Definisjon av prosess

Transkript

1 Prosesser og tråder

2 Definisjon av prosess Enkel definisjon En prosess er et program som kjører Mer presis definisjon En prosess er en samling av ressurser som er nødvendige for å utføre en oppgave beskrevet med programkode Ressursene til en prosess er: Programkoden (kompilerte maskininstruksjoner) Minne/RAM og evt. diskplass OS-kontrolldata som f.eks. prioriteter og rettigheter En eller flere tråder ( threads of execution ) som utfører maskininstruksjoner

3 Analogi med et kjøkken Kjøkken Formål: Lage mat Kokker Råvarer og utstyr Oppskrifter Prosess Formål: Løse oppgave Tråder Minne, disk, kontrolldata Programkode Merk at begrepene program, prosess og tråd / thread ofte brukes om hverandre og upresist

4 Tråder / Threads I gamle dager hadde ikke OS prosesser med mer enn én tråd : Begrepet threads fantes ikke, bare separate prosesser Deling av data mellom prosesser er vanskelig Prosesser stopper når de venter på en ressurs Tråder og internett/distribuerte systemer: Multi-thread OS ble vanlige for år siden Trådene i en prosess deler på det samme minneområdet Gjør at f.eks. nettlesere og mailklienter lett kan fortsette selv om en server ikke svarer Både Windows og Linux er multi-thread

5

6 Tråd vs. prosess Tråder er sekvensielle flyt av utførelse inni i en prosess, som kan kjøre parallelt/ samtidig Trådene er lettvekts-prosesser Mye raskere å opprette ny tråd enn ny prosess Oftest mye raskere kommunikasjon mellom samarbeidende tråder enn prosesser Tråder er utfordrende for programmereren: Trådene deler samme minne, mye feil/inkonsistens mulig Samarbeidende tråder må synkroniseres i koden Tråd-API'er i både C (POSIX-threads aka Pthreads) og i Java (java.lang.thread)

7 Prosessenes tilstand En prosess har hele tiden en tilstand, som endres etter som programmet kjøres/tiden går Tilstanden til en prosess bestemmes av: Dataene Prosessomgivelsenes tilstand Trådenes tilstand Hele tilstanden til en prosess må kunne lagres unna ved f.eks. avbrudd i CPU eller stand-by Prosessen må kunne hentes frem igjen og gjenskapes slik at den fortsetter å kjøre med nøyaktig samme tilstand som da den ble lagret

8 Lagring av prosesstilstander i OS Tilstanden til hver enkelt prosess lagres i en prosessdeskriptor, som bl.a. inneholder: Prosessnavn og -eier Prioritet og rettigheter Informasjon om minneområde(r) som er tildelt Trådliste Informasjon om selve programmet for prosessen Informasjon om forelder- og barneprosesser Deskriptorene for alle prosessene som finnes på maskinen lagres i prosesstabellen i OS-et

9 Lagring av trådtilstander Tilstanden til hver av trådene i en prosess lagres i en tråddeskriptor, som bl.a. inneholder: Instruksjonspeker som inneholder adressen til instruksjonen som tråden nå utfører Innholdet i CPU-registre Trådens utføringsstatus, som er en av tre mulige: ready klar til å kjøre i CPU, venter på tur running kjører i CPU blocked kan ikke kjøre, venter på f.eks. I/O Tråddeskriptorene lagres lokalt i prosessene

10

11 Forelder- og barneprosesser Alle prosesser skapes/opprettes ved at en tråd i en prosess oppretter en ny prosess gjennom systemkall til OS-et * Prosessen som lages er barn av prosessen som opprettet den, forelder-prosessen OS-et holder rede på barn-forelder forholdene mellom prosesser Forelderprosessen kan kontrollere, stoppe, starte og slette barna Alle shell-kommandoer starter prosesser som blir barn av shellet Tilsvarende slektskap finnes mellom trådene i en prosess * Med unntak av den aller første prosessen som kjøres ved oppstart og som startes av ROM-kode stamfaren til alle andre prosesser på systemet

12 Brukerhåndtering av prosesser i Linux Alle prosesser som opprettes i Linux tildeles en unik (gjenbrukbar) prosessidentifikator i form av et heltall som kalles PID. PPID er PID til forelder. PID 1 : init Brukere kan håndtere sine egne prosesser fra shellet bl.a. med kommandoene: & CTRL Z fg bg top pstree ps kill nice

13 Forgrunns- og bakgrunnsprosesser Linux shellkommandoer kjøres i forgrunnen shellet venter inntil kommandoen er ferdig '&' etter en Linux-kommando kjører kommandoen i bakgrunnen : Prosessen kjøres samtidig med shellet Shellet venter ikke til kommandoen er ferdig Kommandoen fg brukes for å flytte prosesser fra bakgrunn til forgrunn Nåværende prosess (i forgrunnen) kan suspenderes (tråden settes i wait-tilstand) ved å taste CTRL Z Kommandoen bg vil starte opp siste suspenderte jobb som en bakgrunnsprosess

14 Prosessinformasjon i Linux top : Løpende systemstatus og info. om alle prosesser på systemet, sortert på ressursbruk (top H for tråd-info). pstree : Hele slektstreet for prosessene (init er stamfar) ps : Skriver ut (deler av) prosesstabellen e Alle prosesser på systemet u Prosessene til en bestemt bruker m Informasjon om tråder [PID] Informasjon om en bestemt prosess-id For å få info. om bestemte programnavn/kommandoer: ps grep programnavn pgrep

15 Linux-prosesser og signaler Alle prosesser i Linux responderer på signaler Signaler er beskjeder fra OS-et om at en prosess skal avslutte eller endre oppførsel Signalene identifiseres med nummer eller navn Brukere kan sende signaler til prosesser med kommandoen kill Liste over alle signaler: kill l (/bin/kill L) Spesielt signal: KILL (signal 9) for å drepe en prosess: KILL sendes ikke til prosessen, men bare til OS-et sure kill : Prosessen kan ikke selv stoppe en KILL

16 kill - kommandoen Brukere kan sende signaler til egne prosesser: kill PID Terminér en bestemt prosess kill <signal> PID Send et bestemt signal til prosess kill HUP PID Brukes ofte for å restarte servere kill KILL PID Sure kill kill KILL 1 Massemord Shellprogrammer kan håndtere / ignorere signaler med trap trap "echo SIGINT d***er vi i" 2 Se også: pkill killall

17 Prioritering av prosesser i Linux Prosesser får en nice-verdi ved oppstart: -20 <= nice-verdi <= 19 19: Prosessen er super-nice og prioriteres lavt av OS langsom utførelse -20: Prosessen er grådig og prioriteres på topp rask utførelse Default er oftest 0 (null) Brukere kan sette nice-verdi med f.eks: nice 15 kommando Delte Linux-systemer er ofte satt opp slik at bare sys.adm./root kan bruke negative nice-verdier Prioriteten til en kjørende prosess kan endre med renice

18 Time-sharing og scheduling Time-sharing (med én enkel CPU): CPU kan bare utføre én instruksjon om gangen Alle prosesser som ønsker å kjøre en tråd i CPU ligger lagret i en kø/liste OS velger en tråd fra køen, som får kjøre i CPU i en kort periode (en time-slice, typisk 20 millisek.) Prosessen tas ut og må igjen vente i kø. Scheduling-algoritme i OS ( kjøreplan i læreboken): Bestemmer når bytte av prosess/tråd (context switch) skal gjøres må være svært rask for å unngå trege systemer Velger ut neste prosess/tråd som skal få kjøre i CPU i henhold til gitte kriterier og/eller prioriteter

19 Context switch Prosessen som lagrer og gjenoppretter tilstanden (konteksten) til en prosess/tråd, slik at utførelsen kan gjenopptas korrekt og på samme sted senere. Utføres av OS og består av: Tråden som er running stoppes og lagres, trådens utføringsstatus settes til ready Scheduling-algoritmen velger en av alle trådene med ready-status som den neste som skal få kjøre Tilstanden til valgt tråd og prosess hentes frem og gjenopprettes, trådens status settes til running Context switch ferdig, valgt tråd kjøres i CPU frem til neste context switch

20 Ulike typer scheduling preempt : ordne på forhånd/reservere/forhindre Preemptive scheduling: Timer starter context switch med jevne mellomrom, f.eks ganger per sekund Scheduling-algoritme velger neste tråd som kjøres Rettferdig fordeling av CPU-tid mellom trådene Nonpreemptive scheduling: Kjørende tråd bestemmer når context switch skjer, OS kan ikke avbryte. Krever at trådene/prosessene samarbeider og ikke er grådige cooperative multitasking Ikke for vanlige OS, finnes oftest i real-time systemer der presisjon er spesielt viktig (eks. styring av romfartøy)

21 Enkel preemptive scheduling: Round Robin Kjør prosess i én time-slice, legg deretter bakerst i kø Alle behandles likt Bruker en timer som sender avbruddsignal f.eks. 50 ganger i sekundet for å bytte prosess/tråd i CPU med en context switch Relativt lett å modifisere til å håndtere prioriteter for tråder/prosesser og flere enn en CPU De fleste OS bruker en eller annen variant av Round Robin scheduling

22 Hvordan velge tråder i scheduling? Alle tråder kan ha en prioritet: Velg alltid den som har høyest prioritet Like prioriteter behandles med Round Robin Alternativ: Variér lengden på time-slice iht. prioritet Store jobber kan nedprioriteres: Lagre brukt CPU-tid for alle tråder Velg alltid den som har brukt minst CPU-tid Prioriterer interaktive brukere fremfor tunge jobber Estimert gjenværende kjøretid: Prosessene gjetter på hvor mye CPU-tid som gjenstår Velg den med minst gjenværende tid for å prioritere småjobber

23 Scheduling i Linux * Bruker p.t. en relativt komplisert algoritme som kalles Completely Fair Scheduler Prøver å utnytte CPU så effektivt som mulig og samtidig prioritere interaktivitet Hovedregelen er å velge prosessen som har brukt minst CPU-tid til nå Interaktive prosesser prioriteres med sleeper fairness": Prosesser som er blocked er typisk interaktive programmer som sover fordi de venter på input fra bruker Disse behandles på samme måte som prosessene som er ready og venter på å kjøre i CPU igjen Felles scheduling av tråder og prosesser tråder betraktes som spesielle prosesser som deler ressurser. *: Beskrivelsen i læreboken er utdatert

24 Scheduling og avbruddsrutiner Avbrudd skjer f.eks. når en prosess kaller en systemrutine for å lese fra en I/O-enhet CPU avbryter kjøring av programmet og hopper til koden for avbruddsrutinen som håndterer I/O Det gjøres ikke context switch eller scheduling: Avbruddsrutinen er ikke en egen prosess Tråden som forårsaket avbruddet er fortsatt running Dette betyr at avbruddsrutinen har tilgang til både instruksjonen og dataene for prosessen, som er lagret i RAM disse må ikke endres Det er strenge krav til kvalitet og sikkerhet (og hastighet) ved (assembler)programmering av avbruddsrutiner

25 Virkemåte for avbruddsrutiner Avbruddsrutinen lagrer alle prosessdata som er nødvendig (CPU-registre) for å kunne restarte prosessen/tråden nøyaktig slik den var før avbrudd Dette må ikke lagres i prosessens minne-område, men i egne statiske minneceller satt av spesielt for avbruddsrutinen Avbruddsrutiner gjør alltid bare svært enkle operasjoner som f.eks. å starte en I/O-enhet, flytte data, eller endre status til en tråd. CPU må være i kjernemodus. Avslutter ved å sette lagrede data tilbake i CPU-registre og utføre en return from interrupt, slik at avbrutt prosess kan fortsette utføring.

26 Kjernetråder og brukertråder Kjernetråder: Kernel-level threads / Native threads Tråder som opprettes og håndteres av OS-et selv Brukertråder: User-level threads, Green threads Tråder som lages og håndteres av et run-time system som f.eks. Java Virtual machine

27 Kjernetråder Operativsystemets API tilbyr systemkall (C-funksjoner i Linux) for å opprette nye tråder inne i en prosess kjernetråder. Disse trådene er kjente for OS-et og håndteres med scheduling og context switch. Fordeler: OS-et kan utnytte maskiner med flere prosessorer/cpu-kjerner effektivt ved å kjøre kjernetråder parallellt, og kan f.eks. prioritere tunge prosesser med mange tråder. Kjernetråder er blokkeringsfrie, dvs. at en tråd som f.eks. venter på I/O ikke stopper andre tråder i samme prosess fra å kjøre. Ulemper: Opprettelse og context switch er relativt tidkrevende.

28 Brukertråder i Java Opprettes og håndteres av JVM Enklere med trådhåndtering i høynivå, API: java.lang.thread Tidligere versjoner av JVM (læreboken): Java-trådene fantes ikke i OS-et, som bare så en prosess JVM gjorde selv scheduling av trådene Bytte av brukertråd i JVM raskere enn OS context switch Kan ikke utnytte flere prosessorer effektivt (men virker også for single-thread OS) Ikke blokkeringsfrie: En brukertråd som trenger I/O kan stoppe alle andre brukertråder, fordi OS-et bare ser én prosess I nyere Java-systemer: JVM oppretter en kjernetråd som svarer til hver brukertråd i Javakoden (standard i Windows og Linux)

29

30 Programmering med tråder i Java Java-tråder er vanlige klasseobjekter i Java Trådene er er objekter av klassen java.lang.thread, eller av subklasser av denne I tillegg til å være objekter, kan Java-tråder også eksekvere kode. Opprettelse av ny tråd: Thread thread = new Thread(); Starte kjøring av den nye tråden: thread.start(); thread.start setter i gang metoden void run() i trådobjektet

31 To måter å starte tråden på 1.Lag en subklasse av Thread som definerer sin egen void run() metode. 2.Bruk et objekt som implementerer Runnable, som parameter til konstruktøren til Threadobjektet. Runnable-objektet må selv implementere metoden void run(), og kjøring av tråden vil starte i denne metoden.

32 Metode 1 public class MyThread extends Thread { public void run() { System.out.println("MyThread running"); } } public class ThreadTest1 { public static void main(string[] args) { MyThread mythread = new MyThread(); mythread.start(); } }

33 Metode 2 public class MyRunnable implements Runnable { public void run() { System.out.println("MyRunnable running"); } } public class ThreadTest2 { public static void main(string[] args) { Thread thread = new Thread(new MyRunnable()); thread.start(); } }

34 Sette navn på tråder Thread thread = new Thread("Mittnavn"); System.out.println(thread.getName()); MyRunnable runnable = new MyRunnable(); Thread thread = new Thread(runnable, "Mittnavn"); System.out.println(Thread.currentThread().getName ());* *: MyRunnable er ikke subklasse av Thread, og kan derfor ikke kalle getname i Thread. Løsningen er å bruke metoden Thread.currentThread() som alltid refererer til den tråden som til enhver tid er aktiv.

35 Eksempel: Tråder som skriver ut navnet public class Thread2 extends Thread { Thread2(String S) { super(s); } public void run() { System.out.println("Thread: " + getname() + " Running"); } } public class ThreadNames { public static void main(string[] args) { // Skriver ut navn til tråden som kjører main System.out.println(Thread.currentThread().getName()); // Oppretter og starter 10 nummererte tråder for(int i = 0; i < 10; i++) { Thread2 T = new Thread2("" + i); T.start(); } } }

36

37