• Das Prozess- und Threadmodell sind wesentliche Konzepte der Betriebssystementwicklung

• Prozess sind Betriebssystemmittel, die verwaltet werden müssen

• Threads werden je nach Implementierung vom Betriebssystem oder einer Laufzeitumgebung verwaltet.

• Die Informationen von Prozessen und Threads werden in PCB bzw. TCB verwaltet.

• Prozess besitzt Ausführungsfaden (thread)

• Thread: werden für die Ausführung auf CPU verwaltet

• Threads besitzen:

  • Befehlszähler (PC)

  • Register

  • Stack

    => mehrere Fäden innerhalb eines Prozesses

Traditionelles Modell:

• Prozess hat

  • einen Adressraum

  • einen Ausführungsfaden

• Manchmal wünschenswert:

  • mehrere „Ausführungsfäden“ parallel zu haben

  • wie eigenständige Prozesse, aber gemeinsamer Adressraum

• Ein Prozess bündelt zusammengehörige Ressourcen.

• Ressourcen:

  • Adressraum

  • Offene Files

  • Kinderprozesse

  • Accounting

• Auftrag ist der Auslöser eines Arbeitsvorgangs für das Betriebssystem

• Prozess bezeichnet die gesamte Zustandsinformation eines laufenden Programms

• Jedes Programm wird in einem Prozess ausgeführt

• Programm ist eine statische Verfahrensvorschrift für die Verarbeitung

• Prozess ist konkrete Instanziierung eines Programms innerhalb eines Rechners

• Multitasking ist die logische Erweiterung von Multiprogramming.

• Die CPU bearbeitet viele Jobs und switched diese Jobs entsprechend dem eingestellten Quantum recht schnell.

• Multiprocessing bezeichnet ein System mit mehreren CPUs bzw. Kerne die mehrere Prozesse parallel bearbeiten können

• Nebenläufigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Systems, Prozesse voneinander unabhängig zu bearbeiten bzw. auszuführen.

• Parallelität bezeichnet die tatsächliche Ausführung eines Prozesses auf mehreren CPUs.

• Nebenläufigkeit ist der allgemeinere Begriff.

• Das Betriebssystem ordnet im Multiprogramming jedem Prozess ein virtueller Prozessor zu

• Bei echter Parallelarbeit wird jedem virtuellem Prozessor jeweils ein realer Prozessor zugeordnet

• Im quasi-parallelen oder nebenläufigen Betrieb wird jedem realen Prozessor für eine gewisse Zeit ein virtueller Prozessor zugeordnet.

• Eine Prozessumschaltung erfolgt nach einer vorgegebenen Strategie

• Prozesse, die bearbeitet werden sollen, müssen verwaltet werden

• Es müssen Ressourcen zugeteilt werden

• Es müssen üblicherweise mehrere Zustände durchlaufen werden

• Die einzelnen Zustände modellieren das Verhalten im System

Prozesse warten ...

• auf den Prozessor (bereit)

• auf eine Nachricht (blockiert)

• auf ein Zeitsignal (blockiert)

• auf Daten des I/O-Geräts (blockiert)

• Ein Prozess wird erzeugt:

  • Systemcall fork(Unix)

  • CreateProzess (Windows)

• Der Programmcode und die Daten werden in den Speicher geladen.

• Das Betriebssystem generiert eine eindeutige Identifikation (PID: Process Identification).

• Ein PCB wird in der Prozesstabelle angelegt.

• Übergang von (nicht existent) -> bereit (1)

• Das Betriebssystem wählt einen Prozess (bereit) aus und dieser fängt seine Berechnung an (aktiv running). (2)

• Der Prozess wird blockiert (warten auf Input, Betriebsmittel). Er geht von „aktiv running“ in den Zustand „Wartend“. (3)

• Der Blockierungsgrund ist aufgehoben (Betriebsmittel verfügbar) Der Prozess geht von „Wartend“ in den Zustand „bereit“. (4)

• Das Betriebssystem entzieht dem Prozess die CPU und stellt ihn zurück in den Zustand (bereit). (5)

• Der Prozess terminiert. Er geht von „aktiv running“ in den Zustand „nicht-ex“.(6)

  • PCB wird aus der Tabelle entfernt

  • PID wird gelöscht.

Prozesskontext

Kontextwechsel

• Wenn das Betriebssystem ein Prozess ablöst, muss der Hardware-Kontext des zu suspendierenden Prozesses für eine neue Aktivierung aufbewahrt werden. (PCB)

• Der Hardware-Kontext des neu zu aktivierenden Prozesses wird aus seinem PCB in die Ablaufumgebung geladen.

Prozessabarbeitung:

Vorteile:

• Prozesswechselzeiten sind kürzer als zwischen normalen Prozessen (kleinerer Kontext, keine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Betriebsmittelausstattungen)

• Gemeinsame Nutzung von Betriebsmitteln wird erleichtert (insbesondere eines gemeinsamen Speicherbereichs) Beispiele:

  • Tabellenkalkulationsprogramm mit Subprozessen für Eingabe und Berechnung

  • Serverprozesse in Client/Server-Anwendungen: Bereitstellung bestimmter Betriebsmittel

• Mit Wartezeiten verbundene Ein/Ausgabe-Aufträge können von eigenen Subprozessen abgewickelt

Nachteile:

• Koordination der Subprozesse und Zugriff auf gemeinsame Betriebsmittel nur durch Programmierer

• Ohne Nutzung von Wartezeiten für Ein-/Ausgabe nehmen sich Subprozesse nur gegenseitig Rechenzeit weg, ohne den Gesamtprozessablauf zu beschleunigen

• Ein Wechsel zwischen Subprozessen verschiedener Prozesse kostet genauso viel Zeit wie ein normaler Prozesswechsel.

Es gibt zwei Möglichkeiten Threads zu implementieren:

• Implementieren auf Benutzerebene

  • Eine Threadbibliothek übernimmt das Scheduling und das Umschalten

  • Threadtabelle wird im Benutzerspeicher verwaltet

• Implementieren auf Kernelebene

  • Verwalten im Kernelmodus

  • Kernel stellt die Methoden bereit

  • Keine spezielle Threadbibliothek erforderlich

  • Threadtabelle wird im Kernelspeicher verwaltet

Faktoren:

• Konkurrenz

• mind. zwei Prozesse

• ein Betriebsmittel

• exklusiv

• Kritischer Abschnitt

• exklusiver Zugriff

• keine Parallelität

Problem:

• („Race conditions“: kontextbedingt, nichtwiederholbare Effekte durch „überholende“ Prozesse)

• a) Unterbrechung beim Aushängen von B durch Einhängen von A

  • Prozess A ist weg!

• b) Unterbrechung beim Einhängen von A durch Aushängen von B

  • Prozess B bleibt erhalten!

• Zwei Prozesse dürfen nicht gleichzeitig in ihren kritischen Abschnitten sein (mutual exclusion).

• Jeder Prozess, der am Eingang eines kritischen Abschnitts wartet, muss irgendwann den Abschnitt auch betreten dürfen: kein ewiges Warten darf möglich sein (fairness condition).

• Ein Prozess darf außerhalb eines kritischen Abschnitts einen anderen Prozess nicht blockieren.

• Es dürfen keine Annahmen über die Abarbeitungsgeschwindigkeit oder Anzahl der Prozesse bzw. Prozessoren gemacht werden.

1. Keine zwei Prozesse gleichzeitig in kritischem Abschnitt

2. Keine Annahmen über relative Geschwindigkeit oder Anzahl der CPUs

3. Kein Prozess außerhalb seines kritischen Abschnitts darf andere Prozesse behindern oder blockieren

4. Kein Prozess darf ewig auf seinen Eintritt in den kritischen Abschnitt warten

• Höherwertiges Konzept zur Lösung des Mutual-ExclusionProblems.

• verwalten intern

  • eine Warteschlange für Prozesse bzw. Threads, die am Eingang warten müssen.

  • Einen Semaphorzähler, der angibt wie viele Prozesse in den kritischen Abschnitt dürfen.

  • Für den Eintritt und für den Austritt gibt es zwei Operation

    • P(): wird beim Eintritt in den kritischen Abschnitt aufgerufen. Der Semaphorzähler wird dabei um 1 vermindert, sofern er größer als 0 ist. Wenn der Zähler 0 ist, wird der Zutritt verwehrt.

    • V(): wird beim Verlassen des kritischen Abschnittes aufgerufen. Der Semaphorzähler wird um 1 erhöht.

• Passieren P(s) waitFor (signal)

  • Aufruf vor kritischem Abschnitt, warten falls besetzt

• Verlassen V(s) send (signal)

  • Aufruf nach dem kritischen Abschnitt, Aktivieren eines wartenden Prozesses

• Voraussetzung/Forderung:

  • „Atomare Aktion“:

    Entweder vollständige Transaktion oder gar keine! („roll back“ bei Abbruch)

• Es gibt 2 Typen von Semaphoren

  • Binäre Semaphore (Mutex): mit zwei Zustände (locked, unlocked).

  • Zählsemaphore: Dies ist der allgemeine Semaphor mit beliebig vielen Zuständen.

Beispiele:

Ereignissynchronisation

• Reihenfolge hängt von Ereignissen ab

Interprozesskommunikation (IPC)

• Austausch von Ergebnissen

Kommunikationsformen:

• verbindungsorientiert versus verbindungslos

• speicherbasiert versus nachrichtenbasiert

• synchron versus asynchron

• halbduplex versus vollduplex

• Varianten der Empfängeradressierung

Wichtige Mechanismen

• Gemeinsame Nutzung von Datenbereiche

  • innerhalb eines Prozesses

  • über Shared Memory (prozessübergreifend)

  • über externe Speicherobjekte wie Dateien

• Kommunikation

  • Pipes und FIFOs

  • Message Queues

  • Sockets

verbindungsorientiert

• Zuerst wird ein logischer Verbindungskanal aufgebaut und ein Verbindungskontext ausgetauscht

  • z.B. Adressinformationen

• Kommunikationsablauf

  • Verbindungsaufbau

  • Datenübertragung

  • Verbindungsabbau

verbindungslos

• Es wird keine logische Verbindung aufgebaut.

• Die Nachrichten enthalten immer die vollständige Adressierungsinformation

synchron:

• Sender und Empfänger blockieren, um sich abzustimmen

• Sender sendet eine Anfrage und wartet bis der Empfänger antwortet

• Zweiwegkommunikation

asynchron

• Sender und Empfänger blockieren sich nicht gegenseitig

• Sender sendet eine Anfrage und wartet nicht auf den Empfänger, sondern arbeitet weiter

• Puffer zum Speichern der Anfrage notwendig

Publish-Subscribe

• Publisher sendet eine Nachricht bestimmten Typs an mehrere Interessenten (Subscriber)

• Ein Empfänger kann sich als Subscriber für ein oder mehrere Themen registrieren

Point to Point

Nachricht von einem Partner zu einem anderen Partner über eine Warteschlange

Bei der Nachrichten orientierten Kommunikation unterscheidet man verschiedene Adressierungsarten

• Unicast(1:1):

  Ein Partner kommuniziert mit genau einem Partner

• Multicast(1:n):

  Ein Sender adressiert eine Gruppe von Empfängern.

• Anycast(1:1..n):

  Ein Sender adressiert eine Gruppe von Empfänger. Aber mindestens einer der Empfänger nimmt die Nachricht entgegen.

• Broadcast:

  Diese Adressierung sendet Nachrichten an alle möglichen Empfängern (Beziehung1:m, wobei m die Anzahl aller möglichen Partner ist)

• Kommunikation von Threads innerhalb eines Prozesses

• Synchronisierungsmaßnahmen nötig (Locks, Semaphore)

• Kommunikation zwischen Prozessen über Shared Memory

• Synchronisierungsmaßnahmen nötig (Locks, Semaphore)

• Kommunikation zwischen Prozessen über Dateien

• Synchronisierungsmaßnahmen nötig (Locks, Semaphore)

• Prozess übergreifende Kommunikation.

• Aufbau eines Kommunikationskanals und kommunizieren direkt miteinander

• Beispiele: Pipes, FIFOs, Sockets, Message Queues

Pipes

• Einweg-Kommunikationskanäle, die es einem Prozess erlauben mithilfe des Betriebssystem einem anderen Prozess Daten bzw. Nachrichten zu schicken.

• Sie werden zur Laufzeit erzeugt und nach Beendigung wieder zerstört.

Benannte Pipes

• werden wie Dateien behandelt werden.

• Sie erhalten einen Namen und können von beliebigen Prozessen, die eine Berechtigung haben, verwendet werden.

• Sie überleben einen Prozess und sogar einen Neustart des Betriebssystems.

Message Queues

• Nachrichtenwarteschlagen

• Mehrere Prozesse können miteinander kommunizieren

• Point-to-Point- oder Publisher-Subscribe-Kommunikation möglich

• Kommunikation auf Basis abgegrenzter Nachrichten mit definierter Länge

Sockets

• Kommunikation von entfernten Prozessen auf Basis des Internets mittels:

  • TCP (verbindungsorientiert)

  • UDP (verbindungslos)

• Prozesse werden über die IP-Adresse und Portnummer identifiziert.

• Basis der Kommunikation ist typischerweise RPC