo 2 che sarà stato intanto creato come mostra la slide. 3

4 SINCRONIZZAZIONE dei THREAD Un problema è che i thread di uno stesso processo accedono alla stessa area condivisa. Per esempio può accadere che se ognuno usa un proprio puntatore per aggiungere un elemento ad una lista, se l accesso non è ben disciplinato e uno tenta di accedere prima che l altro abbia finito si possono generare perdite di dati e quindi mal formazione della lista. I problemi di sincronizzazione tra threads sono gli stessi di quelli tra processi e verranno visti inseguito. Esempio di Multithread: OS2 Aldus Page Maker: 3 thread sempre attivi: schermo, eventi, servizio 4 su richiesta specifica: stampa, inizializzazione, import, autoflow. Poiché i thread di uno stesso processo condividono la stessa area di memoria, nascono problemi di sincronizzazione, infatti, può accadere ad esempio che nell accesso ad una stessa lista se l accesso non viene disciplinato rigorosamente, il secondo processo tenta di accedere, per esempio, per inserire nella lista un nuovo elemento, ma il primo non avendo terminato non lo consente e dei dati vengono persi con conseguente mal formazione della lista. CATEGORIE di THREAD ULT (User Level Thread) KLT (KERNEL Level Thread) Ci sono due categorie di implementazione di thread. I thread di livello utente e quelli di livello sistema, detti anche kernel. Ovviamente tutte le azioni che corrispondono direttamente a istruzioni di programma utente si traducono in thread utente, quelli di sistema che servono per far eseguire i thread utente sono detti thread di sistema o anche thread kernel. THREAD a Livello Utente e Kernel La maniera in cui i due diversi tipi di thread si relazionano tra di loro nel sistema, sono riportati in questa slide. In fig a) vediamo che più thread utente possono riferirsi ad uno stesso processo a livello kernel. In fig b) è invece il caso in cui ogni thread utente viene a collegarsi ad un singolo thread kernel e tutti si rifanno poi allo stesso processo kernel. In fig.c) infine si vede che tre thread utente si rifanno all uso di due thread kernel e questi ad un unico processo kernel, mentre un altro thread utente si rifa ad un unico thread kernel che a sua volta appartiene ad un altro processo kernel. Si osservi che nelle fig a) e c) i thread di livello utente sono realizzati attraverso le librerie dei thread a livello utente che mette a disposizione le routine per la loro creazione, invece nella fig. b) non ci sono librerie, perché ogni thread utente si collega direttamente ad un thread kernel. ULT puro (è generalmente eseguito a livello dell applicazione con un insieme di routine (Libreria)) La libreria è usata per: Nell ULT puro fig a) della slide precedente, è la libreria di livello utente che - creare T; permette, attraverso le routine che mette a disposizione, di creare e - scambiare messaggi e dati tra T; distruggere thread, scambiare messaggi e dati, schedulare l esecuzione dei - schedulare T; thread, salvare e ricaricare i contesti. - salvare T; - ricaricare T; - distruggere T. Nell'ULT puro L applicazione inizia con un PROCESSO gestito dal Kernel. Inizialmente è creato un singolo Thread associato al processo. Poi l applicazione, chiamando spawn, crea gli altri Thread. Per ciascun nuovo thread, spawn crea la Struttura Dati relativa. La libreria del livello utente contiene l utilità di creazione dei thread, essa è Spawn. Normalmente un applicazione inizia con un thread associato al processo kernel. L applicazione con una chiamata alla procedura di libreria a Spawn crea un nuovo thread di livello utente dello stesso processo, ovviamente creando 4

5 Un Thread nello stato di Ready passa in Running, potrebbe essere quello che è stato interrotto, ovviamente in questo caso il conteso del Thread che va in Running viene ristabilito (cioè registri utente, program counter, stack pointer vengono ristabiliti). Il Kernel continua a schedulare Processi ignaro dei Thread Esempio Esplicito di ULT - Il Thread T del processo B è in (running) su un processore; - Viene effettuata una chiamata di I/O: - Il Kernel mette B in Blocked; - Attiva un altro processo; -In libreria dei Thread il T continua ad essere in Running ma non ha più un processore su cui è in esecuzione; -Al ripristino di B il thread T riprende; Nota: I processi però possono essere interrotti per "end of slice" o da processi a più alta priorità. tutte le strutture dati, e gli assegna lo stato di ready. Dopo la creazione, un thread che è in ready, per esempio quello che è stato interrotto per la creazione del nuovo thread, va in running ristabilendo il contesto. Il processo di livello kernel è all oscuro di quanto avviene a livello utente e continua a schedulare altri processi. In questa slide è presentato un esempio che spiega come il kernel continua a schedulare processi ignaro dei thread. Si sta supponendo che il thread T del processo B è in running e viene effettuata una chiamata di I/O. Il kernel mette B in blocked, attiva un altro processo e gli assegna il processore. Nella libreria dei thread il thread T rimane nello stato di running ma non ha più un processore. Sarà alla fine della gestione del processo dell I/O che il kernel ristabilendo il processo B dà la possibilità al thread T di riprendere da dove si era interrotto. 5