Sistemas Operativos. Processos, threads e eventos. Rui Maranhão

Transcrição

1 Sistemas Operativos Processos, threads e eventos Rui Maranhão (rma@fe.up.pt)

2 Multi-tarefa execução, em paralelo, de programas no mesmo computador cada instância em execução denomina-se processo (conceito central num SO!) pseudo-paralelimo: execução de sistemas multiprograma num computador com um único processador

3 Pseudo-paralelismo Porquê pseudo?

4 Processos vs. Programas programa é um ficheiro executável um processo é um objecto do sistema operativo que suporta a execução dos programas um processo pode executar vários programas um programa ou partes dele podem ser partilhados por diversos processos (*.dll)

5 Processo como máquina virtual um processo tem espaço de endereçamento repertório de instruções contexto de execução (estado interno)

6 Hierarquia informação nos subprocessos são herdadas

7 Processos o contexto de execução de um processo (ou seja, o seu estado) compreende código dados estado do processador (registos) recursos (ficheiros,...) tempo CPU consumido

8 Informação sobre um processo

9 Processo SO deverá ser capaz de criar, suspender, e reiniciar a execução de processos suportar comunicação entre processos o próprio SO tem muitos processos do sistema

10 Processos competem por recursos para executar as suas tarefas cabe ao sistema operativo fazer o escalonamento dos processos

11 Estados de um processo

12 Estados de um processo em execução foi-lhe atribuído CPU bloqueado o processo está logicamente impedido de prosseguir, porque lhe falta um recurso do ponto de visto do SO, transição voluntária pronto a executar, aguarda escalonamento

13 Primitivas de despacho bloqueia(evento) coloca processo na fila de processos parados à espera do evento invoca próximo processo liberta(evento) ou liberta(processo, evento) se processo não esta a espera de mais eventos, coloca-o na lista de espera

14 Primitivas de despacho proximo_processo() selecciona um dos processos existentes na lista de processos prontos a executar executa a comutação de contexto salvaguarda contexto volátil do processo corrente carrega contexto do processo escolhido

15 Principais decisões Qual o próximo processo? Quando começa a executar? Durante quanto tempo? ou seja: há desafectação forçada ou não?

16 Criação de um processo id = criarproc(codigo_fonte, prioridade,...)

17 Eliminação de processos eliminação do processo quando o programa termina, eliminando dados e recursos sair([estado]), estado = erro \/!erro eliminação de outro processo eliminarproc(id) erro fatal (segmentation fault)

18 Terminação de processo filho em certos casos, o processo pai pode querer bloquear esperando a terminação do processo filho estado = esperaterminacao(id)

19 Multiprogramação - Benefícios - maximiza o tempo de utilização do CPU utilização do CPU = 1 - p n n é o número de processos p fracção de tempo em espera por I/O

20 Unix - Processos... sobre o ponto de vista do utilizador

21 Processos em Unix identificação de um processo inteiro pid alguns pid s estão pre-atribuídos 0 é o swapper (gestão de memória) 1 é o init (inicialização do sistema)

22 Processos em Unix os processos relacionam-se de forma hierárquica o processo herda o ambiente do pai o processo sabe o pid do pai se processo pai terminar, os subprocessos são adoptados pelo pid=1

23 Processos em Unix espaço de endereçamento (modo utilizador) três zonas (segmentos).text, dados, e stack espaço de endereçamento (modo kernel) zona de dados e stack no kernel

24 Processos em Unix processos também tem associado um contexto de execução em modo utilizador contendo as variáveis de ambiente HOME, SHELL, PATH,... herdado do processo pai em C é acessível através do parâmetro do main ou de uma variável externa main (arc, arv, envp) extern char **environ

25 Criação de um Processo id = fork() retorna o pid do processo pai = pid do filho filho = 0-1 erro sem parâmetros ; imagem do filho é uma cópia do criador

26 Exemplo de fork()

27 Terminação termina o processo, e liberta todos os recursos detidos pelo processo assinala ao processo pai a terminação void exit(status) status permite passar ao pai o estado em que o processo terminou (<0 = erro)

28 Terminação em unix existe uma função para o processo pai se sincronizar com a terminação de um processo filho bloqueia o processo pai até que o filho termine int wait(int *status) status - estado de terminação do filho retorna o pid do processo terminado

29 Exemplo de Sincronização

30 Execução de um programa o fork apenas permite lançar processo com o mesmo código! a função exec permite substituir a imagem do processo onde é invocada não há retorno numa chamada com sucesso parâmetros: valores passados ficheiros matem-se abertos

31 Execução de um programa int execl(char *fich, arg0,...argn, 0) int execv(char *fich, *argv[]) fich = caminho do ficheiro argv = argumentos

32 Exemplo de exec

33 Shell shell é um bom exemplo de fork e exec

34 Autenticação um processo tem associado 2 ids atribuídos aquando do login (uid, gid) uid e gid são obtidos no ficheiro /etc/passwd uid e gid são herdados pelos filhos superuser é um uid especial (0, associado ao utilizador root)

35 Protecção protecção de recursos em unix é semelhante ao modelo listas de controlo de acesso protecção definida em três categorias dono (owner) grupo (group) restantes (world)

36 Set uid mecanismo de set uid (suid) permite alterar dinamicamente o utilizador duas variantes bit de setuid função de sistema setuid

37 Bit setuid ficheiro executável pode conter uma indicação especial para provocar a alteração do uid processo assume identidade do dono exemplo: passwd operação crítica para segurança!!

38 Threads... múltiplos fluxos de execução no mesmo processo

39 Threads mecanismo para criar fluxos de execução, partilhando um contexto comum

40 Threads vs. processos Porque não usar processos? processos obrigam ao isolamento espaços de endereçamento disjuntos dificuldade em partilhar Eficiência na criação e comutação

41 Threads: exemplos servidor (e.g., web) processador de texto quais as threads em cada caso??

42 Threads: operações operações sobre as threads id = criarthread(procedimento) eliminarthread(id) esperarthread(id)

43 API POSIX err = pthread-create(&tid, attr, func, arg) tid = id da tarefa ; attr = atributos func = função a executar arg = parâmetros para a função pthread-exit(void *value_ptr) int pthread-join(pthread_t thread, void **value_ptr) se a tarefa alvo não terminou bloqueia-se

44 Exemplo sequencial

45 Exemplo com threads

46 Threads POSIX vs. Windows Tarefas Criar Sincronizar com Terminacao Transferir controlo adormecer terminar POSIX pthread create pthread join pthread yield sleep pthread exit Windows CreateThread WaitForSingleObject SwitchToThread sleep ExitThread

47 Programação em ambiente multitarefa threads partilham o mesmo endereçamento acesso às mesmas variáveis globais modificação de variáveis globais deve ser feito com precaução para resolver estes problemas, sincronização é essencial (falado adiante)

48 Implementação threads núcleo threads utilizador

49 threads utilizador as tarefas são implementadas numa biblioteca no espaço de endereçamento do utilizador ideia proveniente das LP núcleo apenas vê um processo processo guarda lista de tarefas

50 threads utilizador comutação entre tarefas é explicita thread-yield pode ser contornado usando interrupções problema: e se uma tarefa faz chamada bloqueante?? Solução?

51 threads núcleo implementação no núcleo do SO mais comuns lista de tarefas é gerido pelo núcleo

52 threads núcleo vs. utilizador capacidade de utilização em diferentes SO? velocidade de criação e comutação? tirar partido da execução paralela em multiprocessadores? aproveitamento do CPU quando uma tarefa bloqueia?

53 Eventos... Rotinas para tratamento de acontecimentos assíncronos e excepções

54 Rotinas assíncronas certos acontecimentos devem ser tratados, embora não seja possível prever a sua ocorrência ctr-c, time-out, div-0 como tratá-los na programação sequencial? uma thread por acontecimento? Alternativa: eventos!

55 Eventos semelhante a outro conceito... qual?

56 Rotinas Assíncronas rotinaassincrona(evento, procedimento)

57 Signals... são acontecimentos assíncronos em unix definidos em signal.h man signal para mais info

58 Tratamento de signals omissão - termina o processo ignorado - alguns sinais não podem ser ignorados (ex., SIGKILL) associado a uma rotina de tratamento (handler) usando a função signal

59 Chamada de sistema: signal void (*signal (int sig, void (*func)(int)))(int)

60 Exemplo: signal

61 Chamada de sistema: kill envia um signal ao processo pid nome da função bem escolhido?! kill(pid, sig)

62 Outras funções associadas aos signals unsigned alarm(unsigned int sec) depois de sec segundos SIGALARM é enviado para o processo pause() aguarda a chegada de um signal unsigned sleep(unsigned int sec) faz alarm e bloqueia-se a espera do signal

63 Sumário programa vs. processo vs. thread mecanismos em sistemas unix eventos para que servem e como funcionam