ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διεργασίες και Νήματα Υλικό από: Tanenbaum, Modern Operating Systems,Structured Computer Organization Stallings, Operating Systems: Internals and Design Principles. Silberschatz, Galvin and Gange, Operating Systems Concepts. Deitel, Deitel and Choffnes, Operating Systems Λειτουργικά Συστήματα, Γ.Α. Παπαδόπουλος, Πανεπιστήμιο Κύπρου Λειτουργικά Συστήματα, Κ. Διαμαντάρας, ΤΕΙΘ Systems Programming in C, A.D. Marshal, University of Cardiff Σύνθεση Κ.Γ. Μαργαρίτης, Τμήμα Εφαρμοσμένης Πληροφορικής, Πανεπιστήμιο Μακεδονίας Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διεργασίες και Νήματα Διεργασίες Κλήσεις συστήματος και εντολές γραμμής Νήματα Κλήσεις συστήματος και APIs Μοντέλο διεργασίας (1) Μια διεργασία είναι ένα πρόγραμμα (στιγμιότυπο) που εκτελείται σε κάποια δεδομένα. Μια διεργασία για να εκτελεστεί απαιτεί συγκεκριμένους πόρους, όπως CPU, μνήμη, αρχεία, συσκευές Ε/Ε. Οι περισσότερες απαιτήσεις που πρέπει να αντιμετωπίσει το λ.σ. εκφράζονται με αναφορά στις διεργασίες: εκχώρηση CPU, εκχώρηση μνήμης, Ε/Ε – για κάποια διεργασία. Ο χρήστης αποτελεί -μέσω του φλοιού- μια διεργασία. Το λ.σ. είναι υπεύθυνο για: δημιουργία και τερματισμό, εκτέλεση, αναστολή και επανεκτέλεση, δρομολόγηση, συγχρονισμό, επικοινωνία διεργασιών, επίλυση προβλημάτων ανταγωνισμού και αδιεξόδων Ο πολυπρογραμματισμός και ο χρονομερισμός βασίζονται στις διεργασίες. Μέσω της έννοιας και των χαρακτηριστικών της διεργασίας αποκρύπτουμε όλες τις δυσκολίες της διαχείρισης διακοπών. Τα ανώτερα επίπεδα 'βλέπουν' ακολουθιακές διεργασίες που επικοινωνούν και όχι διακοπές. Μοντέλο διεργασίας (2) (a) Πολυπρογραμματισμός τεσσάρων προγραμμάτων, αυτό που συμβαίνει σε επίπεδο αρχιτεκτονικής. (b) Λογική αφαίρεση τεσσάρων ανεξαρτήτων ακολουθιακών διεργασιών, αυτό που 'βλέπουν' τα επίπεδα πάνω από το λ.σ. (c) Μόνο ένα πρόγραμμα είναι ενεργό ανά πάσα στιγμή. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Καταστάσεις διεργασίας (1) Διάρκεια ζωής μιας διεργασίας = το χρονικό διάστημα μεταξύ της δημιουργίας και τερματισμού της από το λ.σ. Κατά τη διάρκεια ζωής της κάθε διεργασία μπορεί να βρεθεί σε μια σειρά από διακριτές καταστάσεις, με τρείς βασικότερες: * έτοιμη προς εκτέλεση (ready) * σε εκτέλεση (running) * σε αναστολή (blocked). Μια διεργασία όταν δημιουργείται εισάγεται στη λίστα των έτοιμων διεργασιών. Σταδιακά προωθείται προς την κεφαλή της λίστας και μόλις ο επεξεργαστής γίνει διαθέσιμος η διεργασία ανατίθεται στον επεξεργαστή και η κατάστασή της αλλάζει σε εκτελούμενη. Η διαδικασία της ανάθεσης της πρώτης διεργασίας από τη λίστα των έτοιμων διεργασιών στον επεξεργαστή ονομάζεται διεκπεραίωση και υλοποιείται από τον διεκπεραιωτή (dispatcher), που είναι τμήμα του δρομολογητή (scheduler). Καταστάσεις διεργασίας (2) Η εκτελούμενη διεργασία αναστέλλεται μέσω τριών βασικών κατηγοριών συμβάντων (events). * Με πρωτοβουλία της διεργασίας: Η διεργασία χρειάζεται Ε/Ε ή αλλη λειτουργία που απαιτεί privileged λειτουργία (kernel mode), οπότε καλεί το λ.σ. μέσω κλήσης συστήματος (διακοπή λογισμικού). * Με πρωτοβουλία του λ.σ: (α) Η διεργασία προκαλεί σφάλμα, οπότε προκαλείται παγίδευση (trap) ή προκύπτει διακοπή Ε/Ε ή υλικού που πρέπει να εξυπηρετηθεί. (β) Η διεργασία έχει εξαντλήσει το χρόνο της ή υπάρχει άλλη διεργασία υψηλότερης προτεραιότητας που πρέπει να εκτελεστεί. Και στις δύο περιπτώσεις το Λ.Σ. αναλαμβάνει τον έλεγχο του επεξεργαστή. Η κατάσταση της εκτελούμενης διεργασίας αλλάζει κατάλληλα – είτε σε αναστολή είτε έτοιμη και προωθείται προς εκτέλεση η αμέσως επόμενη διεργασία στη λίστα των έτοιμων. Έτσι επιτυγχάνεται εναλλαγή διεργασιών. Διάγραμμα 5 καταστάσεων Δημιουργία 3 βασικές καταστάσεις Τερματισμός Καταστάσεις και γεγονότα (1) Running : η διεργασία που εκετελείται Ready : είναι έτοιμη για εκτέλεση Blocked : υπό αναστολή, δεν μπορεί να εκτελεστεί μέχρι να προκύψει το κατάλληλο γεγονός New : έχει μόλις δημιουργηθεί από το λ.σ. Exit : έχει απελευθερωθεί από τη δεξαμενή εκτελέσιμων εργασιών από το λ.σ., τερματίζεται Καταστάσεις και γεγονότα (2) Admit : το λ.σ. τοποθετεί τη διεργασία στην ουρά των διεργασιών προς εκτέλεση, δημιουργεί τις αντίστοιχες δομές δεδομένων. Dispatch : το λ.σ. εκχωρεί το σύστημα (CPU κλπ) στη διεργασία για να εκτελεστεί. Timeout : το λ.σ προκαλεί χρονοδιακοπή. Event Waits : η διεργασία απαιτεί υπηρεσία από το λ.σ. που προκαλεί διακοπή. Event Occurs : η υπηρεσία έχει εκτελεστεί και το λ.σ. ενημερώνει τις αντίστοιχες δομές δεδομένων. Release : το λ.σ. τερματίζει τη διεργασία, ακυρώνει τις αντίστοιχες δομές δεδομένων. Δημιουργία διεργασίας Γεγονότα που προκαλούν δημιουργία διεργασίας: • Εκκίνηση συστήματος. • Σύνδεση νέου χρήστη. • Μια εκτελούμενη διεργασία αιτείται τη παροχή μιας υπηρεσίας ή την εκτέλεση μιας εφαρμογής. • Μια εκτελούμενη διεργασία καλεί μια κλήση συστήματος για τη δημιουργία διεργασίας. • Ένας χρήστης ζητά τη δημιουργία νέας διεργασίας (εκτέλεση ενός προγράμματος ή μιας εντολής φλοιού). • Εκκίνηση μιας εργασίας δέσμης / σεναρίου φλοιού ή μιας χρονο-δρομολογημένης εργασίας. Πρέπει να ικανοποιούνται περιορισμοί του συστήματος, πχ αριθμός ενεργών διεργασιών, χώρος στη μνήμη, δικαιώματα δημιουργού κλπ. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Τερματισμός διεργασίας Γεγονότα που προκαλούν τερματισμό διεργασίας: • Κανονική έξοδος (τερματισμός). • Εσφαλμένη έξοδος (επιστροφή κωδικου σφάλματος) • Μοιραίο σφάλμα (Fatal error κατά την εκτέλεση) πχ μη έγκυρη εντολή, προνομιούχος εντολή, αριθμητικά σφάλματα, σφάλαματα υπερχείλισης, υπέρβαση ορίων μνήμης, σφάλματα Ε/Ε, σφάλματα προστασίας, πέρας διαθέσιμου χρόνου • Εξαναγκασμός σε τερματισμό από άλλη διεργασία (Αποστολή σήματος – δια-διεργασιακή επικοινωνία, Kill). • Εξαναγκασμός σε τερματισμό από το χρήστη. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Εναλλαγή διεργασίας Γεγονότα που προκαλούν εναλλαγή (αναστολή εκτέλεσης και εισαγωγή άλλης) διεργασίας: Χρονοδιακοπή / Δρομολόγηση Η διεργασία έχει εξαντλήσει το μέγιστο επιτρεπόμενο χρονικό όριο ή γενικότερα η διεργασία προ-εκτοπίζεται (pre-empted) από το λ.σ., πχ υπάρχει άλλη διεργασία με μεγαλύτερη προτεραιότητα Εσωτερική διακοπή (trap) Προγραμματιστικά σφάλματα που προκαλούν παγίδευση Ε/Ε ή Hardware Interrupt Έχει συμβεί διακοπή (Ε/Ε ή άλλου υλικού) Κλήση συστήματος π.χ. άνοιγμα αρχείου, δημιουργία διεργασίας παιδιού (fork), διαδιεργασιακή επικοινωνία (wait, kill) Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (1) Terminated New Admitted Exit Scheduler Dispatch Ready Running Interrupt I/O Wait Ι/Ο Completion Waiting Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (2) Done New calculate calculate Fibonacci Fibonacci numbers numbers Ready Running Waiting CPU util. vs. time Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (3) Done New Ready Running Waiting CPU util. vs. time Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (4) Done New Ready Running Waiting CPU util. vs. time getline() getline() stops stops to to read read from from input! input! Process Process sleeps sleeps waiting waiting for for an an input input Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (5) Done New Ready user user types types some some input: input: interrupt! interrupt! CPU util. vs. time Running Waiting Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (6) Done New Ready Running Waiting CPU util. vs. time Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (7) Done New Ready Running Running Running fib(57)... fib(57)... Waiting CPU util. vs. time ... Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (8) Done New Ready Running Running Running fib(57)... fib(57)... Waiting CPU util. vs. time ... ... takes takes aa long long time time Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (9) Done New Ready Running Clock Clock Interrupt! Interrupt! Waiting CPU util. vs. time Scheduler Scheduler reconsiders reconsiders which which process process to to run run Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (10) Done New Ready Running Clock Clock Interrupt! Interrupt! Waiting CPU util. vs. time Scheduler Scheduler reconsiders reconsiders which which process process to to run run Process Process isis dispatced dispatced again again Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (11) Done New Ready Running Waiting CPU util. vs. time eventually eventually fib() fib() finishes, finishes, printf printf sends sends output output Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (12) Done New Ready Running I/O I/O finishes finishes Waiting CPU util. vs. time Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (13) Done New Ready Running Waiting CPU util. vs. time Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (14) Done New Ready Running Waiting CPU util. vs. time and and the the program program finishes finishes Καταστάσεις διεργασιών – παράδειγμα (15) Done New Ready Running Waiting CPU util. vs. time Διάγραμμα 6 καταστάσεων (1) Συνήθως οι λειτουργίες Ε/Ε είναι πολύ πιο αργές από τη λειτουργία της CPU. Το λ.σ. μπορεί να διαχωρίζει τις λειτουργίες Ε/Ε σε 'αργά' και 'γρήγορα' ή σε περισσότερες κατηγορίες ανά τύπο γεγονότος και να δημιουργεί δυο διαφορετικές καταστάσεις αναστολής, blocked και suspended. Η διαφορά τους έγκειται στο οτι όταν μια διεργασία θεωρείται suspended τότε ο χώρος διευθύνσεών της μεταφέρεται στη δευτερεύουσα μνήμη, στη περιοχή εναλλαγής. Έτσι ελευθερώνεται χώρος στη κύρια μνήμη είτε για τη μεταφορά άλλων διεργασιών από τη δευτερεύουσα μνήμη, είτε για τη δημιουργία νέων διεργασιών. Το γεγονός suspend αντιστοιχεί στην απόφαση του λ.σ. να μεταφέρει τη διεργασία στη δευτερεύουσα μνήμη λόγω έλλειψης χώρου. Το γεγονός activate αντιστοιχεί στο event occurs. Διάγραμμα 6 καταστάσεων (2) Διάγραμμα 7 καταστάσεων (1) Γενικεύοντας τη χρήση της ιδεατής μνήμης μπορούμε να παρατηρήσουμε οτι σε περίπτωση πολύ μεγάλου αριθμού διεργασιών ή περιορισμένης κύριας μνήμης το πρόβλημα ανεπάρκειας της κύριας μνήμης μπορεί να εμφανιστεί και σε άλλες καταστάσεις, όπως κατά τη δημιουργία, ή όταν η διεργασία έιναι μεν έτοιμη αλλά δεν υπάρχει επαρκής χώρος στη κύρια μνήμη. Έτσι καταλήγουμε στο διάγραμμα 7 καταστάσεων. Οι καταστάσεις ready/suspended και blocked/suspended αντιστοιχούν στις ready και blocked αλλά στη δευετερεύουσα μνήμη. Τα γεγονότα suspend και activate αντιστοχεί στη μεταφορά από τη κύρια μνμήμη στη δευτερεύουσα και αντίστροφα. Οι διακεκομμένες γραμμές σημειώνουν οτι η συνήθης διαδρομή μιας διεργασίας είναι μέσω της δευτερεύουσας μνήμης. Διάγραμμα 7 καταστάσεων (2) Διάγραμμα 10 καταστάσεων (1) (α) Προσθέτουμε στο διάγραμμα 7 καταστάσεων τη κατάσταση εκτέλεσης του πυρήνα (kernel running) (β) Η κατάσταση running έχει αντικατασταθεί από δύο καταστάσεις, προ-εκτόπισης (preempted) και εκτέλεσης (user running) που δείχνουν αναλυτικότερα τις πιθανές αλληλεπιδράσεις μεταξύ πυρήνα και διεργασίας χρήστη. Όταν εκτελείται ο πυρήνας μπορεί * να καλέσει άλλο τμήμα του λ.σ. (πχ λόγω νέας διακοπής) * να επιστρέψει στην διεργασία που τον κάλεσε (μέσω system call) * να επιλέξει μια άλλη διεργασία προς εκτέλεση και να βάλει τη τρέχουσα διεργασία σε αναστολή (ready ή suspended/swaped), δηλαδή να την εκτοπίσει πριν τελειώσει την εκτέλεσή της (προ-εκτόπιση). * να προ-εκτοπίσει την διεργασία αλλά να την ξαναεπιλέξει προς εκτέλεση. Ο χαρακτηρισμός zombie αναφέρεται σε διεργασίες που έχουν τερματιστεί αλλά δεν έχουν διαγραφεί από το λ.σ. Διάγραμμα 10 καταστάσεων (2) New Terminated Swap in Υλοποίηση διεργασιών Μια διεργασία υλοποιείται από το λ.σ. με δύο βασικές δομές. Το Xώρο Διευθύνσεων και το Process Control Block Κάθε διεργασία έχει το δικό της χώρο διευθύνσεων, που αποτελείται από : Την περιοχή κώδικα (text region) Την περιοχή δεδομένων (data region), όπου αποθηκεύονται (α) οι καθολικές μεταβλητές και (β) η δυναμικά παραχωρούμενη μνήμη (heap). Την περιοχή στοίβας (stack region), όπου αποθηκεύονται οι παράμετροι, οι τοπικές μεταβλητές και οι πληροφορίες κλήσης για τις ενεργές κλήσεις διαδικασιών. Την περιοχή σωρού (heap region), για δυναμική δέσμευση και αποδέσμευση μνήμης, μέσω κλήσεων συστήματος (malloc(), free()). Επιπλέον κάθε διεργασία έχει πρόσβαση σε κοινόχρηστες περιοχές μνήμης (πχ κοινόχρηστες βιβλιοθήκες). Χώρος διευθύνσεων διεργασίας (1) 0xFFFFFFFF stack (modified during execution) SP heap (dynamically allocated) Virtual address space ` static data LV 0x00000000 program code (text) PC Ο χώρος διευθύνσεων ή χώρος εργασίας ή εικόνα μνήμης (memory image) μιας διεργασίας περιλαμβάνει -κατ' ελάχιστο: το πρόγραμμα (text), τα δεδομένα (data), τη στοίβα (stack), και το σωρό (heap). Ακόμη έχουμε τη κοινόχρηστη μνήμη (global data, system calls, shared libraries) – τα οποία δεν φαίνονται στο σχήμα. Χώρος διευθύνσεων διεργασίας (2) Process Memory Images Memory Tables Memory Devices Files Processes I/O Tables Process 1 File Tables Process Table Process 1 Process 2 .. Process N Process N ------------- Kernel space ----------------- | ----- User space ---------Κάθε διεργασία εκτελείται μόνο στο δικό της χώρο διευθύνσεων. Υλοποίηση διεργασιών (2) Για να υλοποιηθεί το μοντέλο κατάστασης διεργασιών, το λ.σ. οικοδομεί έναν πίνακα διεργασιών (process table), ο οποίος περιλαμβάνει μια καταχώρηση μπλόκ ελέγχου διεργασίας (process control block) ή περιγραφέας διεργασίας (process descriptor) για κάθε διεργασία. Στην καταχώρηση αυτή εγγράφονται πληροφορίες σχετικές με την κατάσταση και μαζί με το χώρο διευθύνσεων (address space) και το πλαίσιο επεξεργαστή (CPU context) αποτελούν την εικόνα της διεργασίας (process image) ώστε να συνεχίσει να εκτελείται μετά από κάθε αναστολή εκτέλεσης. Η δημιουργία μιας διεργασίας έχει επομένως μια αρχική επιβάρυνση (overhead) που μειώνει την απόδοση του συστήματος. Η επιβάρυνση αυτή διαφέρει ανάλογα με το σύστημα, μερικές φορές υπάρχει και υποστήριξη υλικού. Πίνακας διεργασιών και Process Control Block (PCB) Πληροφορίες PCB Εναλλαγή διεργασιών - παράδειγμα (1) Η υλοποίηση του μοντέλου διεργασιών (μοντέλο καταστάσεις) βασίζεται στη διαρκή εναλλαγή διεργασιών στη CPU. Kάθε εναλλαγή εμπλέκει το λ.σ. και κυρίως το Βραχυπρόθεσημο Δρομολογητή (Dispatcher). Εναλλαγή διεργασιών - παράδειγμα (2) OS Kernel Εναλλαγή διεργασιών - παράδειγμα (3) Process A OS OS Process A Event Process B OS OS Process C Process A Εναλλαγή Παραδειγμα διεργασιών - παράδειγμα (4) (4) Θεματική εναλλαγή (Context switch) (1) Η διαδικασία αλλαγής πλαισίου λειτουργίας της CPU (context), όταν εναλλάσσεται διεργασία προς εκτέλεση. Απαιτείται ενημέρωση όλων των σχετικών δομών δεδομένων που διατηρεί το λ.σ. Ο χρόνος που απαιτείται για τη θεματική εναλλαγή αποτελεί σημαντική επιβάρυνση για τη λειτουργία του συστήματος, αφού κατά τη διάρκειά της δεν γίνεται χρήσιμο έργο. Ο χρόνος αυτός προστίθεται σε κάθε εναλλαγή διεργασίας. Για τη μείωση του χρόνου θεματικής εναλλαγής μπορεί να χρησιμοποιούμε υποστήριξη υλικού (δες και νήματα). Ουσιαστικά πρόκειται για υψηλού επιπέδου περιγραφή της εξυπηρέτησης διακοπής, με δεδομένη την εκτέλεση πολλών προγραμμάτων, όχι μόνο ενός προγράμματος και της ρουτίνας διακοπής. table P0 P1 Θεματική εναλλαγή (2) Θεματική εναλλαγή (3) Θεματική εναλλαγή (4) Εκτελούμενη (running) → άλλη κατάσταση Αποθήκευση του πλαισίου επεξεργαστή (CPU context) που περιλαμβάνει τον PC και άλλους καταχωρητές (στο PCB) Μετακίνηση του PCB στην αντίστοιχη ουρά (ready, blocked, …) Επιλογή μιας άλλης διεργασίας προς εκτέλεση Ενημέρωση του PCB της διεργασίας που έχει επιλεγεί Ενημέρωση των δομών δεδομένων της διαχείρισης μνήμης Φόρτωση πλαισίου (στον επεξεργαστή) της διεργασίας που έχει επιλεγεί Θεματική εναλλαγή (5) Σκελετός των ενεργειών του χαμηλοτέρου επιπέδου του λειτουργικού συστήματος κατά την εξυπηρέτηση διακοπής με θεματική εναλλαγή. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Ουρές διεργασιών (1) Το λ.σ. για να υλοποιήσει τις αλλαγές καταστάσεων διατηρεί έναν αριθμό ουρών κάθε μια από τις οποίες είναι μια λίστα διεργασιών που αναμένουν για κάποιον πόρο. • Βραχυπρόθεσμη ουρά (Ready queue): διεργασίες που βρίσκονται στην κύρια μνήμη και είναι έτοιμες να εκτελεσθούν (CPU scheduler και Dispacher) • Ουρές για συσκευές Ε/Ε (I/O devices queues): όλες οι διεργασίες που είναι υπο αναστολή και περιμένουν να χρησιμοποιήσουν μια συσκευή δημιουργούν την ουρά της συγκεκριμένης συσκευής • Μεσοπρόθεσμη ουρά (Midium-term queue): λίστα από διεργασίες που είναι υπό αναστολή αλλά λόγω έλλειψης μνήμης έχουν μεταφερθεί στη δευτερεύουσα μνήμη (καταστάσεις Suspended) • Μακροπρόθεσμη ουρά (Long-term ή job queue): λίστα από νέες διεργασίες που περιμένουν να χρησιμοποιήσουν τον επεξεργαστή (για Batch jobs) Οι αλλαγές καταστάσεων υλοποιούνται με μετακίνηση μεταξύ των ουρών. Ουρές διεργασιών (2) Ουρές διεργασιών (3) Σχέση PCB και ουρών διεργασιών. Ουσιαστικά οι ουρές αποτελούνται από δείκτες πρός PCB's, δηλαδή δείκτες σε γραμμές του Process Table του λ.σ. Ιεραρχία διεργασιών (1) Προσοχή: Το μόνο κοινό με τη δενδρική δομή καταλόγων είναι η ιεραρχική δομή! Ένα δένδρο διεργασιών. Η διεργασία A δημιούργησε δύο διεργασίες, τις B και C. Η διεργασία B δημιούργησε τρείς διεργασίες τις D, E και F. Βασικοί 'δημιουργοί' διεργασιών: • το λ.σ. κατά την εκκίνηση • ο χρήστης μέσω του φλοιού (ή του GUI) με την εκτέλεση εφαρμογών. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Ιεραρχία διεργασιών (2) Η διεργασία-γονέας (parent process) δημιουργεί διεργασίες-παιδιά (child process), και αυτές με τη σειρά τους δημιουργούν δικές τους διεργασίες. Εκτέλεση Κάθε διεργασία λαμβάνει από το λ.σ. το δικό της Process ID (PID). Γονέας και παιδί εκτελούνται 'ταυτόχρονα', μέσω δρομολόγησης του λ.σ. Ο γονέας μπορεί να περιμένει τον τερματισμό του παιδιού ή όχι. Κληρονόμηση περιβάλλοντος εκτέλεσης Η διεργασία-παιδί κληρονομεί από τη διεργασία- γονέα το περιβάλλον εκτέλεσης, όπως πχ τον ιδιοκτήτη, τις άδειες και δικαιώματα πρόσβασης. Οι διεργασίες που δημιουργεί ένας χρήστης, κληρονομούν τα δικαιώματα του χρήστη. Χώρος διευθύνσεων Το παιδί αντιγράφει το χώρο διευθύνσεων του γονέα. Στη συνέχεια το παιδί φορτώνει δικό του πρόγραμμα,με βάση τις οδηγίες που λαμβάνει κατά τη δημιουργία του από τη διεργασία-γονέα. Υπηρεσίες και δαίμονες Διεργασίες του λ.σ.: Πρόκειται για τις διεργασίες που δημιουργούνται κατά την διαδικασία εκκίνησης του συστήματος (boot, strartup). Συνήθως ονομάζονται και υπηρεσίες ή/και δαίμονες. Υπηρεσίες (services) λέγονται διεργασίες του λ.σ. που βρίσκονται σε αναστολή και ενεργοποιοούνται όταν απαιτηθεί κάποια ενέργεια, μέσω μιας κλήσης συστήματος ή μέσω κλήσης του πυρήνα. Από τον όρο υπηρεσία προέρχεται και ο όρος Server = Πάροχος υπηρεσίας (Διακομιστής): ένα σύστημα που παρέχει υπηρεσία. Δαίμονες (daemons) λέγονται οι διεργασίες του λ.σ. που βρίσκονται μόνιμα στη κύρια μνήμη μαζί με το πυρήνα και εκτελούνται στο παρασκήνιο σε κατά τακτά χρονικά διαστήματα (ορολογία Unix: στα Windows όλες λέγονται υπηρεσίες). Γενικά οι δαίμονες δεν καλούνται άμεσα από τις εφαρμογές αλλά εκτελούν προκαθορισμένες υπηρεσίες. Πχ sync (συγχρονισμός περιεχομένου καταλόγων) ή cron (εκτέλεση προγραμματισμένων λειτουργιών του συστήματος). Διεργασίες εφαρμογών Διεργασίες εφαρμογών: Ο χρήστης που συνδέεται στο σύστημα αποτελεί μια βασική διεργασία εφαρμογής. Το λ.σ. κατά την σύνδεση του χρήστη ξεκινά ένα σύνολο από διεργασίες που επιτρέπουν την επικοινωνία του χρήστη με το σύστημα (φλοιός, επιφάνεια εργασίας, διαχειρστής αρχείων, ροές εισόδου, εξόδου κλπ). Η ιδιοκτησία αυτών των διεργασιών περνά στο χρήστη. Επιπλέον, ο χρήστης μπορεί μέσω ειδικών εφαρμογών (startup manager) ή ειδικών αρχείων ρυθμίσεων ή με επιλογή κατά την εγκατάσταση μια εφαρμογής, να εκκινεί έναν αριθμό διεργασιών εφαρμογών κατά τη σύνδεσή του με το σύστημα, πέρα από αυτές που εκκινεί το λ.σ. Το σύνολο των διεργασιών λ.σ. και διεργασιών εφαρμογών του χρήστη καθορίζουν το περιβάλλον εργασίας του χρήστη. To περιβάλλον εργασίας είναι δυνατό να τροποποιηθεί, ρυθμιστεί, κλπ με τη βοήθεια των μεταβλητών περιβάλλοντος (enviroment variables). Εκκίνηση Unix (1) Ο kernel (PID 0) προσαρτά το σύστημα αρχείων (περιλαμβάνει και Ε/Ε), και τη διαχείριση μνήμης. Μετά ξεκινά τη διεργασία με /sbin/init (PID 1) που είναι υπεύθυνη για τη φόρτωση των υπηρεσιών του λ.σ. Κάθε χρήστης γραμμής εντολών ξεκινά από μια διεργασία getty. Κατά το login (είσοδο) ξεκινά ένας φλοιός και μπορεί να ξεκινήσουν και διεργασίες εφαρμογών του χρήστη. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Εκκίνηση Unix (2) Σενάρια εκκίνησης και αρχεία ρυθμίσεων στο Unix (1) Ο πυρήνας αναζητά το εκτελέσιμο init στο κατάλογο εκτελεσίμων /sbin. Η init διαβάζει τα αρχεία ρυθμίσεων (συνήθως έχουν κατάληξη .conf) από το κατάλογο /etc/init. Υπάρχει η δυνατότητα για 7 διαφορετικές ρυθμίσεις εκκίνησης που λέγονται runlevels (υποκατάλογοι /etc/rc0.d, rc1.d,..., rc6.d). Κάθε runlevel περιέχει συνδέσμους προς τα σενάρια φλοιού (shell scripts) για τον τερματισμό (Kill) ή εκκίνηση (Start) των διαφόρων υπηρεσιών του λ.σ. Τα σενάρια φλοιού των υπηρεσιών βρίσκονται όλα στον κατάλογο /etc/init.d Τα εκτελέσιμα των υπηρεσιών βρίσκονται στο /bin/, /usr/bin, usr/sbin. Στο κατάλογο /etc βρίσκονται όλα τα αρχεία ρυθμίσεων για το σύστημα και τις επιμέρους υπηρεσίες του. Κατά την εγκατάσταση ή τροποποίηση εφαρμογών προστίθενται ανάλογα αρχεία. Η τροποποίηση συνήθως γίνεται μέσω επιλογών των ίδιων των εφαρμογών. Σενάρια εκκίνησης και αρχεία ρυθμίσεων στο Unix (2) Eνδεικτικό runlevel με συνδέσμους σε σενάρια φλοιού για την εκκίνηση υπηρεσιών στο Linux. Όνομα μεταβλητής περιβάλλοντος $ env ... TERM=xterm Τιμή μεταβλητής περιβάλοντος SHELL=/bin/bash ... USER=kmarg ... PATH=/usr/lib/lightdm/lightdm:/usr/local/sbin:/usr/local/bi n:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games PWD=/home/kmarg/Code/c/sysprog LANG=el_GR.UTF8 ... HOME=/home/kmarg LOGNAME=kmarg Μεταβλητές περιβάλλοντος ... OLDPWD=/home/kmarg στο Unix ... $ echo $HOME /home/kmarg Εγκατάσταση εφαρμογών στο Unix 1. Μεταφόρτωση (download) εφαρμογής από το κατάλληλο αποθετήριο (repository) σε μορφή συμπιεσμένης αρχειοθήκης γενικής ή ειδικής μορφής. 2. Εκτέλεση σεναρίου ή εφαρμογής εγκατάστασης: (α) Διερεύνηση των βασικών ρυθμίσεων του συστήματος, όπως τύπος λ.σ. σύστημα αρχείων, μέγεθος μνήμης, , διαθέσιμοι μεταγλωττιστές και βιβλιοθήκες, εξαρτήσεις από άλλες εφαρμογές (dependencies). (β) Δημιουργία (προσωρινού) καταλόγου εφαρμογής και αποσυμπίεση. (γ) (Πιθανή) μεταγλώττιση ή / και σύνδεση με υπάρχουσες βιβλιοθήκες λ.σ. Τελική εγκατάσταση. (δ) Δημιουργία / ενημέρωση αρχείων ρυθμίσεων, βοήθειας, μεταβλητών περιβάλλοντος για το λ.σ. και τους χρήστες. Πχ δημιουργία συντομεύσεων (shortcuts, launchers). Συνήθως έχουμε δύο επίπεδα ρυθμίσεων: συστήματος (στο κατάλογο /etc) και χρήστη (κρυφά αρχεία στο κατάλογο χρήστη, πχ .firefox). ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διεργασίες και Νήματα Διεργασίες Διαχείριση και κλήσεις συστήματος Νήματα Κλήσεις συστήματος και APIs Διαχείριση διεργασιών στο Unix Δημιουργία διεργασιών Τερματισμός / αναστολή διεργασιών (kill, CtrlC, CtrlZ) Εμφάνιση βασικών πληροφοριών PCB διεργασιών με διάφορες επιλογές (ps) Εμφάνιση ιεραρχίας διεργασιών (pstree, ps --forest) Εμφάνιση εκτελούμενων διεργασιών σε 'πραγματικό χρόνο' με δυνατότητες ρύθμισης πχ αλλαγή προτεραιότητας διεργασιών (top) Διεργασίες σε προσκήνιο / παρασκήνιο (&) Χρονοπρογραμματισμός μη-διαλογικών διεργασιών (απλός ή επαναλαμβανόμενος) (at, batch, cron) Κλήσεις Συστήματος για Διαχείριση Διεργασιών Κλήσεις συστήματος POSIX για διαχείριση διεργασιών. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 fork (1) Η συνάρτηση fork χρησιμοποιείται για τη δημιουργία διεργασιών. Η fork χρησιμοποιείται από τη διεργασία-γονέα για να δημιουργήσει μια διεργασία-παιδί που κληρονομεί το κώδικα και το περιβάλλον εκτέλεσης της διεργασίας-γονέα (μεταβλητές, χώρο διευθύνσεων, περιγραφείς αρχείων, γενικά context) αλλά εκτελείται 'ταυτόχρονα' με αυτή. Επομένως αμέσως μετά την εκτέλεση της fork δημιουργείται ένα αντίγραφο του PCB της διεργασίας-γονέα, το οποίο χορηγείται από το λ.σ. στη διεργασία-παιδί. Από αυτό το σημείο και μετά όμως αντιμετωπίζονται ως δύο διαφορετικές διεργασίες που εκτελούνται ανεξάρτητα (παράλληλα, ταυτόχρονα). Η γονική μπορεί ακόμη να δημιουργήσει περισσότερες θυγατρικές, που μπορούν να εκτελούνται όλες μαζί παράλληλα. Οποιαδήποτε από αυτές μπορεί επίσης να καλέσει την fork, έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια ιεραρχία διεργασιών οποιουδήποτε βάθους. fork (2) Δημιουργία διεργασίας στο Unix. Η κλήση fork() επιστρέφει στη διεργασία-γονέα το process id (pid) της διεργασίας-παιδιού. Αν pid < 0 (συνήθως -1) έχουμε αποτυχία δημιουργίας. Η διεργασία-παιδί λαμβάνει ως επιστροφή τη τιμή pid = 0. Έτσι, από αυτό το σημείο και μετά, ο κώδικας στο κλάδο if (pid > 0) εκτελείται από το γονέα ενώ ο κώδικας στο κλάδο else (δηλαδή pid == 0) εκτελείται από το παιδί. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Παράδειγμα fork #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> main(int argc, char *argv[]) { int i; pid_t h; /* δήλωση της μεταβλητής h τύπου pid_t */ h = fork(); /* δημιούργησε αντίγραφο */ if (h==0) { /* αυτό εκτελείται από το παιδί */ for (i=0; i<3; i++) { printf("**Child %d\n", i); } exit(0); /* το παιδί τερματίζει κανονικά */ } else if (h>0) { /* αυτό εκτελείται από τον γονέα */ for (i=0; i<3; i++) { printf("*Parent %d\n", i); } exit(0); /* ο γονέας τερματίζει κανονικά */ } else { /* δεν δημιουργήθηκε παιδί */ printf("fork error!\n"); exit(1); /* ο γονέας τερματίζει με σφάλμα */ } } fork / exit / wait Η συνάρτηση exit καλείται από μια διεργασία κατά το τερματισμό της και συνήθως συνοδεύεται από ένα κωδικό εξόδου (exit code). Αν η τιμή του κωδικού είναι 0 τότε ο τερματισμός είναι ομαλός, αν η τιμή είναι αρνητική (συνηθως 1) τότε έχουμε μη-ομαλό τερματισμό. Μια εφαρμογή μπορεί να ορίσει διάφορους κωδικούς εξόδου με αντίστοιχη σημασία. Η εκτέλεση της exit (και η τιμή του exit code) μπορεί - προαιρετικά - να αναγνωστούν από τη διεργασία-γονέα, αν αυτή έχει στο κώδικά της κλήση στην συνάρτηση wait ή waitpid. Η διεργασία-γονέας, όταν φθάσει στην εκτέλεση μιας κλήσης wait η waitpid αναμένει υποχρεωτικά για την εκτέλεση κλήσης exit από διεργασία-παιδί. H συνάρτηση wait επιβάλλει συγχρονισμό μεταξύ της διεργασίας-γονέα και οποιασδήποτε διεργασίας-παιδιού. H συνάρτηση waitpid επιβάλλει συγχρονισμό με συγκεκριμένη διεργασία-παιδί (με βάση το όρισμα pid). Αν τεθεί pid = -1, τότε η waitpid μεταπίπτει στη wait. Οι συναρτήσεις wait επιστρέφουν το pid της διεργασίας-παιδιού που εκτέλεσε το exit και το κωδικό εξόδου μέσω του ορίσματος status.To όρισμα status, εκτός από το κωδικό εξόδου περιλαμβάνει και άλλες πληροφορίες σχετικά με τις συνθήκες τερματισμού της διεργασίας-παιδιού. #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> main(int argc, char *argv[]) { pid_t h1, h2, h; int status, i; h1 = fork(); /* ∆ημιουργία πρώτου παιδιού */ if (h1 < 0) { printf("Error forking process 1\n"); exit(1); /* ο γονέας τερματίζει με σφάλμα */ } else if (h1 == 0) { /* Κώδικας παιδιού 1 */ exit(0); /* το παιδί 1 τερματίζει κανονικά */ } h2 = fork(); /* ∆ημιουργία δεύτερου παιδιού */ if (h2 < 0) { printf("Error forking process 2\n"); exit(1); /* ο γονέας τερματίζει με σφάλμα */ } else if (h2 == 0) { /* Κώδικας παιδιού 2 */ exit(0); /* το παιδί 2 τερματίζει κανονικά */ } /* Από εδώ και κάτω κώδικας γονέα: */ h = wait(&status); /* περίμενε ένα οποιοδήποτε παιδί */ printf("Parent message: Child %d has finished\n", h); h = wait(&status); /* περίμενε το δεύτερο παιδί */ printf("Parent message: Child %d has finished\n", h); exit(0); /* ο γονέας τερματίζει κανονικά */ } Παράδειγμα fork / wait Παράδειγμα fork / wait (2.1) #include <unistd.h> /* Symbolic Constants */ #include <sys/types.h> /* Primitive System Data Types */ #include <errno.h> /* Errors */ #include <stdio.h> /* Input/Output */ #include <sys/wait.h> /* Wait for Process Termination */ #include <stdlib.h> /* General Utilities */ int main() { pid_t childpid; /* variable to store the child's pid */ int retval; /* child process: userprovided return code */ int status; /* parent process: child's exit status */ /* only 1 int variable is needed because each process would have its own instance of the variable here, 2 int variables are used for clarity */ /* now create new process */ childpid = fork(); if (childpid >= 0) /* fork succeeded */ { if (childpid == 0) /* fork() returns 0 to the child process */ { printf("CHILD: I am the child process!\n"); printf("CHILD: Here's my PID: %d\n", getpid()); printf("CHILD: My parent's PID is: %d\n", getppid()); printf("CHILD: The value of my copy of childpid is: %d\n", childpid); ... Παράδειγμα fork / wait (2.2) ... printf("CHILD: Sleeping for 1 second...\n"); sleep(1); /* sleep for 1 second */ printf("CHILD: Enter an exit value (0 to 255): "); scanf(" %d", &retval); printf("CHILD: Goodbye!\n"); exit(retval); /* child exits with userprovided return code */ } else /* fork() returns new pid to the parent process */ { printf("PARENT: I am the parent process!\n"); printf("PARENT: Here's my PID: %d\n", getpid()); printf("PARENT: The value of my copy of childpid is %d\n", childpid); printf("PARENT: I will now wait for my child to exit.\n"); wait(&status); /* wait for child to exit, and store its status */ printf("PARENT: Child's exit code is: %d\n", WEXITSTATUS(status)); printf("PARENT: Goodbye!\n"); exit(0); /* parent exits */ } } else /* fork returns 1 on failure */ { perror("fork"); /* display error message */ exit(0); } } exec (1) Η συνάρτηση exec καλείται από ένα πρόγραμμα για να εκτελέσει ένα αρχείο. Προφανώς το προς εκτέλεση αρχείο πρέπει να είναι μεταγλωττισμένο, δηλαδή εκτελέσιμο. Η exec περιλαμβάνει μια οικογένεια παρόμοιων συναρτήσεων, τις execl, execv, execle, execve, execlp και execvp. Οι διαφορετικές εκδοχές της exec προσφέρουν εναλλακτικούς τρόπους περάσματος και σύνθεσης των ορισμάτων. Το l σημαίνει λίστα από ορίσματα, Το v σημαίνει άνυσμα από ορίσματα, Το e σημαίνει μεταβλητές περιβάλλοντος, Το p σημαίνει έρευνα σε καταλόγους (μεταβλητή περιβάλλοντος PATH) Μέσω της exec η διεργασία-παιδί μετά το fork μπορεί να εκτελέσει άλλο κώδικα από αυτό που κληρονόμησε από τη διεργασία-γονέα. Επίσης μπορεί να δεχτεί μεταβλητά ορίσματα ή να εκτελεστεί σε διαφορετικό περιβάλλον εκτέλεσης. exec (2) execl() List of arguments. No environment passed. execl("/bin/ls", "ls", "l", NULL); Το πρώτο όρισμα είναι το όνομα διαδρομής του εκτελεσίμου. Το δεύτερο είναι το όνομα που θα λάβει το εκτελέσιμο (argv[0]). Τα υπόλοιπα είναι τα ορίσματα στο εκτελέσιμο (argv[1], …) με τελευαίο όρισαμα NULL. execv() Vector of arguments. No environment passed. execv(arglist[0], arglist); Όπου char *arglist[4]; με arglist[0]=”/bin/ls”; arglist[1]=”ls”; arglist[2]=”-l”; arglist[4]=0; execle() List of arguments. Pointer to list of environment values. execl("/bin/ls", "ls", "l", NULL, NULL); execve() Vector of arguments. Pointer to list of environment values. execve(arglist[0], arglist, NULL); execlp() List of arguments. Non-executable files given to shell. Uses search path. execlp("ls", “l”, NULL); execvp() Vector of arguments. Non-executable files given to shell. Uses search path. execvp(arglist[0], arglist); Παράδειγμα fork / exec (1) #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> int main() { int pid; char *argv[]={"echo","Hello there!",NULL}; /*Spawn a child to run the program.*/ pid = fork(); /* pid >= 0 */ if (pid == 0) { /* child process */ execv("/bin/echo", argv); exit(127); /* only if execv fails */ } else { /* pid > 0; parent process */ waitpid(pid,0,0); /* wait for child to exit */ execl("/bin/date", "date", NULL); exit(127); /* only if execl fails */ } return 0; } Παράδειγμα fork / exec (2) #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> main() { int pid, status; printf("Forking process\n"); pid = fork() /* Succesful fork is assumed */ wait(&status); /* Parent waits here for child to finish */ printf("The process id is %d \n", getpid()); printf("value of pid is %d\n", pid); if (pid == 0) printf("I am the child, status is %d\n", status); else /* pid > 0 */ printf("I am the parent, status is %d\n", status); execl("/bin/ls","ls", "l", NULL); printf("This line is printed only if execl fails\n"); } Απλός φλοιός #include <stdio.h> #include <string.h> #include <unistd.h> int main(void) { char command[80]; int pid, status; for(;;) { printf("my_shell: "); if(fgets(command, sizeof(command), stdin) == NULL) { printf("\n"); return 0; } command[strlen(command)1] = '\0'; if((pid = fork()) == 0) execlp(command, command, 0); while(wait(&status) != pid) continue; printf("\n"); } } Φλοιός με ορίσματα Ισοδυναμία wait(&status) και waitpid(-1, &status, 0) Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Φλοιός και fork / exec Βήματα εκτέλεσης της εντολής ls μέσω φλοιού. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Παράδειγμα εφαρμογής (1) /* myprogram.c: παίρνει ένα όρισμα n θετικό ακέραιο */ /* από τη γραμμή εντολών και τυπώνει ένα τρίγωνο με n γραμμές */ /* gcc -o myprogram myprorgram.c */ #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> int main(int argc, char *argv[]) { int i,j; printf("%d", argc); if (argc != 2) { printf("Usage: %s a positive integer\n", argv[0]); exit(0); } for (i=0; i<atoi(argv[1]); i++){ for (j=1; j<=i; j++) printf("*"); printf("\n"); } } Παράδειγμα εφαρμογής (2) /* test.c εκτελεί το “myprogram 25” και “myprogram 38” */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> main(int argc, char *argv[]) { pid_t h1, h2; h1 = fork(); if (h1<0) {exit(1);} if (h1==0) { /* δημιούργησε ένα παιδί */ /* error forking child 1 */ /* αντικατέστησε το παιδί*/ /* με το πρόγραμμα “myprogram 25” */ execl("./myprogram","./myprogram", "25", NULL); } h2 = fork(); /* δημιούργησε δεύτερο παιδί */ if (h2<0) {exit(1);} /* error forking child 2 */ if (h2==0) { /* αντικατέστησε το δεύτερο παιδί */ /* με το πρόγραμμα “myprogram 38” */ execl("./myprogram","./myprogram", "38", NULL); } } ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διεργασίες και Νήματα Διεργασίες Κλήσεις συστήματος και ΑPIs Νήματα Κλήσεις συστήματος και APIs Μοντέλο Νήματος (Thread) (1) Μια διεργασία μπορεί να περιέχει αρκετά τμήματα κώδικα που μοιράζονται ορισμένα δεδομένα και μπορούν να εκτελούνται 'συγχρόνως'. Π.χ. ένας επεξεργαστής κειμένου δέχεται πληκτρολόγηση, διαμορφώνει κείμενο στην οθόνη και κάνει backup, ή ένας Web browser μπορεί να περιέχει διαφορετικά συστατικά για την ανάγνωση ιστοσελίδων σε μορφή HTML, την ανάκτηση των συστατικών τους (εικόνες, video κλπ) και την εμφάνιση των σελίδων στο παράθυρο του browser. Αυτά τα συστατικά του προγράμματος που εκτελούνται ανεξάρτητα αλλά υλοποιούνται ως λειτουργίες σε μια κοινή περιοχή μνήμης ονομάζονται νήματα (threads). Η διεργασία έχει έναν ενιαίο χώρο διευθύνσεων και ένα PCB αλλά εσωτερικά οργανώνεται ως ένα σύνολο μικρο-διεργασιών, των νημάτων. Χρήση Νημάτων (1) Επεξεργαστής κειμένου με τρία νήματα. Τρείς διαφορετικές λειτουργίες. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Χρήση Νημάτων (2) Ένας πολυνηματικός διακομιστής Ιστού. Πολλές όμοιες λειτουργίες. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Χρήση Νημάτων (3) Χονδρικός σκελετός του κώδικα του διακομιστή Ιστού. (a) Νήμα Διανομέα. (b) Νήμα Εργαζομένου. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Μοντέλο Νήματος (2) Διεργασία : μια συλλογή νημάτων μαζί με σχετιζόμενους πόρους του συστήματος. Τα νήματα προσφέρουν έναν εναλλακτικό τρόπο λειτουργίας σε σχέση με το μοντέλο της διεργασίας. Το μοντέλο της διεργασίας είναι αρκετά 'βαρύ' (heavyweight) και προκαλεί σημαντικές καθυστερήσεις πολύπλοκες εφαρμογές. Κάθε φορά που συμβαίνει system call ή Ε/Ε η διεργασία πρέπει να ανασταλεί (context switch), ενώ αν έχουμε νήματα, μπορεί να συνεχίσει να εκτελείται άλλο νήμα μέχρι να συμβεί χρονοδιακοπή (timeout). Έτσι στα λ.σ. καταλήγουμε σε ένα σύνθετο μοντέλο 2 επίπέδων: Σχετικά λίγες και μεγάλες διεργασίες που η κάθε μια αποτελείται από σχετικά πολλά νήματα. Η διάσπαση μιας εφαρμογής σε πολλά νήματα έχει ως αποτέλεσμα μεν τον ευκολότερο σχεδιασμό αλλά επιβάλλεται ο συγχρονισμός των γεγονότων και ο διαμοιρασμός δεδομένων της εφαρμογής . Χρήση Νημάτων (4) (a) Παραλληλισμός επιπέδου διεργασίας. (b) Παραλληλισμός επιπέδου νήματος. Κάθε δημιουργία διεργασίας απαιτεί πόρους και κάθε αλλαγή διεργασίας απαιτεί θεματική εναλλαγή. Η δημιουργία και εναλλαγή νημάτων είναι φθηνότερη. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Σχέση νήματος και διεργασίας (1) A B C Program Counter (Threads) text segment C stack B stack “Multithreaded Program” Process A stack • Νήμα = βασική μονάδα χρήσης της CPU • Κατέχει – program counter – register set – stack space • Μοιράζεται – code section – data section – OS resources A B C data segment Σχέση νήματος και διεργασίας (2) Η στήλη Per process πριέχει στοιχεία κοινά για όλα τα νήματα μια διεργασίας. Η στήλη Per thread περιέχει στοιχεία ιδιωτικά για κάθε νήμα. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Νήματα και διεργασίες : σύγκριση (1) Διεργασίες Είναι οντότητες που δεσμεύουν οποιονδήποτε πόρο τις αφορά όπως τον χώρο διευθύνσεων, τα δεδομένα, τον κώδικα και τα αρχεία. Θεωρούνται ως heavyweight σε σχέση με τη δημιουργία, τον τερματισμό, την θεματική εναλλαγή, την επικοινωνία και τον συγχρονισμό Νήματα Διαμοιράζονται τον χώρο διευθύνσεων, τα δεδομένα, τον κώδικα και τα αρχεία εφόσον ανήκουν στην ίδια διεργασία. Θεωρούνται ως lightweight σε σχέση με τη δημιουργία, τον τερματισμό, την θεματική εναλλαγή, την επικοινωνία και τον συγχρονισμό. Τα νήματα μπορούν να δημιουργηθούν χωρίς να ανασταλεί η διεργασία. Το περισσότερο έργο για τη δημιουργία του νήματος γίνεται στο χώρο διευθύνσεων του χρήστη παρά στον πυρήνα του λ.σ. Τα νήματα 'κληρονομούν' μεθόδους διαχείρισης κλπ από τις διεργασίες. Χρησιμοποιούν καλύτερα τους σύγχρονους επεξεργαστές (multithreading). Νήματα και διεργασίες : σύγκριση (2) Νήματα • Ένα νήμα δεν διαθέτει data segment ή heap • Ένα νήμα δεν μπορεί να υπάρξει μόνο του, πρέπει να υπάρχει στα πλαίσια μιας διεργασίας • Υπάρχουν περισσότερα από ένα νήματα σε μια διεργασία, το πρώτο νήμα είναι το κύριο και κατέχει τη στοίβα της διεργασίας • Η δημιουργία του καθώς και η εναλλαγή πλαισίου δεν είναι δαπανηρή • Αν ένα νήμα εκλείψει η στοίβα του επιστρέφεται στους πόρους του συστήματος Διεργασίες  Μια διεργασία έχει code/data/heap καθώς και άλλα segments  Υπάρχει ένα τουλάχιστον νήμα σε μια διεργασία  Τα νήματα σε μια διεργασία διαμοιράζονται code/data/heap και I/O, αλλά το καθένα έχει τη δική του στοίβα και τους δικούς του καταχωρητές  Η δημιουργία τους καθώς και οι εναλλαγές πλαισίου είναι δαπανηρές  Αν μια διεργασία εκλείψει οι πόροι της επιστρέφονται στο σύστημα και όλα της τα νήματα εκλείπουν Πρόγραμμα χωρίς νήματα (1) void do_one_thing(int *); void do_another_thing(int *); void do_wrap_up(int, int); int r1=0, r2=0; void do_another_thing(int *pnum_timess) { int i, j, k; main() { do_one_thing(&r1); do_another_thing(&r2); do_wrap_up(r1, r2); } void do_one_thing(int *pnum_times) { int i, j, k; } for(i = 0; i < 4; i ++) { printf(“doing one thing\n”); for (j = 0; j < 10000; j++) { k = k + i; } (*pnum_times)++; } } for (i = 0; i < 4; i++) { printf(“doing another thing \n”); for(j = 0; j < 10000; j++) { k = k + i; } (*pnum_times)++; } void do_wrap_up(int one_times, int another_times) { int total; } total = one_times + another_times; printf(“wrap up: one thing %d, another %d, total %d\n”, one_times, another_times, total); Πρόγραμμα χωρίς νήματα (2) Πρόγραμμα με νήματα (1) void do_one_thing(int *); void do_another_thing(int *); void do_wrap_up(int, int); int r1=0, r2=0; main() { /* create and execute thread */ CreateThread( do_one_thing (&r1) ); /* execute do_another_thing in main process */ CreateThread (do_another_thing(&r2)); /* wait for thread to complete */ wait_for_thread(); } do_wrap_up(r1, r2); Πρόγραμμα με νήματα (2) Καταστάσεις (κύκλος ζωής) Νήματος (1) Δημιουργία (Born) 'Ετοιμο προς εκτέλεση (Ready, Runnable) Εκτελούμενο (Running) Τερματισμένο (Dead) Σε αναστολή (Blocked): αναμονή Ε/Ε Σε αναμονή (Waiting): αναμονή συμβάντος από άλλο νήμα ή το λ.σ Σε ..λήθαργο (Sleeping): εθελούσια αναστολή εκτέλεσης, μπορεί να σημαίνει και κλήση του λ.σ. από το νήμα Καταστάσεις (κύκλος ζωής) Νήματος (2) Υλοποίηση νημάτων (a) Νήματα σε επίπεδο χρήστη (User Level Threads, ULTs)- Σχέση N προς 1 (b) Νήματα σε επίπεδο πυρήνα (Kernel Level Threads, KLTs)- N:N Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Νήματα επιπέδου χρήστη Το λ.σ. δεν γνωρίζει για τα νήματα χρήστη, είναι ενημερωμένο μόνο για τη διεργασία όπου περιέχονται. Το λ.σ. δρομολογεί τις διεργασίες και όχι τα νήματα. Ο προγραμματιστής χρησιμοποιεί τη βιβλιοθήκη νημάτων της εφαρμογής για να τα διαχειριστεί (δημιουργία, συγχρονισμός και δρομολόγηση). Υπέρ: - Χρονο-προγραμματισμός σε επίπεδο εφαρμογής, ταχύτερος και πιο εξειδικευμένος από τη γενική δρομολόγηση του πυρήνα. - Φορητότητα εφαρμογής ανεξάρτητα από λ.σ. - Μπορούμε να έχουμε πολλά νήματα χωρίς μεγάλη επιβάρυνση. Κατά: - Δύσκολη εξυπηρέτηση κλήσεων συστήματος μέσω νημάτων, γιατί σε περίπτωση αναστολής εκτέλεσης πρέπει να ενημερωθούν δύο δρομολογητές, του λ.σ. και της εφαρμογής. - Δύσκολη υλοποίηση υψίσυχνης χρονοδιακοπής. - Αν απαιτείται σημαντική E/E ή εναλλαγή σελίδων στη μνήμη έχουμε σημαντικές καθυστερήσεις. Νήματα επιπέδου πυρήνα Είναι γνωστά στο λ.σ. Το λ.σ. δρομολογεί τις διεργασίες αλλά και τα νήματα. Ο προγραμματιστής χρησιμοποιεί τη βιβλιοθήκη νημάτων του λ.σ. API (κλήσεις συστήματος) για να τα διαχειριστεί. Υπέρ: - Οι δομές δεδομένων και οι κλήσεις συστήματος οργανώνονται από το λ.σ. (ελαφρές διεργασίες, πίνακας νημάτων, ουρές νημάτων). - Το λ.σ. διαχειρίζεται τα θέματα αναστολής εκτέλεσης νημάτων λόγω Ε/Ε ή ιδεατής μνήμης. - Η εναλλαγή μεταξύ νημάτων πυρήνα στην ίδια διεργασία δεν είναι δαπανηρή Κατά: - Σχετικά βαρύτερη και λιγότερο εξειδικευμένη υλοποίηση - Η υλοποίηση εξαρτάται από το λ.σ. - Σχετικά λίγα, ισχυρά νήματα. Παραδείγματα υλοποιήσεων (1) O.S. Kernel threads: Windows XP/2000, Linux, Solaris Όλα τα σύγχρονα λειτουργικά συστήματα υποστηρίζουν threads επιπέδου πυρήνα. Σύγχρονα Unix/Linux: Νative POSIX Thread Library (NPTL). Posix Pthreads (IEEE standard): Έχουν καθορισμένη διεπαφή (API) ανάπτυξης εφαρμογών. Συνδέονται με NPTL και μπορούν να υλοποιούνται σαν KLTs. Είναι πιο συνηθισμένα σε συστήματα UNIX αλλά υπάρχουν και σε Windows. Java threads: Υποστηρίζονται από την JVM. Η υλοποίηση εξαρτάται από τo JRE, παλιότερα ULTs τώρα συνδέονται με NPTL και υλοποιούνται σαν KLTs. Πλήρως φορητά, πολύ εύχρηστα, πλούσιο API. Παραδείγματα υλοποιήσεων (2) OpenMP Φορητή βιβλιοθήκη υψηλού επιπέδου βασισμένη στα POSIX Threads, διαθέσιμη σε όλους τους βασικούς μεταγλωττιστές C,C++ και Fortran. Jomp για Java. Thread Building Blocks Cilk ++ Bιβλιοθήκες υψηλού επιπέδου της Intel για C,C++ και Fortranm διαθέσιμες και ανeξάρτητα (για gcc). Task Parallel Library Βιβλιοθήκες .ΝΕΤ της Microsoft για C#. GNU Portable Thread Library Διαθέσιμη για gcc. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διεργασίες και Νήματα Διεργασίες Κλήσεις συστήματος και ΑPIs Νήματα Κλήσεις συστήματος και APIs Νήματα POSIX (1) Pthread_detach Sleep Pointer to thread is released Do nothing for some time Μερικές κλήσεις της βιβλιοθήκης των Pthreads. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Νήματα POSIX: παράδειγμα (1) Mεταγλώττιση: gcc -pthread Δείκτης σε συνάρτηση Δήλωση νημάτων ... Δημουργία και εκτέλεση νημάτων. Προσοχή στη σύνταξη. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639 Νήματα POSIX: παράδειγμα (2.1) #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> char *buf = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"; int num_pthreads = 8; int count = 6; int fd = 1; /* 1 = stdout */ void *new_thread(void *arg) { int i; for (i = 0; i < count; i++) { write(fd, arg, 1); sleep(1); pthread_yield(0); } return(0); } /* write char *arg to stdout */ /* comment out one or both */ /* lines */ Νήματα POSIX: παράδειγμα (2.2) main() { pthread_t thread; int i; for (i = 0; i < num_pthreads; i++) { if (pthread_create(&thread, NULL, new_thread, (void *)(buf + 3*i))) { fprintf(stderr, "error creating a new thread \n"); exit(1); } pthread_detach(thread); } pthread_exit(0); } Εκτελέστε το πρόγραμμα αρκετές φορές, με χρήση των sleep και yield, μιας από τος δύο ή και χωρίς αυτές. Τι παρατηρείτε; #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define NUM_THREADS Νήματα POSIX: παράδειγμα (3.1) 3 void *BusyWork(void *null) { int i; double result=0.0; for (i=0; i<1000000; i++) { result = result + (double)random(); } printf("Thread result = %e\n",result); pthread_exit((void *) 0); } int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t thread[NUM_THREADS]; pthread_attr_t attr; int rc, t; void *status; /* Initialize and set thread detached attribute */ pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE); Νήματα POSIX: παράδειγμα (3.2) for(t=0;t<NUM_THREADS;t++) { printf("Creating thread %d\n", t); rc = pthread_create(&thread[t], &attr, BusyWork, NULL); if (rc) { printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc); exit(-1); } } /* Free attribute and wait for the other threads */ pthread_attr_destroy(&attr); for(t=0;t<NUM_THREADS;t++) { rc = pthread_join(thread[t], &status); if (rc) { printf("ERROR return code from pthread_join() is %d\n", rc); exit(-1); } printf("Joined with thread %d status= %ld\n",t,(long)status); } pthread_exit(NULL); } Διεργασίες και Νήματα στα Windows Κλήσεις συστήματος για βασική διαχείριση διεργασιών και νημάτων σε Win32 API