Operációs rendszerek MINB240 UNIX, Windows NT ütemezése Holtpontkezelés. UNIX ütemezése. Algoritmus követelményei. 4.

Átírás

1 Operációs rendszerek MINB240 UNIX, Windows NT ütemezése Holtpontkezelés 4. előadás Ütemezés Operációs rendszerek MINB240 1 UNIX ütemezése Meglehetősen összetett algoritmus Rendszerjellemzők: Többfelhasználós Interaktív és batch programokat egyaránt futatható környezet Operációs rendszerek MINB240 2 Algoritmus követelményei Alacsony válaszidő támogatása (interaktív folyamatok) Nagy átbocsátóképesség Éhezés elkerülése (háttérben futó, alacsony prioritású folyamatoknál) Rendszer terhelését figyelembe vevő ütemezés Felhasználó befolyása Operációs rendszerek MINB

2 UNIX ütemezés jellemzése Prioritásos ütemezés Folyamatokhoz időben dinamikusan változó prioritást rendel Ütemezés fajtái: Kernelmód Felhasználói mód Operációs rendszerek MINB240 4 Felhasználói módban futó folyamatok ütemezése Preemtív ütemezés Időosztásos Időben változó prioritás RR és FCFS algoritmusok Operációs rendszerek MINB240 5 Kernel módban futó folyamatok ütemezése Nem preemtív ütemezés Rögzített prioritású folyamatok Pl.: rendszerhívás, megszakítás kezelés Ütemezés következik, ha: Folyamat önként lemond a futás jogáról (sleep) Kernel módból viszszatér felhasználói módba Operációs rendszerek MINB

3 Folyamatok prioritása UNIX-ban közötti egész számok jelölik (a 0 érték jelöli a legnagyobb prioritást) A prioritási értékeknek két tartománya: Kernel módú folyamatok 50 alatti prioritás Felhasználó módú folyamatok 50 feletti prioritás Operációs rendszerek MINB240 7 Prioritás meghatározása kernel módban Folyamat prioritása statikus Sleep rendszerhívás milyen eseményre várakozik Ütemezés alkalmával vizsgálja Operációs rendszerek MINB240 8 Prioritás meghatározása felhasználói módban Prioritás adott pillanatban: Felhasználó által adott külső prioritás (nice szám) Folyamat korábbi CPU használata Prioritásszámításhoz használt paraméterek p_pri p_usrpri p_cpu p_nice aktuális ütemezési prioritás felhszanálói módban érvényes prioritás CPU használat mértékére vonatkozó szám futás elején adott nice szám A paramétereket az op.rsz. minden folyamat esetén számon tartja Operációs rendszerek MINB

4 Paraméter módosulások p_pri Ez alapján választja ki mely folyamatot ütemezze következőben Felhsználói módban a p_pri = p_usrpri p_usrpri felhszanálói módban érvényes prioritás p_cpu CPU használat mértékére vonatkozó szám folyamat indításakor 0 Ezen érték módosítása óramegszakításokhoz kapcsolódik Minden óramegszakításkor Minden 10. órajelnél Minden 100. órajel megszakításnál p_nice futás elején adott nice szám Operációs rendszerek MINB Óramegszakításhoz kötődő ütemezési tevéknységek Futó folyamat Minden folyamat Minden óramegszakítás Minden 10. óramegszakítás Minden 100. óramegszakítás p_cpu = p_cpu + 1 RR algoritmus Vizsgál: van-e magasabb prioritású folyamat Ha igen: újraütemez Felhsználói prioritások újraszámolása Operációs rendszerek MINB Környezetváltás ütemezéskor Nem preemtív ütemezés Ha egy folymatnak várnia kell sleep Befejeződik a folyamat - exit Preemtív ütemezés 100. óraciklus után prioritás újraszámolás váltás 10. óraciklus esetén RR algoritmus szerint vált Ha egy futó folyamat felébred (futásra kész állapot) Operációs rendszerek MINB

5 Adatszerkezetek a folyamatok prioritásának tárolására Időben változó prioritások tárolására: dinamikus adatszerkezetek Azonos prioritású folyamatok láncolt lista Ezek keresésére hash táblázat Operációs rendszerek MINB A folyamatok prioritásának tárolása Operációs rendszerek MINB Értékelés Átlagos terhelés mellett: Jó rendszer kihasználtság Jó áteresztőképesség De: Nem méretezhető megfelelően Nem lehet meghatározott CPU időt allokálni Fix válaszidő nem garantált Felhasználó a folyamatainak prioritásár nem tudja megfelelő módon befolyásolni Operációs rendszerek MINB

6 A Windows NT (1989) Elvárások: Valós 32 bites, preemtív, újrahívható op. rsz. Virtuális memóriakezelést megvalósító Fusson: különböző hardver platformokon Szimmetrikus multiprocesszoros környezetben Elosztott hardver környezetben Az eddigi 16 bites alkalmazások futását támogassa POSIX szabvány teljesítése UNICODE használata Operációs rendszerek MINB UNICODE Karakterek gépi ábrázolásának szabványa 16 biten ábrázol Foglakozik a karakterek: Osztályozásával Megjelenésével Használatával Ezt alkalmazva lehetőség nyílik az alkalmazások nyelvterülettől független változatának elkészítésére Operációs rendszerek MINB Windows NT felépítése Rétegszerkezet Kliens-szerver architektúra Objektumorientált szemlélet Teljesíti: Adatrejtés Interfész használat Nem teljesíti Polimorfizmus Öröklődés Operációs rendszerek MINB

7 Windows NT felépítése Operációs rendszerek MINB Windows NT ütemezése Program: Kódot végrehajtó szál Szálak által lefoglalt erőforrások NT folyamatmodellje Program kód és adat Saját virtuális memória-címtér Rendszererőforrások Folyamat egyedi azonosítója Végrehajtható szál szál egy egység, amit az ütemező kezel és végrehajtásra ütemez a CPU-hoz Operációs rendszerek MINB NT szál komponensei Processzor regiszterei - állapot leírás Két veremtár Kizárólagosan használható tárterületet Szál egyedi azonosítója thread ID Környezet Thread context Erőforrás foglalás objektum - handle Elérési token Folyamat biztonsági azonosítója Folyamat jogosultságainak leírása Operációs rendszerek MINB

8 Windows NT folyamatmodellje Operációs rendszerek MINB Folyamatkezelés NT alatt Executive réteg tárolja a folyamatokhoz tartozó adatokat egy folyamatblokkban EPROCESS blokk: Kísérőadatok Mutatók a kapcsolódó adatstruktúrákra Operációs rendszerek MINB Szálkezelés NT alatt Minden szálat egy executive szálblokk reprezentál ETHREAD Operációs rendszerek MINB

9 Szálütemezés NT-ben Prioritáson alapuló ütemezés Preemtív ütemezés Processzor affinitás a szál futását azok a processzorok korlátozhatják, melyeken a szál futása már meg van kezdve Operációs rendszerek MINB A kvantum Időszelet kvantum az az időtartam, amennyit egy szál futhat, mielőtt az NT megszakítja, hogy kiderítse, hogy: vár-e másik szál is futásra azonos prioritással, vagy nincs-e szükség a szál prioritásának csökkentésére Kvantumok értéke szálanként változhat Operációs rendszerek MINB Ütemezés Windows NT-ben Az ütemezési funkciókat a kernel valósítja meg Ütemezést megvalósító rutinok: a kernel diszpécsere Ütemezési döntések szigorúan szálak alapján történik Nem számít melyik szál melyik processzhez tartozik Pl.: A és B processzek futtatható szálai 10 és 2 azonos prioritással, akkor minden szál a CPU idő 1/12 részét kapja Prioritási szintek: 0-31-ig Operációs rendszerek MINB

10 Prioritási szintek NT alatt ig valós idejű szint 1 15-ig változószint 0 rendszerszint Kvantumérték meghatározása: Minden szálhoz kvantumegység Órajel megszakításokkor a kvantumszámból levonódik 3 Ha értéke 0 vagy negatív, akkor új szál kerül kiválasztásra Operációs rendszerek MINB Holtpont (deadlock) Példa: Egy rendszerben két folyamat a következő-képpen használ két erőforrást (nyomtatót és mágnesszalagot): P1 folyamat Lefoglal (M) Lefoglal (NY) Felszabadít (M) Felszabadít (NY) P2 folyamat Lefoglal (NY) Lefoglal (M) Felszabadít (NY) Felszabadít (M) Operációs rendszerek MINB Erőforrások Engedélyezett objektumok, mint erőforrások Erőforrás az a valami, amit ugyanabban az időben csak egy processzus használhat Például: hardvereszköz, információ, stb. Operációs rendszerek MINB

11 Erőforrások fajtái 1 Egypéldányos erőforrás Egyes típusokhoz egyetlen erőforráspéldány tartozik Pl.: speciális perifériák, rajzgép, rendszertáblák, stb. Többpéldányos erőforrás Több erőforráspéldány áll rendelkezésre,melyek használati értékükben azonosak Folyamat számára közömbös, hogy melyik példányt használja Pl.: memória, munkaterület a mágneslemezen, egyenértékű nyomtatók, stb. Operációs rendszerek MINB Erőforrások fajtái 2 Megszakítható erőforrás Ha hiba bekövetkezte nélkül elvehető az őt birtokló folyamattól (pl.: memória) Holtpont nem áll elő Megszakíthatatlan erőforrás Itt a tulajdonostól való elvétele hibát eredményez (pl.: CD írás során Cd író elvétele) Holtpont probléma Általában feloldhatóak az erőforrások eljárások közötti újrakiosztásával Operációs rendszerek MINB Példa Adott rendszerben: 64MB memória Két 64MB-os processzus Egy nyomtató Mindegyik processzus nyomtatni akar A kéri, kapja a nyomtatót Nyomtatandó értékek kimásolását kezdi Mielőtt végez,lejár az időszelete B fut- sikertelen kísérlet a nyomtató megszerzésére HOLTPONT helyzet: A-hoz nyomtató, B-hez memória van rendelve egyik sem tud futni a másik erőforrása nélkül Operációs rendszerek MINB

12 Erőforrásokkal kapcsolatos tevékenységek 1. Erőforrás kérése - igénylés Ha kéréskor az erőforrás nem hozzáférhető, akkor a kérő processzus kénytelen várakozni Sikertelen kérés esetén: blokkolódhat a folyamat vagy hibakód generálódik 2. Erőforrás használata 3. Erőforrás elengedése - felszabadítás Operációs rendszerek MINB Holtpont Egy rendszer folyamatainak H részhalmaza holtpontban van, ha a H halmazba tartozó valamennyi folyamat olyan eseményre vár, amelyet csak egy másik H halmazbeli folyamat tudna előidézni. A definíció általános A rendszerben lévő folyamatok lehetnek futó, élő folyamatok Nem biztos, hogy minden együttfutáskor kialakul holtpont Befagyasztott folyamatok által ellátott funkciók kiesését okozza Operációs rendszerek MINB Holtpont kialakulásának szükséges feltételei Coffman et.al Kölcsönös kizárás feltétel legyenek olyan erőforrások a rendszerben, melyeket a folyamatok csak kizárólagosan használhatják 2. Foglalva várakozás legyen olyan folyamat, amely lefoglalva tart erőforrásokat, miközben erőforrásra várakozik 3. Megszakíthatatlanság a folyamat addig birtokolhatja az erőforrást, amíg el nem engedi 4. Körkörös várakozás két agy több proesszusból álló ciklikus láncnak kell kialakulnia,melynek mindegyik processzusa olyan erőforrásra vár, melyet a láncban következő processzus fogva tart Operációs rendszerek MINB

13 Megjegyzés Coffman erőforrásholtpont Egyéb holdpont problémák pl.: kereszteződésbeli járművek szabály szerint közlekednek jobbkéz szabály ütemezési holdpont Operációs rendszerek MINB Holtpont modellje Holt (1972) a négy feltétel modellezése irányított gráfokkal Kétféle csúcs: Kör processzus Négyzet erőforrás Él: Erőforráscsúcsból processzuscsúcsba az erőforrást a processzus kérte, engedélyezték, jelenleg birtokolja Processzuscsúcsból erőforráscsúcsba a processzus pillanatnyilag blokkolt és várakozik erőforrásra Operációs rendszerek MINB Holtpont modellje irányított gráffal a.) R1 erőforrás P1 processzushoz van rendelve b.) P1 processzus várakozik R1 erőforrásra c.) P1 processzus R1 erőforrásra várakozik,melyet P2 processzus birtokol P2 azonban nem tudja elengedni R1-et, mivel az R2 erőforrásra várakozik kör a gráfban (P1-R1-P2-R2-P1 kör) Operációs rendszerek MINB

14 Példa Holtpont Operációs rendszerek MINB Példa 1. A kéri R-t 2. C kéri T-t 3. A kéri S-t 4. C kéri R-t 5. A elengedi R-t 6. A elengedi S-t Nincs holtpont Operációs rendszerek MINB Stratégiák 1. Probléma figyelmen kívül hagyása strucc politika 2. Felismerés és helyreállítás detektálás feloldás 3. Védekezünk a kialakulás ellen 1. Megelőzés struktúrálisan holtpontmentes rendszert tervezünk 2. Elkerülés erőforrások körültekintő lefoglalásával Operációs rendszerek MINB

15 1. Strucc algoritmus Tegyünk úgy,mintha semmi probléma nem lenne Mérlegeljük: mekkora a probléma és milyen áron oldható meg Általános célú operációs rendszerek álláspontja (UNIX, Windows nem foglalkoznak a problémával) Operációs rendszerek MINB Észlelés és helyreállítás A rendszer figyeli az erőforrásigényeket és elengedéseket Módosítja az erőforrásgráfot Ellenőrzi, van-e benne kör Ha kör keletkezik, akkor a körben lévő processzusok egyikét megszünteti Ezt addig teszi, mg meg nem szűnik a kör Alkalmazás: nagygépeknél, kötegelt rendszerekben Operációs rendszerek MINB Holtpont észlelése Holtpontdetektáló algoritmus Példa: többpéldányos erőforrások pillanatnyi allokációja és igénylése P1 P2 P3 P4 FOGLAL KÉR Operációs rendszerek MINB

16 Coffman-féle holtpontdetektáló algoritmus 1. Kezdőérték beállítása Gyűjtő := Szabad; Tovább[i] := hamis minden i-re; 2. Továbblépés esélyes folyamatok kezelése: Keress i-t, melyre (Tovább[i] = hamis ÉS Kér[ig<= gyűjtő); Ha van ilyen i, akkor Gyűjtő := Gyűjtő + Foglalt [i]; Tovább[i] := igaz; Ismételd 2. lépést Egyébként folytasd 3. lépéssel 3. Kiértékelés Ha Tovább[i] = igaz minden i-re, akkor NINCS HOLTPONT Egyébként A Pi folyamatok,melyekre Tovább[i] = hamis, HOLTPONTBAN VANNAK. Operációs rendszerek MINB Holtpont feloldása Általában nem számolható fel veszteségek nélkül Erőforrások felszabadítása erőszakos megoldással Problémák: Választani kell radikális vagy kíméletes megoldás között Radikális valamennyi holtpontban érintett folyamatot felszámoljuk; áldozatok kiválasztásához szempontrendszer felállítása Biztosítani kell a folyamatok visszaállíthatóságát Operációs rendszerek MINB Védekezünk a kialakulás ellen Kétféle módszer: Megelőzés struktúrálisan holtpontmentes rendszert tervezünk Elkerülés erőforrások körültekintő lefoglalásával Operációs rendszerek MINB

17 3.1. Holtpont megelőzése Holtpont eleve ehetetlen legyen Elv: Coffman négy tételének egyike ne teljesüljön ekkor nem lesz holtpont Operációs rendszerek MINB Holtpont megelőzése 1. elv Kölcsönös kizárás Egy erőforrás sincs soha kizárólagosan egy processzuhoz rendelve Megoldás: Háttértárban történő tárolás Operációs rendszerek MINB Holtpont megelőzése 2. elv Foglalva várakozás Megelőzni olyan helyzeteket, melyekben erőforrásokat birtokló folyamatok várakoznak további erőforrásra Megoldás: Ha minden folyamat közölné összes erőforrásigényét futás előtt és ha elérhető mindet lefoglalná (nem tudja és nem optimális kihasználás) Operációs rendszerek MINB

18 Holtpont megelőzése 3. elv Megszakíthatatlanság Ha elvehetnénk az erőforrást - káosz Operációs rendszerek MINB Holtpont megelőzése 4. elv Körkörös várakozás Többféle megoldás: 1. Egy folyamat egyetlen pillanatban csak egyetlen erőforrást foglalhat 2. Összes erőforrás megszámozása 1. Fotókidolgozó 2. Szkenner 3. Rajzgép 4. Szalagmeghajtó 5. CD-ROM Holtpont csak akkor lenne, ha P1 kérné R2 erőforrást P2 pedig R1-et Tfh R1 és R2 különböző erőforrások Ha i > j akkor P1-nek nincs megengedve R2 kérése Ha i < j akkor P2-nek nincs megengedve R1 kérése Operációs rendszerek MINB Megelőzési stratégiák összefoglalva Feltétel Kölcsönös kizárás Birtokol és várakozik Megszakíthatatlanság Ciklikus várakozás Háttértárolás Megközelítés Összes erőforrásigény előzetes kérése Erőforrások elvétele Erőforrások numerikus kezelése Operációs rendszerek MINB

19 3.2. Holtpont elkerülése Van-e olyan algoritmus, mellyel a holtpont elkerülhető? Igen, elkerülhető a holtpont, ha bizonyos információ előre elérhető. Operációs rendszerek MINB Holtpont elkerülése Bankár algoritmus Dijkstra (1965) Kisvárosi bankár munkájának modellje Bizonyos nagyságú hitelt engedélyez Pl.: négy hitelező A,B,C,D adott hitelezési egységgel Kiszolgálásukra a bankát 10 egységet foglal le (22 helyett) Feltéve: mindenki amint tudja visszafizeti A 0 6 B 0 5 C 0 4 D 0 7 A 1 6 A 1 6 Egy állapot biztonságos, ha létezik Bezzel 1 5kezdődő B 2olyan 5 állapotsorozat, melynek eredményeként C 2 4 mindegyik C 2 4 ügyfél Dfelvehet 4 7 összesen D 4 7 annyi kölcsönt, amennyit a Szabad :2 Szabad :1 hitel biztonságos lehetősége nem enged. biztonságos Operációs rendszerek MINB Ügyfelek processzusok Bankár operációs rendszer Egységek erőforrás Bankár algoritmus Egy állapot biztonságos, ha létezik ezzel kezdődő olyan állapotsorozat, melynek eredményeként mindegyik ügyfél felvehet összesen annyi kölcsönt, amennyit a hitel lehetősége enged. Azaz mindegyik processzus megkapja az összes erőforrását és befejeződik Operációs rendszerek MINB

20 Biztonságos e vagy sem? Példa Biztonságos! Operációs rendszerek MINB Biztonságos e vagy sem? Példa Nem biztonságos! Operációs rendszerek MINB Erőforrás pályagörbék Két processzus és két erőforrás esetén Operációs rendszerek MINB