›

Giáo trình Hệ điều hành - Bài 4: Quản lý tiến trình

pdf 48 trang huongle 9700
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hệ điều hành - Bài 4: Quản lý tiến trình", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_he_dieu_hanh_bai_4_quan_ly_tien_trinh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Hệ điều hành - Bài 4: Quản lý tiến trình

  1. Môn học: Hệ điều hành 1
  2. • Phân biệt tiến trình và tiểu trình • So sánh các thuật toán điều phối tiến trình 2
  3. • Tiến trình là một chương trình đang được thực thi • Một tiến trình cần sử dụng các tài nguyên: CPU, bộ nhớ, tập tin, thiết bị nhập xuất để hoàn tất công việc của nó 4
  4. • Tạo tiến trình – Khởi động hệ thống – Người dùng kích hoạt một chương trình – Một tiến trình tạo một tiến trình khác • Unix/ Linux: exec(), fork() • Windows: CreateProcess() – Cây tiến trình • Unix/ Linux: các tiến trình cha, con có mối quan hệ chặt chẽ • Windows: các tiến trình cha, con độc lập với nhau 5
  5. • Dừng tiến trình – Xử lý xong lệnh cuối cùng hay gọi lệnh kết thúc • Unix/ Linux: exit() • Windows: ExitProcess() – Một tiến trình yêu cầu dừng một tiến trình khác • Unix/ Linux: kill() • Windows: TerminateProcess() Điều gì xảy ra nếu tiến trình “nạn nhân” vẫn chưa muốn “chết”? – Do lỗi chương trình 6
  6. Nhận CPU running ready  R  R s s Trả CPU  CPU  CPU blocked Chờ resource Nhận resource  Rs  CPU CPU-bound process IO-bound process 7
  7. Vào Thoát ready queue CPU Disk 1 disk queue Disk 2 Network network queue I/O other I/O queue 8
  8. • Định danh (Process ID) pid • Trạng thái tiến trình State • Ngữ cảnh tiến trình (State, details) – Trạng thái CPU – Bộ xử lý (cho máy nhiều CPU) Context – Bộ nhớ chính (IP, Mem, Files ) – Tài nguyên sử dụng /tạo lập • Thông tin giao tiếp Relatives – Tiến trình cha, tiến trình con ( Dad, children) – Độ ưu tiên Scheduling statistic • Thông tin thống kê Process control Block – PCB 9
  9. Excel Visual C++ CDplayer Winword 10
  10. Tiến trình 1 Tiến trình 2 Tiến trình 3 Điều phối như thế nào ??? CPU Hệ điều hành 11
  11. • Mục tiêu điều phối • Lựa chọn tiến trình – Tiêu chuẩn lựa chọn – Thời điểm lựa chọn • Chuyển đổi giữa các tiến trình • Các chiến lược điều phối – FCFS  Multiple Queues – Round Robin  Guaranteed Scheduling – Priority  Lottery Scheduling – SJF  Fair-Share Scheduling 12
  12. • Mục tiêu chung – Công bằng sử dụng CPU – Cân bằng sử dụng các thành phần của hệ thống • Hệ thống theo lô – Tối ưu throughput – Giảm thiểu turnaround time: Tquit – Tarrive – Tận dụng CPU • Hệ thống tương tác – Giảm thiểu thời gian chờ (Tối ưu thời gian hồi đáp): Tin ReadyQueue – Cân đối mong muốn của người dùng • Hệ thống thời gian thực – Thời hạn hoàn thành công việc 13
  13. • Tiêu chí lựa chọn – Chọn tiến trình vào RQ trước – Chọn tiến trình có độ ưu tiên cao hơn • Thời điểm lựa chọn – Điều phối độc quyền (non-preemptive scheduling): một khi tiến trình đang ở trạng thái Running, nó sẽ tiếp tục sử dụng CPU cho đến khi kết thúc hoặc bị block vì I/O hay các dịch vụ của hệ thống (độc chiếm CPU) • P cur kết thúc • P cur : running ->blocked – Điều phối không độc quyền (preemptive scheduling): ngoài thời điểm lựa chọn như điều phối độc quyền, tiến trình đang sử dụng CPU có thể bị ngắt (chuyển sang trạng thái Ready) khi hết thời gian qui định hoặc có tiến trình có độ ưu tiên hơn vào ReadyQueue • Q : blocked / new -> ready 14
  14. Context switching – Nhiệm vụ của Dispatcher 15
  15. • Bản thân HĐH cũng là 1 phần mềm, nghĩa là cũng sử dụng CPU để có thể chạy được. • Câu hỏi: Khi tiến trình A đang chiếm CPU, làm thế nào HĐH có thể thu hồi CPU lại được ? (vì lúc này HĐH không giữ CPU) – Ép buộc tiến trình thỉnh thoảng trả CPU lại cho HĐH ? Có khả thi ? – Máy tính phải có 2 CPU, 1 dành riêng cho HĐH ? – HĐH sử dụng ngắt đồng hồ (ngắt điều phối) để kiểm soát hệ thống • Mỗi khi có ngắt đồng hồ, HĐH kiểm tra xem có cần thu hồi CPU từ 1 tiến trình nào đó lại hay không ? • HĐH chỉ thu hồi CPU khi có ngắt đồng hồ phát sinh. • Khoảng thời gian giữa 2 lần ngắt điều phối gọi là chu kỳ đồng hồ (tối thiểu là 18.2 lần / giây) 16
  16. • FCFS • Round Robin • Priority • SJF • Multiple Queues • Guaranteed Scheduling • Lottery Scheduling • Fair-Share Scheduling 17
  17. • Tiêu chí lựa chọn tiến trình – Thứ tự vào hàng đợi Ready Queue • Thời điểm lựa chọn tiến trình – Độc quyền Ready Queue C B A CPU Ready Queue C B CPU Ready Queue C CPU 18
  18. P TarriveRQ CPU burst P TT WT P1 0 24 P1 24 0 P2 1 3 P2 27-1 24-1 P3 2 3 P3 30-2 27-2 AvgWT = (23+25)/3 = 16 P1 P2 P3 0 24 27 0:00 P1 vào RQ 0:24 P1 kết thúc P1 dùng CPU P2 dùng CPU 0:01 P2 vào RQ 0:27 P2 kết thúc 0:02 P3 vào RQ P3 dùng CPU 19
  19. • Đơn giản, dễ cài đặt • Chịu đựng hiện tượng tích lũy thời gian chờ – Tiến trình có thời gian xử lý ngắn đợi tiến trình có thời gian xử lý dài – Ưu tiên tiến trình cpu-bounded • Có thể xảy ra tình trạng độc chiếm CPU • Không phù hợp với hệ thống tương tác người dùng 20
  20. • Mỗi tiến trình chỉ sử dụng một lượng q cho mỗi lần sử dụng CPU • Tiêu chí lựa chọn tiến trình – Thứ tự vào hàng đợi Ready Queue Quantum/ • Thời điểm lựa chọn tiến trình Time slice – Không độc quyền (không có độ ưu tiên) Ready Queue C B A CPU A chỉ chiếm CPU trong q ms Ready Queue B được giao quyền sử dụng CPU A C B CPU trong q ms kế tiếp Ready Queue C được giao quyền sử dụng CPU B A C CPU trong q ms kế tiếp 21
  21. P TarriveRQ CPU burst P TT WT P1 0 24 P1 30 0+(10-4) P2 1 3 P2 7-1 4-1 P3 2 3 P3 10-2 7-2 AvgWT = (6+3+5)/3 = 4.66 P1 P2 P3 P1 P1 P1 P1 P1 0 4 7 10 14 18 22 26 30 0:00 P1 vào, P1 dùng CPU 0:07 P2 dừng, P3 dùng CPU 0:01 P2 vào (đợi) 0:10 P3 dừng, P1 dùng CPU 0:02 P3 vào (đợi) 0:14 P1 vẫn chiếm CPU 0:04 P1 hết lượt, P2 dùng CPU 22
  22. . Tranh chấp vị trí trong RQ: P TarriveRQ CPU burst “Chung thủy” P1 0 24 1. P : running -> ready 2. P : blocked -> ready P2 4 3 3. P: new ->ready . Không phải luôn luôn có thứ tự điều P3 12 3 phối P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P1 P1 P2 P1 P3 P1 P1 P1 0 4 8 11 15 18 22 26 30 RQ 0:04 P1 P2 “Chung thủy” 0:00 P1 0:8 P2 P1 0:04 0:11 P1 0:15 P3 P1 0:04 P2 P1 “Có mới nới cũ” ? 0:18 P123
  23. • Loại bỏ hiện tượng độc chiếm CPU • Phù hợp với hệ thống tương tác người dùng • Hiệu quả ? Phụ thuộc vào việc lựa chọn quantum q – q quá lớn => FCFS (giảm tính tương tác) – q quá nhỏ => chủ yếu thực hiện chuyển đổi ngữ cảnh (context switching) – Thường q = 10-100 milliseconds 24
  24. • Một độ ưu tiên (integer) được gán vào mỗi tiến trình • Phân biệt tiến trình quan trọng với tiến trình bình thường • Tiêu chí lựa chọn tiến trình – Tiến trình có độ ưu tiên cao nhất • Thời điểm lựa chọn tiến trình – Độc quyền – Không độc quyền (có độ ưu tiên) 25
  25. P TRQ Priority CPU burst P TT WT P1 0 2 24 P1 30 0+(7-1) P2 1 0 3 P2 4-1 0 P3 2 1 3 P3 7-2 4-2 AvgWT = (6+0+2)/3 = 2.66 P1 P2 P2 P3 P1 0 1 2 4 7 30 0:00 P1 vào, P1 dùng CPU 0:4 P2 kết thúc, P3 dùng CPU 0:01 P2 vào (độ ưu tiên cao hơn P1) 0:7 P3 dừng, P1 dùng CPU P2 dành quyền dùng CPU 0:30 P1 dừng 0:02 P3 vào (độ ưu tiên thấp hơn P2) P3 không dành được quyền dùng CPU 26
  26. • Cách tính độ ưu tiên ? – Hệ thống gán – Người dùng gán • Tính chất độ ưu tiên – Tĩnh • Vấn đề Starvation: các tiến trình độ ưu tiên thấp có thể không bao giờ thực thi được • Giải pháp Aging – tăng độ ưu tiên cho tiến trình chờ lâu trong hệ thống (sống lâu lên lão làng ) – Động 27
  27. Ready Queue P2 (cần 3 chu kỳ) P1 CPU (cần 5 chu kỳ) P3 (cần 7 chu kỳ) Là một dạng độ ưu tiên đặc biệt với độ ưu tiên pi = thời_gian_còn_lại(Processi) Có thể cài đặt độc quyền hoặc không độc quyền 28
  28. P TarriveRQ CPU burst P TT WT P1 0 24 P1 30 0+(7-1) P2 1 3 P2 4-1 0 P3 2 3 P3 7-2 4-2 AvgWT = (6+0+2)/3 = 2.66 P1 P2 P3 P1 0 1 4 7 30 0:00 P1 vào, P1 dùng CPU 0:4 P2 kết thúc, P3 dùng CPU 0:01 P2 vào (độ ưu tiên cao hơn P1) 0:7 P3 dừng, P1 dùng CPU P2 dành quyền dùng CPU 0:30 P1 dừng 29
  29. • Tối ưu thời gian chờ • Làm sao biết được thời gian còn lại cần thực thi của một tiến trình – Không khả thi ? – Ước lượng – sử dụng thời gian sử dụng CPU ngay trước, dùng qui luật trung bình giảm theo hàm mũ.  n 1 tn 1  n length of the nth predicted value for 0<= α <=1 th CPU burst the n CPU burst most recent relative weight past history information 30
  30. • =0 – n+1 = n – Không xét các giá trị thực đã dùng CPU. • =1 – n+1 = tn – Chỉ dùng giá trị thực mới dùng CPU. • Nếu mở rộng công thức, ta được: • n+1 = tn+(1 - ) tn -1 + j • +(1 - ) tn -1 + n=1 • +(1 - ) tn 0 • Vì và (1 - ) nhỏ hơn hay bằng 1,mỗi giá trị kế tiếp sẽ nhỏ dần.
  31. • Thực hiện điều phối theo chiến lược FCFS, RR với q = 4 và SJF • Tính WT P TarriveRL CPU burst P1 0 20 P2 1 5 P3 2 3 P4 12 6 32
  32. P TarriveRL CPU1 IO1 IO1 CPU2 IO2 IO2 burst R T burst R T P1 0 5 R1 2 2 R2 2 P2 2 1 R1 10 1 R1 4 P3 10 8 R2 1 0 Null 0 CPU P1 P2 P1 P3 P2 P3 P1 P3 0 2 3 6 10 13 14 15 17 21 R1 P2 P1 P2 3 13 15 19 R2 P1 P3 17 19 21 22 33
  33. Độ ưu tiên • Tổ chức n RQ ứng với 1 nhiều mức ưu tiên • Mỗi RQi có thể áp dụng một chiến lược điều phối CPU 2 riêng • Điều phối giữa các RQ: – Điều phối theo độ ưu tiên của RQ Có thể xảy ra starvation n Giải pháp Aging : • Chờ lâu quá : chuyển lên RQ với độ ưu tiên cao hơn Kết hợp • Chiếm CPU lâu quá : chuyển xuống RQ với độ ưu tiên nhiều chiến lược thấp hơn – Time slice – mỗi hàng đợi nhận chiếm CPU một khoảng thời gian 34
  34. • Ba hàng đợi: – Q0 – time quantum 8 mili giây – Q1 – time quantum 16 mili giây – Q2 – FCFS • Lập lịch – Một việc mới vào queue Q0 nó được điều phối theo FCFS. Khi nó nhận CPU, chỉ dùng trong 8 mili giây. Nếu chưa hoàn tất trong 8 mili giây, công việc chuyển sang queue Q1. – Tại Q1 cv được điều phối theo FCFS và nhận CPU thêm 16 mili giây. Nếu vẫn chưa hoàn tất, nó sẽ bị đẩy qua queue Q2. 36
  35. Vừa tìm hiểu 37
  36. • Đơn giản – Viết chương trình theo kiểu bấm giờ bằng cách mỗi lần nhấn một phím thì sẽ in ra số nhịp đã trôi qua từ khi chương trình bắt đầu chạy, với mỗi nhịp bằng 1 giây, chương trình sẽ kết thúc khi nhấn ESC. • Phức tạp hơn – Viết chương trình hiển thị 10 ký tự trên màn hình, mỗi ký tự di chuyển ngẫu nhiên, liên tục với tốc độ tùy ý. Khi di chuyển nếu chạm biên màn hình thì ký tự sẽ xuất hiện lại tại giữa màn hình. Chương trình kết thúc khi người dùng nhấn phím bất kỳ. • Bài toán thực tế: – Ứng dụng web phục vụ cùng lúc nhiều yêu cầu người dùng 38
  37. • Các tiến trình độc lập, không có sự liên lạc với nhau Excel winword Visual C CDplayer OS • Muốn trao đổi thông tin với nhau, các chương trình cần được xây dựng theo mô hình liên lạc đa tiến trình (IPC – Inter-Process Communication) Phức tạp, chi phí cao 39
  38. • Tiểu trình là một dòng xử lý trong một tiến trình • Mỗi tiến trình luôn có một tiểu trình chính (dòng xử lý cho hàm main()) • Ngoài tiểu trình chính, tiến trình còn có thể có nhiều tiểu trình con khác • Các tiểu trình của một tiến trình – Chia sẻ không gian vùng code và data – Có vùng stack riêng 41
  39. • TCB thường chứa các thông tin riêng của mỗi tiểu trình – ID của tiểu trình – Không gian lưu các thanh ghi – Con trỏ tới vị trí xác định trong ngăn xếp – Trạng thái của tiểu trình • Thông tin chia sẻ giữa các tiểu trình trong một tiến trình – Các biến toàn cục – Các tài nguyên sử dụng như tập tin, – Các tiến trình con – Thông tin thống kê – 42
  40. PC Mã hàm thread_create() SP PCBs TCBs thread_create() new_thread_starts_here stacks 43
  41. • Quản lý tiểu trình mức người dùng  Quản lý tiểu trình mức hệ thống • 3 thư viện chính hỗ trợ:  Hệ điều hành hỗ trợ: • POSIX Pthreads  Windows XP/2000 • Win32 threads  Solaris • Java threads  Linux 44  Mac OS X
  42. • Tại sao không dùng nhiều tiến trình để thay thế cho việc dùng nhiều tiểu trình ? – Các tác vụ điều hành tiểu trình (tạo, kết thúc, điều phối, chuyển đổi, ) ít tốn chi phí thực hiện hơn so với tiến trình – Liên lạc giữa các tiểu trình thông qua chia sẻ bộ nhớ, không cần sự can thiệp của kernel 46
  43. Quản lý tiểu trình mức người dùng Quản lý tiểu trình mức hệ thống 47
  44. • Tự tìm hiểu (Modern Operating System - Tanenbaum) – Guaranteed Scheduling – Lottery Scheduling – Fair-Share Scheduling • Tham khảo thêm – Tổ chức, quản lý tiến trình của hệ điều hành Windows – Tổ chức, quản lý tiến trình của hệ điều hành Unix/Linux 48