Processes and Threads

1
Processes and Threads

• Chapter 2

2.1 Processes 2.2 Threads 2.3 Interprocess
communication 2.4 Classical IPC problems 2.5
Scheduling
2
ProcessesThe Process Model

• Multiprogramming of four programs
• Conceptual model of 4 independent, sequential
  processes
• Only one program active at any instant

3
Process Creation

• Principal events that cause process creation
• System initialization
• Execution of a process creation system
• User request to create a new process
• Initiation of a batch job

4
Proceso sukurimas

• Programinis kodas bus pradetas vykdyti tik ta-da,
  kai jam OS bus sukurtas procesas
• Sukurti informacines strukturas, aprašancias
  procesa, t.y. jo deskriptoriu ir konteksta
• Itraukti naujo proceso deskriptoriu i paruoš-tu
  procesu eile
• Užkrauti proceso kodo segmenta i operaty-viaja
  atminti arba svopingo sriti.

5
Proceso kontekstas - operacines aplinkos busena

• registru ir programinio skaitiklio busena,
• procesoriaus darbo režimo busena,
• atidarytu failu rodikliu busenos,
• informacija apie neužbaigtas ivedimo-išve-dimo
  operacijas,
• šio proceso vykdomu sisteminiu užklausu klaidu
  kodai ir t.t.

6
Proceso deskriptorius

• proceso identifikatorius,
• proceso busena,
• duomenys apie proceso privilegijas,
• kodo segmento vieta.

7
Process Termination

• Conditions which terminate processes
• Normal exit (voluntary)
• Error exit (voluntary)
• Fatal error (involuntary)
• Killed by another process (involuntary)

8
Procesu planavimo algoritmai

• Planuojant procesus, reikia išspresti šiuos
  uždavinius
• Nustatyti vykdomo proceso pakeitimo laika
• Iš paruoštu procesu eiles išrinkti procesa
  vykdymui
• Seno ir naujo procesu kontekstu perjungimas.

9
Pagrindines procesu planavimo algoritmu grupes

• algoritmai, pagristi kvantavimu,
• algoritmai, pagristi prioritetais .

10
Kvantavimu pagristuose algoritmuose aktyvus
procesas pakeiciamas, jeigu

• Procesas pasibaige ir paliko sistema,
• Ivyko klaida,
• Procesas perejo i LAUKIMO busena,
• Pasibaige procesorinio laiko kvantas, skirtas
  šiam procesui.

11
Proceso busenu grafas (kvantavimo algoritmas)
12
Algoritmai, pagristi procesu prioritetais

• Prioritetas tai skaicius, charakterizuojantis
  proceso privilegiju laipsni, naudojantis
  kompiu-terines sistemos resursais, pvz.,
  procesoriniu laiku kuo aukštesnis prioritetas,
  tuo aukštesnes privilegijos.

13
Dvi prioritetiniu algoritmu grupes

• algoritmai, naudojantys santykinius priori-tetus,
• algoritmai, naudojantys absoliutinius
  prio-ritetus.

14
Algoritmai, naudojantys santykinius prioritetus

• Procesas vykdomas tol, kol jis pats nepaliks
  procesoriaus, pereidamas i LAUKIMO busena arba
  neivyks klaida, arba procesas nepasibaigs.

15
Algoritmo su santykiniais prioritetais busenu
grafas
16
Algoritmai, naudojantys absoliutinius prioritetus

• Sistemose, su absoliutiniais prioritetais,
  akty-vaus proceso vykdymas nutraukiamas dar
  vie-nu atveju jeigu pasiruošusiu procesu eileje
  at-siranda procesas, kurio prioritetas
  aukštesnis, nei aktyvaus proceso. Šiuo atveju
  pertrauktas procesas pereina i PARUOŠTU busena.

17
Algoritmo su absoliutiniais prioritetais busenu
grafas
18
Pagrindiniai procesu planavimo proceduru tipai

• išstumiancios (preemptive),
• neišstumiancios (non-preemptive).

19
Neišstumiantis daugiaužduotiškumas

• Neišstumiantis daugiaužduotiškumas
  (non-preemptive multitasking) tai procesu
  pla-navimo budas, kai aktyvus procesas vykdo-mas
  tol, kol jis pats (savo iniciatyva) neati-duos
  valdymo OS planuotojui, kad šis iš ei-les
  išrinktu kita, pasiruošusi vykdymui pro-cesa.

20
Išstumiantis daugiaužduotiškumas

• Išstumiantis daugiaužduotiškumas (preemp-tive
  multitasking) tai toks budas, kai sprendima
  perjungti procesoriu kito proceso vykdymui priima
  OS planuotojas, o ne pats aktyvus procesas.

21
(No Transcript)
22
Process Hierarchies

• Parent creates a child process, child processes
  can create its own process
• Forms a hierarchy
• UNIX calls this a "process group"
• Windows has no concept of process hierarchy
• all processes are created equal

23
Process States (1)

• Possible process states
• running
• blocked
• ready
• Transitions between states shown

24
Process States (2)

• Lowest layer of process-structured OS
• handles interrupts, scheduling
• Above that layer are sequential processes

25
Implementation of Processes (1)

• Fields of a process table entry

26
Implementation of Processes (2)

• Skeleton of what lowest level of OS does when an
  interrupt occurs

27
Procesu sinchronizavimas ir saveika

• Sinchronizavimo problema
• vienas procesas gali perduoti duomenis kitam,
• keli procesai gali apdoroti duomenis iš bendro
  failo (bendru resursu naudojimas).

28
Procesu sinchronizavimas ir saveika (2)

• Procesu sinchronizavimo problemos sprendimo
  budai
• Procesu pristabdymas ir atkyvavimas,
• Eiliu organizavimas,
• Resursu blokavimas ir atlaisvinimas.

29
Sinchronizavimo uždavinio pvz.
30
Lenktyniu efektas
31
Kritine sekcija

• Svarbi procesu sinchronizavimo savoka yra
  kritine programos sekcija. Kritine sekcija
  tai programos dalis, kurioje naudojamasi bendrais
  duomenimis.
• Kad išvengti lenktyniu efekto tam tikro resurso
  atžvilgiu, reikia užtikrinti, kad kiekvienu
  momentu kritineje sekcijoje, susietoje su šiuo
  resursu, butu tik vienas procesas.

32
Paprasciausias šios problemos sprendimo budas

• Leisti procesui, esanciam kritineje sekcijoje,
  uždrausti visus pertraukimus
• Trukumaspavojinga patiketi sistemos valdyma
  vartotojo procesui jis gali ilgam užimti
  procesoriu, o pakibus procesui kritineje
  sekcijoje, kracha patirs visa sistema, kadangi
  pertraukimai niekada nebus ivykdyti.

33
ThreadsThe Thread Model (1)

• (a) Three processes each with one thread
• (b) One process with three threads

34
The Thread Model (2)

• Items shared by all threads in a process
• Items private to each thread

35
The Thread Model (3)

• Each thread has its own stack

36
Thread Usage (1)

• A word processor with three threads

37
(No Transcript)
38
Thread Usage (2)

• A multithreaded Web server

39
Thread Usage (3)

• Rough outline of code for previous slide
• (a) Dispatcher thread
• (b) Worker thread

40
Thread Usage (4)

• Three ways to construct a server

41
Implementing Threads in User Space

• A user-level threads package

42
Implementing Threads in the Kernel

• A threads package managed by the kernel

43
Hybrid Implementations

• Multiplexing user-level threads onto kernel-
  level threads

44
Scheduler Activations

• Goal mimic functionality of kernel threads
• gain performance of user space threads
• Avoids unnecessary user/kernel transitions
• Kernel assigns virtual processors to each process
• lets runtime system allocate threads to
  processors
• Problem Fundamental reliance on kernel
  (lower layer)
• calling procedures in user space (higher
  layer)

45
Pop-Up Threads

• Creation of a new thread when message arrives
• (a) before message arrives
• (b) after message arrives

46
Making Single-Threaded Code Multithreaded (1)

• Conflicts between threads over the use of a
  global variable

47
Making Single-Threaded Code Multithreaded (2)

• Threads can have private global variables

48
Interprocess CommunicationRace Conditions

• Two processes want to access shared memory at
  same time

49
Critical Regions (1)

• Four conditions to provide mutual exclusion
• No two processes simultaneously in critical
  region
• No assumptions made about speeds or numbers of
  CPUs
• No process running outside its critical region
  may block another process
• No process must wait forever to enter its
  critical region

50
Critical Regions (2)

• Mutual exclusion using critical regions

51
Barriers

• Use of a barrier
• processes approaching a barrier
• all processes but one blocked at barrier
• last process arrives, all are let through

52
SchedulingIntroduction to Scheduling (1)

• Bursts of CPU usage alternate with periods of I/O
  wait
• a CPU-bound process
• an I/O bound process

53
Introduction to Scheduling (2)

• Scheduling Algorithm Goals

54
Scheduling in Batch Systems (1)

• An example of shortest job first scheduling

55
Scheduling in Batch Systems (2)

• Three level scheduling

56
Scheduling in Interactive Systems (1)

• Round Robin Scheduling
• list of runnable processes
• list of runnable processes after B uses up its
  quantum

57
Scheduling in Interactive Systems (2)

• A scheduling algorithm with four priority classes

58
Scheduling in Real-Time Systems

• Schedulable real-time system
• Given
• m periodic events
• event i occurs within period Pi and requires Ci
  seconds
• Then the load can only be handled if

59
Thread Scheduling (1)

• Possible scheduling of user-level threads
• 50-msec process quantum
• threads run 5 msec/CPU burst

60
Aklavietes (deadlocks, clinch)

• Jeigu rašytojas pirmas ieis i kritine sekcija
  ir nustatys, kad nera laisvu buferiu jis lauks,
  kol skaitytojas paims eilini iraša iš buferio,
  bet skaitytojas negales to padaryti, nes
  negales ieiti i kritine sekcija, iejimas i kuria
  užblokuotas proceso rašytojas.

61
Pvz. 2 procesai, 2 resursai
62
Aklavieciu problema jungia šiuos uždavinius

• Aklavieciu išvengimas,
• Aklavieciu atpažinimas,
• Sistemos atstatymas po aklavieciu.

63
Aklavieciu išvengimas

• Resursus procesams išskirti ta pacia seka
• Kitas aklavieciu išvengimo budas vadina-mas
  dinaminiu ir jo esme priskirti resur-sus
  procesams, naudojantis tam tikromis taisyklemis,
  pvz., resursai gali buti išski-riami tam tikra
  tvarka, bendra visiems procesams

64
Aklavieciu atpažinimas

• Egzistuoja formalus, programiškai realizuoti
  aklavieciu atpažinimo metodai, pagristi bendru
  resursu lenteliu ir užklausu i užimtus resursus
  lenteliu naudojimu. Analizuojant šias leneteles,
  galima aptikti tarpusavio blokavimus.

65
Recovery from Deadlock (1)

• Recovery through preemption
• take a resource from some other process
• depends on nature of the resource
• Recovery through rollback
• checkpoint a process periodically
• use this saved state
• restart the process if it is found deadlocked

66
Recovery from Deadlock (2)

• Recovery through killing processes
• crudest but simplest way to break a deadlock
• kill one of the processes in the deadlock cycle
• the other processes get its resources
• choose process that can be rerun from the
  beginning