Processi

Index

1. Introduzione
2. Attributi
3. Stati di un Processo
4. Stati di Base
5. Modello a 2 Stati
6. Modello a 5 Stati
7. Modello con Stati Sospesi
8. Condivisione delle Risorse
9. Stato del Processore

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• Sistemi Operativi 1 (class)

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Introduzione

Uno dei compiti principali dei sistemi operativi è la gestione dei processi, in particolare un sistema operativo deve permettere:

• Esecuzione alternata di processi multipli (interleaving).
• Assegnare le risorse ai processi, e proteggere dagli altri processi.
• Scambio di informazioni tra processi.
• Sincronizzazione dei Processi.

Processo (definizione)

Si tratta di un’istanza di un programma in esecuzione, ed è composto da:

• Codice (anche condiviso).
• Un insieme di dati.
• Attribbuti che descrivono lo stato del processo.

Trace (definizione)

Il comportamento di un particolare processo è caratterizzato dalle sequenza di istruzioni che vengono eseguite, questa sequenza è chiamata Trace (traccia).

Dispatcher (definizione)

Il Dispatcher è un piccolo programma è fa parte del sistema operativo (è in memoria kernel) che si occupa di sospendere un processo per eseguirne un altro.

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Attributi

Finche un processo è in esecuzione, ad esso sono associate delle informazioni, tra le quali:

• PID (Process Identifier - per distinguerlo da altri processi)
• Stato
• Priorità
• Hardware Context (valore corrente dei registi della CPU, compreso program counter)
• Puntatori a Memoria (immagine del processo)
• Stato dell’I/O
• Informazioni di accounting (utente che sta eseguendo il processo)

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Stati di un Processo

Stati di Base

Un processo ha 4 possibili stati creazione, running, not running e terminazione.

Creazione

In ogni istante in un sistema operativo c’è sempre almeno un processo in esecuzione, e tra questi c’è sempre almeno un interfaccia utente, utilizzata per l’avvio di nuovi processi.

Questa “tecnica” è chiamata Process Spawning, ovvero quando un processo crea un altro processo.

• Il processo che crea il nuovo processo è detto processo padre.

• Il processo generato è detto processo figlio.

oss: Il vecchio processo resta in esecuzione, quindi si passa da $n$ processi ad $n+1$ processi.

Esecuzione (running & not running )

Quando un processo è attivo (in esecuzione) , può avere due stati:

• running: ovvero che il processore sta eseguendo le istruzioni del processo.
• not running: ovvero che sta aspettando il suo turno per essere eseguito da processore.

oss: Questa immagine rappresenta una cosa per un Modello a 2 Stati.

Terminazione

Ci sono due tipi di terminazioni:

1. La Terminazione Prevista: che può avvenire perché il processo ha terminato il suo scopo e si “chiude” in automatico, o voluta dall’utente che “chiude” in modo controllato il processo.

2. La Terminazione NON Prevista: che può avvenire per l’esecuzione di un istruzione non consentita, che richiede l’intervento del sistema operativo per la “chiusura” forzata del processo.

oss: Esistono anche processi che rimangono sempre in esecuzione.

Esistono altre due classificazioni per descrivere il tipo di terminazione:

1. Completamento del processo: processo raggiunge la fine delle sue istruzioni (ultima istruzione è HALTed genera un’interruzione per il SO)
2. Uccisione del processo dovuta da:

• Intervento del OS per errori (esaurimento memoria, acceso area protetta, I/O fallita …)

• Utente (chiudere una finestrata)

• Da un altro processo

Processo Master: C’è sempre un processo master che non può essere terminato.

Modello a 2 Stati

Implementazione a 1 coda

Modello a 5 Stati

Osservazioni

• Quando un nuovo processo è creato non va subito in esecuzione (va in ready)
• In questa immagine non è rappresentato ma si può passare anche ready o blocked ad exit (un processo ne kill un altro)

Implementazioni a 2 o più code

Nell’implementazione a più code, ad ogni coda sono assegnati processi che sono bloccati per motivi specifici (coda di attesa I/O da memoria, coda di attesa Input da utente …)

Questo permette di essere più efficienti, perché quando si verifica un interrupt che comunica al processore che un determinato evento è avvenuto, il processore può andare direttamente alla coda associata a quell’evento e avviare il primo processo che è possibile eseguire. Ciò permette di non dover cercare in tutte le code.

Modello con Stati Sospesi

Quando il processore è principalmente inutilizzato o la memoria principale è sovraccarica si possono spostare i processi in attesa dalla memoria principale al disco, cosi da liberare memoria e non lasciare il processore inoperoso.

• Questi tecnica è chiamata sospensione dei processi.
• L’azione di spostare un processo dalla RAM ad un disco è chiamata memory swap.
• Il processo che è stato spostato dalla RAM al disco e detto sospeso.

Casi di Sospensione:

Motivo	Info
Swapping	Il SO ha bisogno di rilasciare abbastanza memoria da portarci dentro un processo ready
Interno al SO	Il SO sospetta che il processo stia causando problemi
Richiesta utente interattiva	Ad esempio: debugging, o correlato all’uso di una risorsa
Periodicità	Il processo viene eseguito periodicamente può venire sospeso in attesa della prossima esecuzione
Richiesta del padre	Il padre potrebbe voler sospendere l’esecuzione di un figlio per esaminarlo o modificarlo, o per coordinare l’attivi tra più figli

Uno Stato Sospeso

Due Stati Sospesi

Naturalmente il dispatcher esegue soltanto i processi ready e non i ready/suspended.

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Condivisione delle Risorse

Il sistema operativo ha il compito di distribuire le risorse tra i pari processi per fare ciò si basa su delle tabelle

Tabelle di Memoria

Le tabelle di memoria sono usate per gestire sia la memoria principale che quella secondaria (secondaria che serve per la memoria virtuale)

Devono comprendere le seguenti info:

• allocazione di memoria principale da parte dei processi
• allocazione di memoria secondaria da parte dei processi
• attributi di protezione per l’accesso a zone di memoria condivisa
• informazioni per gestire la memoria virtuale

Tabelle per I/O

Usate dal SO per gestire i dispositivi e i canali di I/O

Il SO deve sapere:

• se il dispositivo è disponibile o già assegnato
• lo stato dell’operazione di I/O
• la locazione in memoria principale usata come sorgente o destinazione del trasferimento di I/O

Tabelle dei File

Queste tabelle forniscono informazione su:

• esistenza di files
• locazioni in memoria secondaria
• stato corrente
• altri attributi

Memorizzate parte su disco e parte in RAM

Tabelle dei Processi

Tabella che continente le informazioni di ogni processo necessarie per la gestione dei processi

In particolare:

• Stato
• Proces Identifier (PID)
• Process Control Block (PCB) contenete gli Attributi di ogni processo
• Proces Image

Process Image

L’insieme di programma sorgente, dati, stack delle chiamate e PCB

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Stato del Processore

È la rappresentazione del contenuto di tutti i registri del processore in un certo instante.

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Proces Control Block (PCB)

Contiene informazioni di cui il SO ha bisogno per controllare e coordinare i vari processi attivi

• Salvate nella zona riservata al Kernel (accessibile soltanto all’OS).
• Contiene gli Attributi del processo.
• Permette la gestione di più processi, ovvero contiene sufficienti informazioni per bloccare un programma in esecuzione e farlo riprendere più tardi dallo stesso punto in cui si trovava.

Informazioni

Column

Note

Identificatori:

• del processo (PID)
• del processo padre (Parent PID, o PPID)
• dell’utente proprietario

Informazioni sullo stato del processore:

• registri utente (accessibili in linguaggio macchina/assembler)
• program counter
• stack pointer
• registri di stato: risultati di operazioni aritmetico/logiche
• modalità di esecuzione, interrupt abilitati/disabilitati

Informazioni per il controllo del processo:

• stato del processo (ready, suspended, blocked, …)
• priorit`a
• informazioni sullo scheduling (ad es.: per quanto tempo `e stato in esecuzione l’ultima volta)
• l’evento da attendere per tornare ad essere ready, se attualmente in attesa

Supporto per strutture dati:

• puntatori ad altri processi
• per mantenere liste concatenate di processi nei casi in cui siano necessarie (es., code di processi per qualche risorsa)

Comunicazioni tra processi: flag, segnali, messaggi per supportare comunicazioni tra processi

Permessi speciali: non tutti i processi possono accedere a tutto

Gestione della memoria: puntatori ad aree di memoria che gestiscono l’uso della memoria virtuale

Uso delle risorse: file aperti uso di risorse (compreso il processore) fino ad ora

Caption

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Modalità di Esecuzione dei Processi

La maggior parte dei sistemi operativi supporta due modalità di esecuzione:

• Modalità Kernel
• Modalità Utente

I processori possono avere altre modalità di esecuzione, ma sistemi operativi come Linux utilizzano soltanto le corrispettive modalità kernel e utente.

Modalità Kernel

Modalità (senza limitazioni) che permette di avere il pieno controllo sulla macchina

Operazioni possibili:

• Gestione dei processi (creazione, scheduling, sincronizzazione, comunicazione)
• Gestione della memoria (allocazione per i processi, gestione memoria virtuale)
• Gestione dell I/O (assegnazione delle risorse ha processi, gestione buffer e cache)
• Funzioni di supporto (gestione interrupt, accounting, monitoraggio)

Esempio di operazioni possibili:

• permette di accedere a qualsiasi locazione di memoria
• permette di eseguire istruzioni che bloccano gli interrupt

Modalità Utente

Modalità (con limitazioni) dove molte operazioni sono vietate, quindi per poter eseguire determinate operazioni (esempio operazioni di I/O) si ha il bisogno di passare un processo alla kernel mode.

1. Prima di tutto un processo utente inizia sempre in modalità utente

2. Per passare da modalità utente a kernel il processo viene interrotto da un interrupt

3. L’hardware cambiamo la modalità di esecuzione del processo (da utente a kernel)

4. Viene eseguito un Interrupt Handler (istruzioni facente parti del kernel)

5. Il processo ora attraverso l’Interrupt Handler po eseguire le operazioni del kernel

6. Poi come ultima operazione l’Interrupt Handler ripristina la modalità di esecuzione del processo a modalità utente

oss: Quando un processo va in modalità kernel può eseguire soltanto istruzioni presenti nel kernel stesso (software di sistema) e non comandi scritti nel suo codice sorgente.

L’interrupt handler può essere eseguito in diversi “modi”, e in tutti questi dobbiamo essere in kernl mode.

Eseguito per conto dello stesso processo interrotto che lo ha esplicitamente voluto

• System calls oppure in risposta ad una sua richiesta di I/O

Eseguito per conto dello stesso processo interrotto ma non voluto:

• Errore fatale (abort): Il processo viene terminato
• Errore non fatale (fault): Trasparente rispetto al processo

Codice eseguito per conto di un altro processo

• È un caso particolare dove ad esempio un processo A ha fatto richiesta di I/O e si trova adesso in stato blocked, se durante l’esecuzione di un altro processo B viene eseguita la richiesta di A allora l’interrupt viene eseguito per conto del processo B ma è in risposta a quello che ha chiesto A. Questo è ormai “accettato” nei moderni sistemi operativi.

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Creazione di un Processo

Il Sistema Operativo deve:

• Assegnargli un PID
• Allocargli spazio in Memoria Principale (RAM)
• Inizializzare il Proces Control Block (PCB)
• Inserire il processo nella giusta coda (Stati di un Processo)
• Creare o espandere strutture dati come ad esempio quelle per l’accounting

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Switching tra Processi

Con switching si intendo l’azione di sostituire un processo in esecuzione con un altro che era in uno stato di attesa.

Quando viene effettuato uno switch di processo:

Meccanismo	Causa	Uso
Interruzione	Esterna all’esecuzione dell’istruzione corrente	Reazione ad un evento esterno asincrono; include i quanti di tempo per lo scheduler
Eccezione	Associata all’esecuzione dell’istruzione corrente	Gestione di un errore sincrono
Chiamata al SO	Richiesta esplicita	Chiamata a funzione di sistema (caso particolare di eccezione)

Passaggi per switching fra processi

Ricordiamo che vanno tutti eseguiti in Kernel Mode

1. Salvare il contesto del programma ovvero registri e PC (copiati nel PCB)
2. Aggiornare il PCB attualmente in esecuzione
3. Spostare il PCB nella coda appropriata
4. Scegliere un altro processo da eseguire
5. Aggiornare il PCB del nuovo processo
6. Aggiorna le strutture dati per la gestione della memoria
7. Ripristina il conteso del processo (registri)

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Esecuzione dell’OS?

Il Sistema Operativo è un insieme di programmi ed è eseguito dal processore come ogni altro programma. Molto spesso lascia che altri programmi vadano in esecuzione per poi riprendere il controllo tramite gli interrupt.

L'OS è un processo?

È facile notare che il sistema operativo (OS) si comporta in modo simile ad altri programmi, quindi è facile pensare che sia un processo come gli altri. Tuttavia, la risposta non è così semplice. In realtà, esistono diversi tipi di sistemi operativi e diversi modi in cui vengono eseguiti.”

Kernel Separato

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Il Kernel viene eseguito al di fuori dei processi, quindi in questo caso il sistema operativo non è un processo. Questo è eseguito come entità separata con privilegi elevati e zone di memoria riservate.

Kernel Interno ai Processi Utente

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In questo caso il Sistema Operativo viene eseguito nel contesto di un processo utente dopo un interrupt. Come visto prima questo interrupt è una parte del SO che viene eseguita e “delegata” al processo in esecuzione.

Comunque lo stack delle chiamate del processo e quello del SO è separato, questo per questioni di sicurezza.

Inoltre ricordiamo che non è necessario eseguire un process switch ma soltanto un mode switch

Kernel Basato sui Processi

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Qui tutto è un processo anche gli interrupt del Sistema Operativo, l’unica cosa che non lo è sono le funzioni che permettono il process switching. In questo caso quindi anche i processi del sistema operativo si trovano all’interno delle varie code.

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