Презентация Управление процессами онлайн

Содержание слайда: Операционные системы

Содержание слайда: Тема 3. Управление процессами

Содержание слайда: Процесс (или по-другому, задача) - абстракция, описывающая выполняющуюся программу или часть программы. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов.

Содержание слайда: Процесс Процесс – Это программа в состоянии выполнения Некоторый объект, который выполняется на процессоре По сути своей все ПО, которые работает под управлением ОС на нашем ПК, даже включая иногда и саму ОС организованно в виде множества процессов. Процессы это минимальный примитив, который позволяет организовать некоторую многозадачность. Как исполняемый объект, процесс позволяет параллельное выполнение нескольких программ в системе (ЦП переключается между программами) Все ПО, работающее на компьютере, включая саму ОС, организованно в виде множества процессов.

Содержание слайда: Мультизадачность Способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняется сразу несколько программ. Общее время выполнения сокращается, хотя время выполнения самих процессов обычно увеличивается.

Содержание слайда: При работе системы запускается множество процессов, о которых пользователь зачастую не подозревает. При работе системы запускается множество процессов, о которых пользователь зачастую не подозревает. Например:

Содержание слайда: Запущен процесс, ожидающий входящей электронной почты; Запущен процесс, ожидающий входящей электронной почты; Другой процесс — антивирусная программа выполняет периодическую проверку доступности определений новых вирусов; Запущены процесс, инициированный пользователем, сброс пользовательских фотографий на USB-накопитель; Одновременно пользователь через браузер просматривает Интернет.

Содержание слайда: Всей этой работой нужно управлять, и для этого требуется многозадачная система, поддерживающая работу нескольких процессов. Всей этой работой нужно управлять, и для этого требуется многозадачная система, поддерживающая работу нескольких процессов.

Содержание слайда:

Содержание слайда: В любой многозадачной системе центральный процессор быстро переключается между процессами, предоставляя каждому из них десятки или сотни миллисекунд. В любой многозадачной системе центральный процессор быстро переключается между процессами, предоставляя каждому из них десятки или сотни миллисекунд.

Содержание слайда: При этом хотя в каждый конкретный момент времени центральный процессор работает только с одним процессом, в течение 1 секунды он может успеть поработать с несколькими из них, создавая иллюзию параллельной работы. При этом хотя в каждый конкретный момент времени центральный процессор работает только с одним процессом, в течение 1 секунды он может успеть поработать с несколькими из них, создавая иллюзию параллельной работы.

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Процесс – это

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено.

Содержание слайда: Фоновые процессы Во время работы операционной системы создаются, как правило, несколько процессов. Некоторые из них представляют собой высокоприоритетные процессы, то есть процессы, взаимодействующие с пользователями и выполняющие для них определенную работу. Остальные являются фоновыми процессами, не связанными с конкретными пользователями, но выполняющими ряд специфических функций.

Содержание слайда: Фоновые процессы Например, фоновый процесс, который может быть создан для приема входящих сообщений электронной почты, основную часть времени проводит в спящем режиме, активизируясь только по мере появления писем. Другой фоновый процесс, который может быть создан для приема входящих запросов на веб-страницы, размещенные на машине, просыпается при поступлении запроса с целью его обслуживания.

Содержание слайда: Фоновые процессы Фоновые процессы, предназначенные для обработки какой-либо активной деятельности, связанной, например, с электронной почтой, веб-страницами, новостями, выводом информации на печать и т. д., называются демонами. Обычно у больших систем насчитываются десятки демонов.

Содержание слайда: Создание процессов 1. Инициализация системы. 2. Выполнение работающим процессом системного вызова, предназначенного для создания процесса. 3. Запрос пользователя на создание нового процесса..

Содержание слайда:

Содержание слайда: Состояния процесса

Содержание слайда: Состояния процесса выполнение - активное состояние процесса; ожидание - пассивное состояние процесса, процесс заблокирован; готовность - также пассивное состояние процесса.

Содержание слайда: Выполнение - активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и выполняется процессором.

Содержание слайда: Ожидание - процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например: завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса.

Содержание слайда: Готовность - процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

Содержание слайда: В состоянии «выполнение» в однопроцессорной системе может находиться только один процесс. А в состояний «ожидание» и «готовность» - может одновременно находиться несколько процессов и эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов.

Содержание слайда: В операционных системах совместно работающие процессы могут использовать какое-нибудь общее хранилище данных, доступное каждому из них по чтению и по записи. Это общее хранилище может размещаться в оперативной памяти. Чтобы посмотреть, как взаимодействие процессов осуществляется на практике, давайте рассмотрим простой общеизвестный пример — спулер печати. Когда процессу необходимо распечатать какой-нибудь файл, он помещает имя этого файла в специальный каталог спулера. Другой процесс под названием демон принтера периодически проверяет наличие файлов для печати и в том случае, если такие файлы имеются, распечатывает их и удаляет их имена из каталога.

Содержание слайда: Планирование процессов определение момента времени для смены выполняемого процесса; выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов; переключение контекстов "старого" и "нового" процессов (аппаратно).

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Модель состояния процесса 2

Содержание слайда: Модель состояния процесса №2

Содержание слайда: Задачи динамического планирования, т.е. наиболее эффективного распределения ресурсов, возникающие практически при каждом событии, называются диспетчеризацией.

Содержание слайда: Долгосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящихся во входной очереди, должен быть переведен в очередь готовых к выполнению процессов в случае освобождения ресурсов памяти.

Содержание слайда: Краткосрочный планировщик решает, какая из задач, находящихся в очереди готовых к выполнению, должна быть передана на выполнение.

Содержание слайда: Основные стратегии планирования:  по возможности заканчивать вычисления в том же порядке, в котором он были начаты; отдавать предпочтение более коротким задачам; предоставлять всем пользователям одинаковые услуги, в том числе и одинаковое время ожидания.

Содержание слайда: В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если: процесс завершился и покинул систему, произошла ошибка, процесс перешел в состояние ожидание, исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.

Содержание слайда: ОС выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения текущей задачи;  сохраняет контекст текущей задачи в дескрипторе задачи;   выбирает из очереди готовых к выполнению задач следующую;   загружает контекст выбранной задачи;   запускает выбранную задачу на исполнение.

Содержание слайда: Операционная система поддерживает обособленность процессов: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы - файлы, окна, семафоры и т.д.

Содержание слайда: Обособленность нужна для защиты одного процесса от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы машины, конкурируют с друг другом. В общем случае процессы принадлежат разным пользователям, разделяющим один компьютер.

Содержание слайда: Процесс (физическое представление) Внизу 0 адрес, сверху максимальный. На максимуме расположен стек, затем куча, которые растут в противоположных направлениях, данные и код программы. Важно понимать, что каждый процесс обладает своим адресным пространством. На схеме виртуальное адресное пространство начинается в нуля и заканчивается неким максимумом, которое состоит из сегментов : кода, данных и стека.

Содержание слайда: Процесс (физическое представление) При запуске программы (например MS Word) в ОС происходит следующее: Выделяется место в памяти. Каждый процесс выполняется в собственном виртуальном адресном пространстве, которое состоит: 1. Сегмента стека –используется для вызовов функций и системных вызовов 2. Сегмента данных – переменные статические и динамические, выделяемые из кучи(все что нужно для работы) 3. Сегмента кода – код программы, обычно предоставляется доступ «только для чтения» Запуск одной и той же программы несколько раз порождает новые процессы, у каждой из которых свое виртуальное адресное пространство и окружение. Т.е. эта схема будет у каждого запущенного процесса.

Содержание слайда: При мультизадачности повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем если бы он выполнялся в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса).

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Потоки

Содержание слайда: ПОТОКИ (НИТИ) Процесс состоит как минимум из: 1) Адресное пространство (набор инструкций – код программы, данные) 2) Состояние процесса выполнения Характеризуется состоянием регистров ЦП: Счетчик команд (регистр IP) Указатель стека (SP) Др.регистры ЦП 3) Множество ресурсов ОС, которыми процесс владеет в данное время (открытые файлы, сетевые соединения) . Все это находится в одном понятии процесса. Но не всегда это хорошо. Для трех несвязанных между собой процессов надо выделять 3 различные области. Приходит на помощь понятие ПОТОК.

Содержание слайда: ПОТОКИ (НИТИ) Потоки нужны для двух вещей – для параллелизма и одновременности. Параллелизм – это физически одновременное выполнение для достижения наибольшей производительности (например, между двумя ядрами) Одновременность – логическое и/или физическое одновременное выполнение (есть один ЦП, на нем одновременно выполняется несколько программ – многозадачная ОС). Потоки нужны в обоих случаях для эффективного использования. В самом простом варианте, чтобы достичь параллелизма – использование множества процессов – программы изолированы друг от друга в разных процессах, поэтому параллелизм есть. Потоки – другой способ достичь параллелизма. Потоки работают внутри одного процесса. Все потоки процесса имеют одно адресное пространство и те же ресурсы ОС. У каждого потока есть свой стек и свое состояние ЦП.

Содержание слайда: Параллелизм Примеры: Веб-сервер, который для каждого пользовательского процесса создает новый процесс, т.е. должен обслуживать несколько запросов параллельно. Ожидая данных по запросу клиента из БД сервер в это же время мог бы загрузить данные с диска для другого клиента и обработать запрос третьего клиента. Веб-браузер – в момент обращения к веб- странице, он мог бы параллельно загружать данные из различных источников. Некоторая вычислительная программа использующая физический параллелизм – например, когда нужно обработать большой массив данных.

Содержание слайда: Параллелизм В каждом из этих примеров параллелизма есть общее: Один код Доступ к одним данным Один уровень доступа Одно множество ресурсов. разное: Стэк и указатель стэка (регистр SP) Счетчик инструкций (регистр IP), указывающий на следующую инструкцию в коде программы Множество регистров ЦП

Содержание слайда: Параллелизм Как достичь параллелизма? Используя знания о процессах, можно: Можно породить сразу несколько процессов Заставить каждый из них создавая свое адресное пространство копировать в него одну и ту же информацию Неэффективно: Затраты на PCB, таблицы страниц, создание ОС структур данных, копирование адресного пространства, синхронизировать доступ. Решение – ввести понятие Потока Отделить понятие процесса (адресного пространства, ресурсов ОС) от минимальной нити, потока управления, т.е. состояния стека и регистров ЦП. Иногда такое состояние называют «легким» процессом или потоком.

Содержание слайда: Процессы и потоки Большинство современных ОС поддерживает два объекта: Процесс, который определяет адресное пространство и общие атрибуты процесса. Поток, который определяет последовательный поток выполнения в рамках процесса. Поток привязывается к одному процессу (одному адресному пространству) Может быть много потоков в одном адресном пространстве Легкий доступ к общим данным Создание потоков занимает очень мало времени ПОТОКИ стали единицей планирования ОС Процессы – всего лишь контейнер, в котором выполняются потоки. Процесс – это непосредственно контейнер, а поток – это нити выполнения, которые у него есть внутри.

Содержание слайда: Многопоточность Многопоточность полезна для : - обработки одновременных событий - построение параллельных программ. Поддержка многопоточности – разделение понятие процесса от минимального потока управления. Для параллельного потока выполнения не нужно создавать новые процессы. Работает быстрее, меньше требования к памяти. Без потоков: «Процесс»= адресное пространство + ресурсы ОС+ подразумевался единственный поток С потоками: «Процесс»= адресное пространство + ресурсы ОС+ все потоки принадлежащие процессу

Содержание слайда: Какие бывают потоки? Делают двумя способами: На уровне ядра (есть функции ядра для создания нового потока) - выделяется стек выполнения внутри адресного пространства процесса - создает и инициализирует блок управления процессом На уровне пользователя -

Содержание слайда: Отличие потоков от процессов Отличия потоков от традиционных процессов многозадачной операционной системы: процессы, как правило, независимы, тогда как потоки существуют как составные элементы процессов процессы несут значительно больше информации о состоянии, тогда как несколько потоков внутри процесса совместно используют информацию о состоянии, а также память и другие вычислительные ресурсы процессы имеют отдельные адресные пространства, тогда как потоки совместно используют их адресное пространство процессы взаимодействуют только через предоставляемые системой механизмы связей между процессами переключение контекста между потоками в одном процессе, как правило, быстрее, чем переключение контекста между процессами. Такие системы, как Windows  и OS/2, как говорят, имеют «дешёвые» потоки и «дорогие» процессы. В других операционных системах разница между потоками и процессами не так велика, за исключением расходов на переключение адресного пространства.

Содержание слайда: Стратегии обслуживания процессов

Содержание слайда: Дисциплина FCFS (first come – first served) реализует стратегию обслуживания «по возможности заканчивать вычисления в порядке их появления». Задачи обслуживаются в порядке очереди, т.е. в порядке их появления. Задачи, приостановленные для ожидания какого-либо ресурса, после перехода в состояние готовности становятся в эту очередь перед задачами, которые еще не выполнялись.

Содержание слайда: Образуются две очереди:     новые задачи; ранее выполнявшиеся, но попавшие в состояние ожидания.

Содержание слайда: Дисциплина FCFS не требует внешнего вмешательства в ход вычислений и перераспределения процессорного времени. По классу диспетчеризации (вытесняющие и не вытесняющие) дисциплина FCFS относится к не вытесняющим.

Содержание слайда: Дисциплина обслуживания SJN (shortest job next) требует, чтобы пользователи указывали предположительное время выполнения. Диспетчер задач сравнивал указанное время с реальным временем выполнения и, если время выполнения превышало указанное, то помещал это задание в конец очереди.

Содержание слайда: Дисциплина обслуживания SRT (shortest remaining time), основана на том, что выбираемое на исполнение задание требует меньше всего времени для своего завершения.

Содержание слайда: Перечисленные три дисциплины обслуживания могут использоваться для пакетных режимов работы, когда не важно время отклика.

Содержание слайда: Для интерактивной работы надо обеспечить приемлемое время реакции системы и равенство в обслуживании, если система мультитерминальная. Интерактивные задания должны иметь преимущество перед фоновыми. Эти условия решены в дисциплине RR (round robin – круговая, карусельная).

Содержание слайда: Дисциплина обслуживания RR предполагает, что каждая задача получает процессорное время порциями (квантами). После окончания выделенного кванта времени задача снимается с исполнения и на выполнение выбирается следующая задача.

Содержание слайда: Величина кванта времени выбирается как компромисс между приемлемым временем реакции системы на запросы пользователей и накладными расходами на частоту смены контекста задач.

Содержание слайда: Диспетчеризация без перераспределения процессорного времени, не вытесняющая многозадачность, – это такой способ диспетчеризации процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по своей инициативе, не отдаст управление диспетчеру задач для выбора из очереди другого, готового к исполнению процесса. Дисциплины обслуживания FCFS, SJN, SRT относятся к не вытесняющим.

Содержание слайда: При не вытесняющей многозадачности механизм разделения процессорного времени распределен между ОС и прикладной программой. Диспетчер задач формирует очереди и выбирает задачу на исполнение.

Содержание слайда: Диспетчеризация с перераспределением процессорного времени между задачами, вытесняющая многозадачность, – это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается диспетчером задач, а не самой активной задачей. Дисциплина RR и аналогичные ей относятся к вытесняющим.

Содержание слайда: Критерии для сравнения алгоритмов диспетчеризации:    использование (загруженность) центрального процессора;    пропускная способность – количество процессов, выполняющихся в единицу времени;

Содержание слайда: Критерии для сравнения алгоритмов диспетчеризации (продолжение):      время оборота – интервал времени от момента появления процесса во входной очереди до момента его завершения (время ожидания во входной очереди + время ожидания в очереди готовых к выполнению процессов + время ожидания в очередях к оборудованию + время выполнения в процессоре + время ввода/вывода);

Содержание слайда: Критерии для сравнения алгоритмов диспетчеризации (продолжение):      время ожидания – суммарное время нахождения процесса в очереди готовых к выполнению процессов;       время отклика – время от момента попадания процесса во входную очередь до момента первого обращения к терминалу

Содержание слайда: Главные причины уменьшения производительности системы: накладные расходы на переключение процессора (переключения контекстов задач, перемещения страниц виртуальной памяти, обновление данных в кэш-области);   переключение на другой процесс в тот момент, когда текущий процесс выполняет критическую секцию, а другие процессы активно ожидают входа в свою критическую секцию.

Содержание слайда: Методы повышения производительности: совместное планирование, все потоки одного приложения одновременно выбираются для выполнения процессорами и одновременно снимаются с них; находящиеся в критической секции задачи не прерываются, а активно ожидающие входа в критическую секцию задачи не выбираются до тех пор, пока вход в секцию не освободится;  планирование с учетом «советов» программы.

Содержание слайда: Введение механизма динамических приоритетов позволяет реализовать быстрое выполнение коротких задач и гарантировать выполнение любых запросов. Эта дисциплина используется в ОС UNIX.

Содержание слайда: Каждый процесс имеет два атрибута приоритета, с учетом которого распределяется процессорное время между исполняющимися задачами:   p_cpu - текущий приоритет, на основе которого осуществляется планирование;    p_ nice - заказанный относительный приоритет (nice number).

Содержание слайда: p_nice назначается пользователем явно или формируется по умолчанию с помощью системы программирования.

Содержание слайда: p_cpu формируется диспетчером задач (планировщиком разделения времени) и называется системной составляющей или текущим приоритетом.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Для принятия решения о выборе следующего запускаемого процесса планировщику необходима информация об использовании процессора. Составляющая приоритета p_cpu уменьшается обработчиком прерываний по таймеру по каждому тику таймера. Когда процесс выполняется в режиме задачи, его текущий приоритет линейно уменьшается.

Содержание слайда: Каждую секунду процессор пересчитывает приоритеты процессов, готовых к выполнению, что приводит к перемещению процессов в более приоритетные очереди и повышает вероятность их последующего запуска.

Содержание слайда: Данный алгоритм планирования обеспечивает:        интересы низкоприоритетных процессов, так как в результате длительного ожидания их приоритет и вероятность выполнения увеличиваются;      более вероятный выбор интерактивных процессов по сравнению с вычислительными.

Содержание слайда: