Správa procesoru - procesy a vlákna, plánování jejich běhu, komunikace a synchronizace

Procesy

• neformálně: proces = běžící program (vykonávaná činnost)
• Každý proces má svůj vlastní virtuální adresní prostor
  • procesy jsou od sebe izolovány a neovlivňují se navzájem při standardním běhu.
  • Obsahuje kód programu, paměťový prostor, data, zásobník, registry
• Operační systém spravuje a organizuje procesy
• Komunikace mezi procesy a sdílení zdrojů vyžaduje synchronizaci

graph BT
A[nový] -- admited--> B[připravený]
D[čekající] -- I/O or Event done --> B
B -- dispatched --> C[běžící]
C -- pause --> B
C -- I/O or Event wait --> D
C -- terminated --> E[ukončený]

Plánování procesů

1. uložení stavu CPU do PCB (Process Control Block) aktuálního procesu
2. aktualizace PCB (změna stavu, …)
3. zařazení procesu do příslušné fronty
4. volba nového procesu
5. aktualizace datových struktur pro nový proces
6. načtení kontextu z PCB nového procesu

Vlákna

• procesy jsou od sebe izolovány, což nemusí být vždy žádoucí
• proces obecně slouží pro správu zdrojů (data, kód), vlákno vykonává kód
• proces může mít více vláken
• každé vlákno má své registry, zásobník IP, stav (stejně jako proces)
  • zbytek zdrojů je sdílený
• Využití vláken:
  • rozdělení běhu na popředí a na pozadí
  • asynchronní zpracování dat
  • víceprocesorové stroje
  • modulární architektura

Vztah proces-vlákno v různých systémech:

• $1:1$ - proces = vlákno
• $1:\text{N}$ - proces může mít více vláken (nejčastější řešení)
• $\text{N}:1/\text{ M}:\text{N}$ - více procesů pracuje s jedním vláknem (clustery)

Plánování běhu procesů

• potřeba efektivně plánovat procesorový čas
• samotné přepnutí procesu vyžaduje režii $\to$ latence navíc

Požadavky na plánování procesů

• spravedlnost - každý proces by v rozumné době měl mít přiděleno CPU
• vyváženost - celý systém běží
• efektivita - maximální využití CPU
• maximalizace odvedené práce
• minimalizace doby odezvy

Algoritmy pro plánování procesů

1. First-Come-First-Served
   • první proces získá procesor
   • nové procesy čekají ve frontě
   • jednoduchý, neefektivní
2. Shortest Job First
   • vybere se takový proces, který poběží nejkratší dobu
   • zlepšuje celkovou průchodnost systémem
   • potřeba znát čas, který proces potřebuje
3. Shortest Remaining Time Next
   • pokud nový proces potřebuje k dokončení méně času než aktuální, je spuštěn
4. Round robin
   • každý proces má pevně stanovené kvantum
   • připravené procesy jsou řazeny ve frontě a postupně dostávají CPU
   • vhodné pro obecné použití (poměrně spravedlivý)
5. Prioritní fronta
   • každý proces má definovanou prioritu
   • statické $\times$ dynamické nastavení priority
   • systém eviduje pro každou prioritu frontu
   • riziko vyhladovění procesů s nízkou prioritou
6. Completely Fair Scheduler
   • varianta Guaranteed scheduleru
   • používán v Linuxu
   • tasky organizovány v RB-stromu (podle toho, kolik dostaly času)
   • je zvolen ten, který získal nejméně času (nejlevnější list)

Komunikace a synchronizace

• je nezbytná pro správnou spolupráci a zamezení problémům jako je deadlock (uváznutí) nebo race conditions (souběžný přístup ke sdíleným zdrojům).

• Kritická sekce: část kódu, kdy program pracuje se sdílenými zdroji

  • pokud je jeden proces v kritické sekci, další do ní nesmí vstoupit

• Požadavky na kritickou sekci:

  • vzájemné vyloužení
  • absence zbytečného čekání
  • zaručený vstup

• Jedním ze základních synchronizačních primitiv je Semafor

  • je to chráněná proměnná obsahující počítadlo s celými čísly
  • je nutné, aby využíval atomické operace

• Další synchronizační nástroje:

  • Bariéry
  • Read-Write zámky
  • Monitor

Navigace

Předchozí: Vykonávání programu a proces překladu Následující: Problém uváznutí, jeho detekce a metody předcházení Celý okruh: 2. Informační technologie